Un mosaico de filtros Bayer es una matriz de filtros de color (CFA) para organizar filtros de color RGB en una cuadrícula de fotosensores. Su disposición particular de filtros de color se utiliza en la mayoría de los sensores de imagen digital de un solo chip que se utilizan en cámaras digitales y videocámaras para crear una imagen en color. El patrón de filtro es mitad verde, un cuarto rojo y un cuarto azul, por lo que también se denomina BGGR , RGBG , [1] [2] GRBG , [3] o RGGB . [4]
Su nombre se debe a su inventor, Bryce Bayer de Eastman Kodak . Bayer también es conocido por su matriz definida de forma recursiva utilizada en el tramado ordenado .
Las alternativas al filtro Bayer incluyen varias modificaciones de colores y disposición y tecnologías completamente diferentes, como el muestreo de color en el mismo sitio , el sensor Foveon X3 , los espejos dicroicos o una matriz de filtros difractivos transparentes. [5]
La patente de Bryce Bayer (Patente de EE. UU. N.º 3.971.065 [6] ) de 1976 denominó a los fotosensores verdes elementos sensibles a la luminancia y a los rojos y azules elementos sensibles a la crominancia . Utilizó el doble de elementos verdes que rojos o azules para imitar la fisiología del ojo humano . La percepción de luminancia de la retina humana utiliza células cónicas M y L combinadas, durante la visión diurna, que son las más sensibles a la luz verde. Estos elementos se denominan elementos sensores , sensores de píxeles o simplemente píxeles ; los valores de muestra detectados por ellos, después de la interpolación, se convierten en píxeles de imagen . En el momento en que Bayer registró su patente, también propuso utilizar una combinación cian-magenta-amarillo , es decir, otro conjunto de colores opuestos. Esta disposición era poco práctica en ese momento porque no existían los tintes necesarios, pero se utiliza en algunas cámaras digitales nuevas. La gran ventaja de los nuevos tintes CMY es que tienen una característica de absorción de luz mejorada; Es decir, su eficiencia cuántica es mayor.
La salida en bruto de las cámaras con filtro Bayer se conoce como imagen de patrón Bayer . Dado que cada píxel se filtra para registrar solo uno de los tres colores, los datos de cada píxel no pueden especificar por completo cada uno de los valores de rojo, verde y azul por sí solos. Para obtener una imagen a todo color, se pueden utilizar varios algoritmos de demosaico para interpolar un conjunto completo de valores de rojo, verde y azul para cada píxel. Estos algoritmos utilizan los píxeles circundantes de los colores correspondientes para estimar los valores de un píxel en particular.
Diferentes algoritmos que requieren distintas cantidades de potencia de procesamiento dan como resultado imágenes finales de calidad variable. Esto se puede hacer en la cámara, produciendo una imagen JPEG o TIFF , o fuera de la cámara utilizando los datos sin procesar directamente del sensor. Dado que la potencia de procesamiento del procesador de la cámara es limitada, muchos fotógrafos prefieren realizar estas operaciones manualmente en un ordenador personal. Cuanto más barata sea la cámara, menos oportunidades hay de influir en estas funciones. En las cámaras profesionales, las funciones de corrección de imagen están completamente ausentes o se pueden desactivar. La grabación en formato Raw proporciona la capacidad de seleccionar manualmente el algoritmo de desmosaico y controlar los parámetros de transformación, lo que se utiliza no solo en la fotografía de consumo, sino también para resolver diversos problemas técnicos y fotométricos. [7]
El demosaico se puede realizar de diferentes maneras. Los métodos simples interpolan el valor de color de los píxeles del mismo color en el vecindario. Por ejemplo, una vez que el chip ha sido expuesto a una imagen, se puede leer cada píxel. Un píxel con un filtro verde proporciona una medición exacta del componente verde. Los componentes rojo y azul para este píxel se obtienen de los vecinos. Para un píxel verde, se pueden interpolar dos vecinos rojos para obtener el valor rojo, también se pueden interpolar dos píxeles azules para obtener el valor azul.
Este método simple funciona bien en áreas con colores constantes o gradientes suaves, pero puede causar artefactos como el corrimiento de color en áreas donde hay cambios abruptos de color o brillo, especialmente notorios a lo largo de los bordes nítidos de la imagen. Debido a esto, otros métodos de desmosaico intentan identificar los bordes de alto contraste y solo interpolan a lo largo de estos bordes, pero no a lo largo de ellos.
