Kas yra spalvų filtrų masyvas (CFA)? „Bayer“ filtro supratimas

Ankstesniuose savo straipsniuose aptarėmeKoks yra fotoaparato modulisirKaip vystėsi fotoaparato moduliai. Sužinojome, kad vaizdo jutiklis yra kritinis komponentas, užfiksavęs šviesą ir paverčiant jį elektriniais signalais. Bet kaip fotoaparato jutiklis, kuris iš esmės matuoja šviesos intensyvumą, sugeba pamatyti ir užfiksuoti gyvybingas mus supančio pasaulio spalvas? Atsakymas slypi esminiame komponente, esančiame tiesiai virš jutiklio taškų: spalvų filtrų masyvas (CFA).

Norėdami suprasti CFA vaidmenį, pirmiausia turime suprasti, kaip veikia pats vaizdo jutiklis. Vaizdo jutiklio centre yra daugybė mažų fotodiodų, kurių kiekvienas atitinka tašką. Kai fotonai (šviesos dalelės) krinta ant fotodiodo, susidaro elektros krūvis, o krūvio kiekis yra proporcingas fotonų skaičiui (ty, šviesos intensyvumas ar ryškumas).

Problema ta, kad šie fotodiodai negali atskirti skirtingų šviesos spalvų. Nesvarbu, ar tai raudona, žalia ar mėlyna šviesa, kol ryškumas yra tas pats, susidaręs krūvio kiekis yra tas pats. Tai reiškia, kad jei vaizdo jutiklį naudojame tiesiogiai be apdorojimo, mes galime gauti tik juodą ir baltą ar pilkos spalvos vaizdą, kaip ir seną nuotrauką, neužfiksuodami spalvų informacijos. Kad skaitmeninis fotoaparatas pamatytų spalvą, mums reikia būdo, kaip pasakyti kiekvienam pikseliui, kokią spalvą ji mato.

Čia atsiranda spalvų filtrų masyvas (CFA). CFA yra mažų spalvų filtrų mozaika, tiksliai išdėstyta virš kiekvieno vaizdo jutiklio taško. Įsivaizduokite, kad priešais kiekvieną pikselį padėkite mažą spalvoto stiklo gabalą. Šie filtrai paprastai būna raudoni (R), žalios (G) ir mėlynos spalvos (B), atitinkantys tris pirmines spalvas, kurias žmogaus akis suvokia.

Pagrindinė CFA funkcija yra apriboti kiekvieno pikselio pasiekiančios šviesos spalvą. Pvz., Pikselis, padengtas raudonu filtru, gali tik gauti ir išmatuoti raudonos šviesos intensyvumą, pikselis, padengtas žaliu filtru, gali išmatuoti tik žalios šviesos intensyvumą, ir tas pats taikomas mėlynai. Tokiu būdu, nors vienas pikselis vis dar gali suvokti tam tikros šviesos spalvos ryškumą, skirtingus pikselių taškus visame pikselių masyve bus užfiksuota skirtingų spalvų (raudonos, žalios ir mėlynos) šviesos intensyvumo informacija (raudona, žalia ir mėlyna). Tai yra pirmas žingsnis norint pasiekti spalvų suvokimą skaitmeniniame vaizde.

Tarp įvairių CFA dizainų „Bayer“ spalvų filtrų masyvas, kurį 1976 m. Išrado ir patenavo Bryce Bayer „Eastman Kodak“, yra pats plačiausiai naudojamas. Beveik visi fotoaparatų jutikliai vartotojams skaitmeniniams kameroms ir išmaniesiems telefonams naudoja „Bayer“ modelį.

„Bayer“ filtrui būdingas jo specialus išdėstymo modelis: tai yra pakartotinis 2x2 ląstelių rinkinys. Šioje ląstelėje yra raudonas filtras, mėlynas filtras ir du žali filtrai. Kai šis 2x2 ląstelė pakartoja visame jutiklyje, pamatysite, kad jutiklyje yra maždaug dvigubai daugiau žalių taškų nei raudoni arba mėlyni taškai.

