RGBO، YUV، باير: ما الفرق الحقيقي بين تنسيقات البكسل؟

اليوم، دعونا نتحدث عن معلمة مهمة للكاميرات الصناعية – تنسيق البكسل.

1. ما هو تنسيق البكسل؟

يشير تنسيق البكسل إلى طريقة التخزين وهيكل تنظيم البيانات لكل بكسل عند التقاط الكاميرا للصورة. تدعم الكاميرات الصناعية تنسيقات بكسل متعددة، مما يسمح للمستخدمين باختيار التنسيق المناسب وفقًا لاحتياجاتهم. وتشمل التنسيقات الشائعة للبكسل ما يلي: Mono، Bayer، RGB، YUV، إلخ.

2. تنسيقات البكسل الشائعة

(1) تنسيق Mono

يُستخدم تنسيق Mono، أو الوضع الأحادي، عادةً لالتقاط صور رمادية الدرجات. في هذا التنسيق، يحتوي كل بكسل على معلومات السطوع (الإضاءة) فقط دون أي معلومات لونية. على سبيل المثال، يعني Mono 10 أن كل بكسل يتم تخزينه باستخدام 10 بت.

(2) تنسيق Bayer

يُستخدم تنسيق باير لالتقاط الصور الملونة، ويعتمد على مصفوفة مرشحات الألوان (CFA). يحتوي كل بكسل على معلومات للون الأحمر والأخضر والأزرق، ولكن عادةً لا يمكن لكل بكسل تسجيل قيمة سوى أحد هذه الألوان فقط. وتُحصل قيم الألوان المتبقية من خلال الاستيفاء باستخدام القيم من البكسلات المجاورة.

يوجد عدة أنماط ترتيب مختلفة لتنسيق باير، على سبيل المثال:

• RG، GB (ويُعرف عادةً بنمط RGGB، ويُشير إلى قنوات الألوان للصفوف ذات الأرقام الزوجية)

• BG، GR (ويُعرف عادةً بنمط BGGR، وهو ترتيب مسح شائع آخر)

(3) تنسيق RGB

يحتوي تنسيق RGB على ثلاث قنوات، تسجل معلومات السطوع لكل من الأحمر والأخضر والأزرق على التوالي. يحتوي كل بكسل على معلومات للثلاثة ألوان جميعها. في تنسيق RGB، يُمثل كل بكسل بثلاث قيم تقابل R وG وB.

(4) تنسيق YUV

يُعد تنسيق YUV تنسيق بكسل يستخدم بشكل شائع في معالجة الفيديو. حيث يفصل معلومات الصورة إلى مكونات التألق (Y) والتلوين (U، V). يمثل Y التألق (السطوع/التدرج الرمادي)، بينما تمثل U وV التلوين (معلومات اللون). ويُستخدم تنسيق YUV غالبًا في ضغط الفيديو لأن العين البشرية تكون أكثر حساسية لتغيرات التألق مقارنةً بتغيرات التلوين.

تشمل التنسيقات الشائعة لـ YUV ما يلي:

• YUV 4:2:2

• YUV 4:4:4

• YUV 4:2:0

تشير هذه التنسيقات إلى طرق مختلفة لاستخدام عينة فرعية للون. وبشكل عام، كلما كان الرقم أصغر (مثل 4:2:0 بالمقارنة مع 4:4:4)، قلّت معلومات التلوين، وأدى ذلك إلى حجم ملف ناتج أصغر.

3. تنسيق البكسل والتعبئة

عند مناقشة تنسيقات البكسل، قد يظهر مفهوم التنسيق "المعبأ" أحيانًا. ويُستخدم التعبئة لتوفير مساحة التخزين وعرض النطاق الترددي. في التنسيق غير المعبأ، تُخزن بيانات البكسل غالبًا في مساحة ذاكرة أكبر تكون محاذاة للحدود القياسية (مثل 16 بت). ولتحسين التخزين، يمكن تعبئة البيانات في مساحة ذاكرة أصغر تتناسب بشكل أدق مع عمق البت الفعلي لها.

على سبيل المثال:

• قد يوحي تنسيق Mono 10 بتنسيق غير معبأ حيث تحتل البيانات ذات 10 بت مساحة 16 بت، مما يؤدي إلى إهدار 6 بتات.

• أما تنسيق Mono 10 المعبأ فيخزن البيانات ذات 10 بت بكفاءة أكبر، على سبيل المثال، عن طريق تعبئة عدة بكسلات ذات 10 بت في تسلسل من البايتات (مثل 4 بكسلات في 5 بايتات)، وبالتالي توفير مساحة التخزين وعرض النطاق الترددي للنقل. ويمكن أن يختلف أسلوب التعبئة المحدد حسب الحالة.

4. خصائص تنسيقات البكسل المختلفة  

(1) الكاميرات الأحادية اللون: التنسيق الأحادي

البيانات الأولية من الكاميرات الأحادية اللون تكون عادةً بصيغة Mono، وتحتوي فقط على معلومات التدرج الرمادي. وبما أنه لا توجد معلومات لونية، فإن حجم بيانات الصورة يكون صغيرًا نسبيًا، مما يؤدي إلى كفاءة أعلى في التخزين والنقل.

