Un mosaico de filtros Bayer es una matriz de filtros de color (CFA) para organizar filtros de color RGB en una cuadrícula cuadrada de fotosensores. Su disposición particular de filtros de color se utiliza en la mayoría de los sensores de imagen digital de un solo chip utilizados 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 le llama BGGR , RGBG , [1] [2] GRBG , [3] o RGGB . [4]
Lleva el nombre de su inventor, Bryce Bayer de Eastman Kodak . Bayer también es conocido por su matriz definida recursivamente utilizada en el tramado ordenado .
Las alternativas al filtro Bayer incluyen diversas modificaciones de los colores y la disposición, así como tecnologías completamente diferentes, como el muestreo co-sitio de color , el sensor Foveon X3 , los espejos dicroicos o una matriz de filtros difractivos transparentes. [5]
La patente de Bryce Bayer (patente estadounidense nº 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 . Usó 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 conos M y L combinados, durante la visión diurna, que son más sensibles a la luz verde. Estos elementos se denominan elementos sensores , sensores , sensores de píxeles o simplemente píxeles ; Los valores de muestra detectados por ellos, después de la interpolación, se convierten en píxeles de la imagen . Cuando Bayer registró su patente, también propuso utilizar una combinación cian-magenta-amarillo , es decir, otro conjunto de colores opuestos. Esta disposición no era 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 bruta de las cámaras con filtro Bayer se denomina imagen de patrón Bayer . Dado que cada píxel se filtra para registrar solo uno de tres colores, los datos de cada píxel no pueden especificar completamente 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 demostración para interpolar un conjunto de valores completos 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 informática 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 desde el sensor. Dado que la potencia de procesamiento del procesador de la cámara es limitada, muchos fotógrafos prefieren realizar estas operaciones manualmente en una computadora personal. Cuanto más barata sea la cámara, menos posibilidades habrá 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 brinda la posibilidad de seleccionar manualmente el algoritmo de demostración y controlar los parámetros de transformación, que se utiliza no solo en fotografía de consumo sino también para resolver diversos problemas técnicos y fotométricos. [7]
El demosaicing se puede realizar de diferentes formas. Los métodos simples interpolan el valor del color de los píxeles del mismo color en la vecindad. 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 medida exacta del componente verde. Los componentes rojo y azul de este píxel se obtienen de los vecinos. Para un píxel verde, se pueden interpolar dos vecinos rojos para obtener el valor rojo, y también se pueden interpolar dos píxeles azules para obtener el valor azul.
Este enfoque simple funciona bien en áreas con color constante o gradientes suaves, pero puede causar artefactos como sangrado de color en áreas donde hay cambios abruptos de color o brillo, especialmente perceptibles a lo largo de los bordes nítidos de la imagen. Debido a esto, otros métodos de demostración intentan identificar bordes de alto contraste y solo interpolar a lo largo de estos bordes, pero no a través de ellos.
Otros algoritmos se basan en el supuesto de que el color de un área 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 lo tanto, el canal verde se interpola primero, luego el canal rojo y luego el canal azul, de modo que la relación de color rojo-verde respectivo azul-verde sea constante. Existen otros métodos que hacen diferentes suposiciones sobre el contenido de la imagen y, a partir de esto, intentan calcular los valores de color que faltan.
Las imágenes con detalles a pequeña escala cerca del límite de resolución del sensor digital pueden ser un problema para el algoritmo de demostración, produciendo un resultado que no se parece al modelo. El artefacto más frecuente es el Moiré , que puede aparecer como patrones repetidos, artefactos de color o píxeles dispuestos en un patrón laberíntico poco realista.
Un artefacto común y desafortunado de la interpolación o demostración de matriz de filtros de color (CFA) es lo que se conoce y se considera coloración falsa. Normalmente, este artefacto se manifiesta a lo largo de los bordes, donde se producen cambios de color abruptos o antinaturales como resultado de una interpolación errónea a lo largo de un borde, en lugar de a lo largo de él. Existen varios métodos para prevenir y eliminar esta coloración falsa. Durante la demostración se utiliza una interpolación de transición de tono suave para evitar que se manifiesten colores falsos en la imagen final. Sin embargo, existen otros algoritmos que pueden eliminar colores falsos después de la demostración. Estos tienen la ventaja de eliminar artefactos de coloración falsa de la imagen mientras utilizan un algoritmo de demostración más robusto para interpolar los planos de color rojo y azul.