Kodėl yra daugiau žalių taškų? Taip yra todėl, kad žmogaus akis yra jautriausia žaliai šviesai, o žalia šviesa paprastai turi daugiausiai ryškumo informacijos. Didėjant žaliems taškams, padeda tiksliau užfiksuoti vaizdo ryškumo detales, o tai labai svarbu pagerinti galutinę vaizdo kokybę (ypač aiškumas ir signalo ir triukšmo santykis).

„Bayer“ režime jutiklio išvestyje „Raw Data“ (paprastai vadinami neapdoroti duomenys) iš jutiklio yra tik viena spalvų informacija apie tris pirmines spalvas: raudona, žalia ir mėlyna. Pavyzdžiui, „Pixel“ registruoja gautos raudonos lemputės intensyvumą, o trūksta informacijos apie žalią ir mėlyną.

Bayer filter pattern

Pagrindinė priežastis, kodėl „Bayer“ filtras yra toks populiarus, yra tai, kad jis suteikia gerą pusiausvyrą siekiant spalvų vaizdavimo:

Paprasta ir veiksminga:„Bayer“ filtrai yra gana paprasti struktūros ir lengvai gaminami, palyginti su sprendimais, kuriems reikalingi sudėtingesni optiniai dizainai.
Ekonomiškai efektyvus:Tai yra ekonomiškas būdas pasiekti spalvų vaizdą.
Erdvinis ir spalvų balansas:Tai užfiksuoja pakankamai spalvų informacijos (per raudoną, žalią ir mėlyną), tuo pačiu maksimaliai padidindama erdvinę skiriamąją gebą (aštrumą), nes kiekvienas pikselis pateikia bent vieną spalvų informaciją.

Kaip minėta anksčiau, CFA sukelia jutiklio išvestus neapdorotus duomenis tik su viena spalvų informacija viename taške. Tai nėra spalvotas vaizdas, kurį galų gale matome. Norint gauti pilną spalvų vaizdą, reikia atlikti svarbų po apdorojimo žingsnį, vadinamą demonstruoti ar demonstruoti.

De-Mosausavimas yra sudėtingas skaičiavimo procesas, kurį paprastai atliekamas vaizdo signalo procesorius (IPT). Demonservavimo algoritmas įvertina du trūkstamus kiekvieno pikselio spalvų komponentus, analizuojant kiekvieno pikselio ir jo aplinkinių kaimynų spalvų vertes. Pavyzdžiui, žalios ir mėlynos raudonojo pikselio vertės yra „atspėjamos“, žiūrint į šalia esančias žalių ir mėlynų taškų reikšmes.

Aukštos kokybės demonstravimo algoritmas yra esminis dalykas kuriant aiškų, spalvą-tikslų vaizdą. Dėl prasto algoritmo gali būti nelygūs kraštai, netinkamos spalvos (klaidingos spalvos) arba prarasti detales. Tobulėjant technologijoms, demonstravimo algoritmai tampa tobulesni, gali tiksliau rekonstruoti vaizdų detales ir spalvas.

how a pixel gets its missing color values from neighbors8

Nors „Bayer“ filtrai yra dažniausiai pasitaikantys, inžinieriai sukūrė kitų tipų CFA modelius, kad bandytų padaryti geriau tam tikrose konkrečiose srityse, tokiose kaip žemo apšvietimo našumas, spalvų tikslumas ar konkrečioms programoms. Pavyzdžiui:

CYGM filtras:Naudojami cian, geltonos, žalios ir magenta filtrai, kartais naudojami tam tikrose vaizdo gavimo sistemose.
RGBW filtras:Prie RGB filtro prideda baltus (arba skaidrius) taškus. Baltieji taškai užfiksuoja visas šviesos spalvas, todėl jie gali užfiksuoti daugiau šviesos, o tai padeda pagerinti jutiklio našumą silpno apšvietimo aplinkoje, tačiau norint išvengti spalvų iškraipymo, reikia sudėtingesnių demonstravimo algoritmų.

Tačiau „Bayer“ filtras vis dar dominuoja daugumoje vartotojų ir pramoninių fotoaparatų jutiklių dėl jo subrendusios technologijos, gero našumo balanso ir plataus palaikymo.