(2) الكاميرات الملونة: صيغة باير

تستخدم البيانات الأولية من الكاميرات الملونة عادةً صيغة باير. تقوم هذه الصيغة بالتقاط الصور باستخدام مرشحات ألوان مختلفة (أحمر، أخضر، أزرق) على مستشعر الصورة. ويكون حجم البيانات في صيغة باير أقل من صيغة RGB الكاملة، ولكن نظرًا لأن المعلومات اللونية تُحسب من خلال الاستيفاء (debayering/demosaicing)، فقد تكون جودة الصورة أقل قليلاً مقارنةً بـ RGB الحقيقية من حيث دقة الألوان والتشويش المحتمل.

(3) تنسيق RGB

تُعد صيغة RGB مناسبة للحصول على صور ملونة عالية الجودة. فكل بكسل يحتوي على بيانات القنوات الثلاثة RGB، مما يؤدي إلى ألوان أكثر ثراءً. وهي مناسبة للسيناريوهات التي تتطلب معالجة دقيقة للألوان. ومع ذلك، يكون حجم البيانات في صيغة RGB كبيرًا.

(4) تنسيق YUV

يُستخدم تنسيق YUV في معالجة إشارات الفيديو. ويقلل من حجم البيانات عن طريق فصل معلومات السطوع والتلوين. وبما أن مكون السطوع (Y) هو الجزء الأساسي، والعين البشرية أكثر حساسية له، يمكن تقليل عينة مكونات التلوين (U، V) (بخفض الدقة)، مما يسمح بضغط فعّال لبيانات الصورة. ويُستخدم هذا التنسيق بشكل شائع في نقل وتخزين الفيديو.

5. الفروقات بين تنسيقات البكسل

(1) القيمة لكل بكسل:

• التنسيق الأحادي (Mono): كل بكسل يحتوي فقط على قيمة تدرج رمادي.

• التنسيق باير (Bayer): كل بكسل يسجل القيمة الخاصة بلون واحد فقط (أحمر R، أخضر G، أو أزرق B)؛ وتُستخرج القيم اللونية الأخرى بالتداخل من البكسلات المجاورة.

• التنسيق RGB: كل بكسل يحتوي على القيم R وG وB.

• التنسيق YUV: يفصل الصورة إلى المكون Y (السطوع) والمكونين U وV (التلوين).

(2) حجم البيانات لكل إطار:

• التنسيق الأحادي (Mono): عادةً ما يكون 8 أو 10 أو 12 أو 16 بت لكل بكسل.

• التنسيق باير (Bayer): عمومًا ما يكون حجم البيانات الأولية فيه أصغر من RGB، وغالبًا ما يكون 8 أو 10 أو 12 بت لكل بكسل (قبل عملية debayering).

• صيغة RGB: تستهلك مساحة أكبر، وعادة ما تكون 24 بت لكل بكسل (8 بت لكل قناة × 3 قنوات)، وغالبًا ما تُشار إليها بـ RGB8.

• صيغة YUV: الحجم يختلف حسب نوع العينة (مثلاً، YUV422 يستخدم عادةً 16 بت لكل بكسل في المتوسط، وYUV420 يستخدم 12 بت لكل بكسل في المتوسط).

(3) اختلافات معدل الإطارات:

بسبب اختلاف أحجام البيانات، تختلف معدلات الإطارات القابلة للتحقيق بين صيغ البكسل. بشكل عام، يمكن لصيغة باير تحقيق معدلات إطارات أعلى لأن بيانات الإخراج الأولية الخاصة بها أصغر. وعادة ما تؤدي صيغة RGB إلى معدلات إطارات أقل بسبب حجم بياناتها الأكبر. وتتراوح معدلات إطارات صيغة YUV عموماً بين باير وRGB، حسب نوع التقطيع الفرعي.

(4) اختلافات جودة الصورة:  

بالنسبة للكاميرات الملونة، قد تكون الصور ذات التنسيق باير ذات دقة لونية فعالة أقل قليلاً وتحتوي على تشوهات لونية محتملة (مثل ظاهرة المoire) لأن الألوان يتم استيفاؤها رياضياً.

توفر صيغة RGB ألواناً أكثر دقة وثراءً مباشرة على مستوى البكسل، حيث لا حاجة لاستيفاء الألوان.

يمكن أن تكون تشبعات الألوان بصيغة YUV مشابهة لـ RGB، ولكن فصل السطوع عن مكونات اللون يجعلها أكثر كفاءة في العديد من مهام معالجة الصور والضغط.

6. كيفية تعيين تنسيق البكسل

قبل تعيين تنسيق البكسل، يجب إيقاف تدفق التقاط الصورة من الكاميرا. ثم، باستخدام برنامج التحكم في الكاميرا أو الوصول إلى شجرة خصائص الكاميرا (مثلاً عبر GenICam)، اختر تنسيق البكسل المطلوب ضمن إعداد Pixel Format. بعد تغيير التنسيق، يمكن إعادة بدء تدفق الالتقاط.