Otros algoritmos se basan en la suposición de que el color de una zona de la imagen es relativamente constante incluso en condiciones de luz cambiantes, de modo que los canales de color están altamente correlacionados entre sí. Por tanto, primero se interpola el canal verde, luego el rojo y después el azul, de modo que la relación de color entre el rojo y el verde y el azul sea constante. Existen otros métodos que parten de suposiciones diferentes sobre el contenido de la imagen y, a partir de ellas, intentan calcular los valores de color que faltan.
Las imágenes con detalles de pequeña escala cercanos al límite de resolución del sensor digital pueden ser un problema para el algoritmo de desmosaico, ya que producen un resultado que no se parece al modelo. El artefacto más frecuente es el muaré , que puede aparecer como patrones repetidos, artefactos de color o píxeles dispuestos en un patrón poco realista similar a un laberinto.
Un artefacto común y desafortunado de la interpolación o desmosaico de matriz de filtros de color (CFA) es lo que se conoce y se ve como coloración falsa. Por lo general, este artefacto se manifiesta a lo largo de los bordes, donde se producen cambios abruptos o poco naturales en el color como resultado de una interpolación incorrecta a lo largo de un borde, en lugar de a lo largo de él. Existen varios métodos para prevenir y eliminar esta coloración falsa. La interpolación de transición de tono suave se utiliza durante el desmosaico para evitar que se manifiesten colores falsos en la imagen final. Sin embargo, existen otros algoritmos que pueden eliminar los colores falsos después del desmosaico. Estos tienen el beneficio de eliminar los artefactos de coloración falsa de la imagen mientras se utiliza un algoritmo de desmosaico más sólido para interpolar los planos de color rojo y azul.
El efecto cremallera es otro efecto secundario del desmosaico CFA, que también se produce principalmente a lo largo de los bordes y se conoce como efecto cremallera. En pocas palabras, el efecto cremallera es otro nombre para el desenfoque de los bordes que se produce en un patrón de encendido y apagado a lo largo de un borde. Este efecto se produce cuando el algoritmo de desmosaico promedia los valores de los píxeles sobre un borde, especialmente en los planos rojo y azul, lo que da como resultado su desenfoque característico. Como se mencionó anteriormente, los mejores métodos para evitar este efecto son los diversos algoritmos que interpolan a lo largo de los bordes de la imagen, en lugar de a través de ellos. La interpolación de reconocimiento de patrones, la interpolación adaptativa del plano de color y la interpolación ponderada direccional intentan evitar el efecto cremallera interpolando a lo largo de los bordes detectados en la imagen.
Sin embargo, incluso con un sensor teóricamente perfecto que pudiera capturar y distinguir todos los colores en cada fotositio, podrían aparecer muaré y otros artefactos. Esta es una consecuencia inevitable de cualquier sistema que muestrea una señal que de otro modo sería continua en intervalos o ubicaciones discretas. Por esta razón, la mayoría de los sensores fotográficos digitales incorporan algo llamado filtro óptico de paso bajo (OLPF) o filtro anti-aliasing (AA) . Este suele ser una capa delgada directamente frente al sensor y funciona difuminando eficazmente cualquier detalle potencialmente problemático que sea más fino que la resolución del sensor.
El filtro Bayer es casi universal en las cámaras digitales de consumo. Las alternativas incluyen el filtro CYGM ( cian , amarillo , verde, magenta ) y el filtro RGBE (rojo, verde, azul, esmeralda ), que requieren un desmosaico similar. El sensor Foveon X3 (que coloca los sensores rojo, verde y azul en capas verticales en lugar de utilizar un mosaico) y las disposiciones de tres CCD independientes (uno para cada color) no necesitan desmosaico.
El 14 de junio de 2007, Eastman Kodak anunció una alternativa al filtro Bayer: un patrón de filtro de color que aumenta la sensibilidad a la luz del sensor de imagen en una cámara digital mediante el uso de algunas celdas pancromáticas que son sensibles a todas las longitudes de onda de la luz visible y recogen una mayor cantidad de luz que llega al sensor. [8] Presentan varios patrones, pero ninguno con una unidad repetitiva tan pequeña como la unidad 2×2 del patrón Bayer.