Spalvų filtrų masyvas (CFA) yra iš pažiūros paprastas, bet esminis šiuolaikinės skaitmeninės vaizdo gavimo technologijos komponentas. Tai išsprendžia pagrindinę problemą, kurios vaizdo jutikliai negali tiesiogiai suvokti spalvų. Padėdami spalvų filtrą virš kiekvieno taško, jutiklis gali užfiksuoti skirtingų šviesos spalvų intensyvumo informaciją. Tarp jų „Bayer“ filtras tapo efektyvaus ir subalansuoto dizaino pramonės standartu.

Reikėtų pabrėžti, kad CFA yra tik pirmas žingsnis norint gauti spalvų informaciją. Neapdoroti jutiklio duomenys turi atlikti sudėtingą demonstravimo procesą, kad galų gale sugeneruotų spalvingus skaitmeninius vaizdus, kuriuos matome. CFA glaudžiai bendradarbiauja su demonstravimo algoritmu, kad sudarytų skaitmeninių fotoaparatų, užfiksuotų spalvą, kertinį akmenį. CFA darbo principo supratimas padės mums giliau suprasti, kaip kuriami skaitmeniniai vaizdai.

1. Ar visi jutikliai, fiksuojantys spalvotus vaizdus, naudoja CFA?

A.Taip, tradiciniams, fotodiodams pagrįsti spalvų vaizdo jutikliai-spalvų filtrų masyvas (CFA) yra standartinis būdas pasiekti spalvų suvokimą. Pats jutiklis gali išmatuoti tik šviesos intensyvumą, o CFA užtikrina, kad kiekvienas pikselis galėtų užfiksuoti konkrečios spalvos šviesos intensyvumą, suteikdamas pagrindą vėlesnei spalvų rekonstrukcijai. Kai kurie specialūs jutikliai (pvz., „Foveon X3“ jutiklis) naudoja sukrauto sluoksnio metodą, kad atskirtų spalvas nenaudojant CFA, tačiau ši technologija yra palyginti nedažnai. Juodi ir balti (vienspalviai) jutikliams visai nereikia CFA.

2. Ar demonstruojate, kad prarastų vaizdų skiriamąją gebą?

A.Tam tikru mastu demonstracinė veikla yra trūkstamos informacijos apie spalvų informaciją per interpoliaciją (įvertinimo) užpildymo procesas. Kadangi kiekvieno pikselio spalvų informacija nėra tiesiogiai matuojama, tačiau „apskaičiuota“ remiantis aplinkiniais taškais, tai iš tikrųjų gali turėti įtakos pradinėms vaizdo detalėms ir aiškumui, ypač labai smulkiose ar pasikartojančiose tekstūros srityse. Tačiau šiuolaikiniai pažengusiųjų demonstravimo algoritmai jau yra labai sudėtingi ir veiksmingi. Jie naudoja įvairius sudėtingus skaičiavimo metodus, kad stengtųsi išsaugoti originalią vaizdo skiriamąją gebą ir detales kuo, rekonstruodami spalvą ir mažindami artefaktų generavimą.

3. Ar būsimiems vaizdo jutikliams nebus priklausomi nuo CFA?

A.Tai yra viena vaizdo jutiklio tyrimų kryptis. Kai kurios naujos ar eksperimentinės jutiklių technologijos tiria būdus, kaip pasiekti spalvų vaizdą, nepasikliaujant tradicinėmis CFA, pavyzdžiui, anksčiau minėta kelių sluoksnių jutiklių technologija, arba naudojant nanotechnologijas, kad būtų galima atskirti skirtingas šviesos spalvas pikselių lygyje. Tačiau atsižvelgiant į brandą, sąnaudų pranašumą ir gerą bendrą „Bayer Filter CFA“ technologijos našumą, daugumai išliks pagrindinis spalvų vaizdo gavimo sprendimasfotoaparato moduliaiartimiausioje ateityje. Naujos technologijos pirmiausia gali rasti įsitvirtinimą konkrečioje aukštos klasės ar profesinėse programose.

Atsiųskite mums savo fotoaparato modulių reikalavimus ir mes pritaikysime jums geriausią sprendimą. Naudodamiesi mūsų „Premium“ sprendimais, galite patobulinti savo produktus, sudominti klientus ir atidaryti naujas galimybes augti ir sėkmingai augti įterptųjų vizijos programas.

Siųskite užklausą dabar