El artefacto de cremallera es otro efecto secundario de la demostración de CFA, que también ocurre principalmente a lo largo de los bordes y se conoce como efecto de cremallera. En pocas palabras, cerrar con cremallera es otro nombre para el desenfoque de bordes que ocurre en un patrón de encendido/apagado a lo largo de un borde. Este efecto se produce cuando el algoritmo de demostración promedia los valores de píxeles sobre un borde, especialmente en los planos rojo y azul, lo que produce su característico desenfoque. Como se mencionó anteriormente, los mejores métodos para prevenir 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 la formación de cremalleras 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 fotosito, aún podrían aparecer muaré y otros artefactos. Esta es una consecuencia inevitable de cualquier sistema que muestree una señal continua en intervalos o ubicaciones discretas. Por este motivo, la mayoría de sensores fotográficos digitales incorporan algo llamado filtro óptico de paso bajo (OLPF) o filtro antialiasing (AA) . Suele ser una capa fina directamente delante del sensor y funciona desenfocando 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 una demostración similar. El sensor Foveon X3 (que coloca sensores rojos, verdes y azules verticalmente en lugar de usar un mosaico) y la disposición de tres CCD separados (uno para cada color) no necesita demostración.
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 de una cámara digital mediante el uso de algunas células pancromáticas que son sensibles a todas las longitudes de onda de la luz visible y recoger una mayor cantidad de luz que incide en el 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 donde "el filtro de color tiene un patrón que comprende bloques de 2×2 de píxeles compuestos por un píxel rojo, uno azul, un verde y un píxel transparente", en una configuración destinada 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] "RGBW" (rojo, verde, azul, blanco) [12] , pero Kodak no ha comparado el nuevo patrón de filtro con ellos todavía.
La matriz 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 se gira 45 grados. A diferencia de los diseños de filtros convencionales de Bayer, siempre hay dos fotositos adyacentes que detectan el mismo color. La razón principal de este tipo de matriz es contribuir a la "agrupación" de píxeles, donde se pueden fusionar dos fotositos adyacentes, haciendo que el sensor 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 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 entrelazados, con diferentes tiempos de exposición para cada mitad de los fotositos. La mitad de los fotositos se pueden subexponer intencionalmente para que capturen completamente las áreas más brillantes de la escena. Esta información destacada retenida se puede combinar con la salida de la otra mitad del sensor que está registrando una exposición "completa", haciendo uso nuevamente del corto espacio entre fotositos de colores similares.
Se afirma que el sensor Fujifilm X-Trans CMOS utilizado en muchas cámaras Fujifilm de la serie X [13] proporciona una mejor resistencia al color muaré que el filtro Bayer y, como tal, se pueden fabricar sin un filtro antialiasing. Esto, a su vez, permite que las cámaras que utilizan el sensor alcancen una resolución más alta con el mismo número 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 una película.
Uno de los principales inconvenientes de los patrones personalizados es que pueden carecer de soporte completo en software de procesamiento sin procesar de terceros como Adobe Photoshop Lightroom [14], donde agregar mejoras llevó varios años. [15]
Sony presentó la matriz de filtros de color Quad Bayer, que apareció por primera vez en la cámara frontal del iPhone 6 lanzada en 2014. Quad Bayer es similar al filtro Bayer, sin embargo, los píxeles 2x2 adyacentes 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 de 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 y de corto tiempo para lograr HDR de un solo disparo, lo que reduce los problemas de fusión. [18] Quad Bayer también se conoce como Tetracell de Samsung , 4 celdas de OmniVision , [17] [19] y Quad CFA (QCFA) de Qualcomm . [20]
El 26 de marzo de 2019, se anunció la serie Huawei P30 con RYYB Quad Bayer, con el patrón 4x4 con 4x azul, 4x rojo y 8x amarillo. [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}}: Mantenimiento CS1: 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 colores cian, magenta, amarillo y blanco (CMYW).