Otra solicitud de patente estadounidense de 2007, presentada por Edward T. Chang, reivindica un sensor en el que "el filtro de color tiene un patrón que comprende bloques de píxeles de 2x2 compuestos por un píxel rojo, uno azul, uno verde y uno transparente", en una configuración destinada a incluir sensibilidad infrarroja para una mayor sensibilidad general. [9] La solicitud de patente de Kodak fue anterior. [10]
Estas celdas se han utilizado anteriormente en sensores "CMYW" (cian, magenta, amarillo y blanco) [11] y "RGBW" (rojo, verde, azul, blanco) [12] , pero Kodak aún no ha comparado el nuevo patrón de filtro con ellos.
El conjunto de filtros de color EXR de Fujifilm se fabrica tanto en CCD ( SuperCCD ) como en CMOS (BSI CMOS). Al igual que con el SuperCCD, el filtro en sí está rotado 45 grados. A diferencia de los diseños de filtros Bayer convencionales, siempre hay dos fotositios adyacentes que detectan el mismo color. La razón principal de este tipo de conjunto es contribuir al "agrupamiento" de píxeles, donde dos fotositios adyacentes se pueden fusionar, lo que hace que el sensor en sí sea más "sensible" a la luz. Otra razón es que el sensor registra dos exposiciones diferentes, que luego se fusionan para producir una imagen con un mayor rango dinámico. El circuito subyacente tiene dos canales de lectura que toman su información de filas alternas del sensor. El resultado es que puede actuar como dos sensores intercalados, con diferentes tiempos de exposición para cada mitad de los fotositios. La mitad de los fotositios se pueden subexponer intencionalmente para que capturen por completo las áreas más brillantes de la escena. Esta información destacada retenida se puede luego combinar con la salida de la otra mitad del sensor que está registrando una exposición "completa", aprovechando nuevamente el espaciado cercano de los fotositios de colores similares.
Se afirma [13] que el sensor CMOS Fujifilm X-Trans utilizado en muchas cámaras de la serie X de Fujifilm ofrece una mejor resistencia al muaré de color que el filtro Bayer y, por lo tanto, se pueden fabricar sin un filtro anti-aliasing. Esto, a su vez, permite que las cámaras que utilizan el sensor alcancen una resolución más alta con el mismo recuento de megapíxeles. Además, se afirma que el nuevo diseño reduce la incidencia de colores falsos, al tener píxeles rojos, azules y verdes en cada línea. También se dice que la disposición de estos píxeles proporciona un grano más parecido al de la película.
Una de las principales desventajas de los patrones personalizados es que pueden carecer de soporte completo en software de procesamiento de datos de terceros como Adobe Photoshop Lightroom [14], donde agregar mejoras llevó varios años. [15]
Sony introdujo el filtro de color Quad Bayer, que apareció por primera vez en la cámara frontal del iPhone 6 lanzado en 2014. Quad Bayer es similar al filtro Bayer, sin embargo, los píxeles adyacentes de 2x2 son del mismo color, el patrón 4x4 presenta 4x azul, 4x rojo y 8x verde. [16] Para escenas más oscuras, el procesamiento de señales puede combinar datos de cada grupo 2x2, esencialmente como un píxel más grande. Para escenas más brillantes, el procesamiento de señales puede convertir el Quad Bayer en un filtro Bayer convencional para lograr una resolución más alta. [17] Los píxeles en Quad Bayer se pueden operar en integración de largo plazo e integración de corto plazo para lograr HDR de disparo único, lo que reduce los problemas de combinación. [18] Quad Bayer también se conoce como Tetracell por Samsung , 4 celdas por OmniVision , [17] [19] y Quad CFA (QCFA) por Qualcomm . [20]
El 26 de marzo de 2019, se anunció la serie Huawei P30 con RYYB Quad Bayer, con un patrón 4x4 con 4x azules, 4x rojos y 8x amarillos. [21]
El 12 de febrero de 2020, se anunció el Samsung Galaxy S20 Ultra con Nonacell CFA. Nonacell CFA es similar al filtro Bayer, sin embargo, los píxeles adyacentes de 3x3 son del mismo color, el patrón de 6x6 presenta 9x azul, 9x rojo y 18x verde. [22]
{{cite journal}}: CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )Se puede utilizar una variedad de patrones CFA, con varias disposiciones de colores rojo, verde y azul (RGB) o de cian, magenta, amarillo y blanco (CMYW).