RGB, YUV, Bayer: Jaký je skutečný rozdíl mezi formáty pixelů?

Dnes si pohovoříme o důležitém parametru průmyslových kamer – formátu pixelu.

1co je to formát pixelu?

Formát pixelu označuje způsob ukládání a strukturu organizace dat jednotlivých pixelů při zachycení obrazu kamerou. Průmyslové kamery podporují více formátů pixelů, což umožňuje uživatelům vybrat vhodný formát podle svých potřeb. Mezi běžné formáty pixelů patří: Mono, Bayer, RGB, YUV atd.

2. Běžné formáty pixelů

(1) Formát Mono

Formát Mono, neboli černobílý režim, se běžně používá pro získávání odstínů šedi. V tomto formátu každý pixel obsahuje pouze informaci o jasu (světlosti) a žádné barevné informace. Například Mono 10 znamená, že každý pixel je uložen pomocí 10 bitů.

(2) Formát Bayer

Formát Bayer se používá pro získávání barevných obrazů a využívá barevný filtr (CFA). Každý pixel obsahuje informace o barvách červené, zelené a modré, ale obvykle může každý pixel zaznamenat hodnotu pouze jedné z těchto barev. Zbývající barevné hodnoty jsou získány interpolací hodnot sousedních pixelů.

Formát Bayer má několik různých uspořádacích vzorů, například:

• RG, GB (běžně označováno jako vzor RGGB, označující barevné kanály sudých řádků)

• BG, GR (běžně označováno jako vzor BGGR, další běžný pořadí skenování)

(3) Formát RGB

Formát RGB obsahuje tři kanály, které zaznamenávají jasové informace pro červenou, zelenou a modrou barvu. Každý pixel obsahuje informace o všech třech barvách. V formátu RGB je každý pixel reprezentován třemi hodnotami odpovídajícími R, G a B.

(4) Formát YUV

Formát YUV je formát pixelů běžně používaný při zpracování videa. Rozděluje obrazové informace na složku jasu (Y) a složky barevnosti (U, V). Y představuje jas (světlost/šedou stupnici), zatímco U a V představují barevnost (barevné informace). Formát YUV se často používá pro kompresi videa, protože lidské oko je citlivější na změny jasu než na změny barevnosti.

Běžné formáty YUV zahrnují:

• YUV 4:2:2

• YUV 4:4:4

• YUV 4:2:0

Tyto formáty označují různé metody subsamplingu chrominance. Obecně platí, že nižší číslo (např. u 4:2:0 oproti 4:4:4) znamená menší množství informací o barevnosti a tím i menší výslednou velikost souboru.

3. Formát pixelů a uspořádání

Při diskusi o pixlových formátech se někdy objeví pojem „zabalený“ ("Packed") formát. Zabalení se používá ke šetření úložného prostoru a šířky pásma. V nezabaleném formátu jsou datové pixely často uloženy v větším paměťovém prostoru zarovnaném na standardní hranice (například 16 bitů). Pro optimalizaci úložného prostoru lze data zabalit do menšího paměťového prostoru, který lépe odpovídá jejich skutečné bitové hloubce.

Například:

• Mono 10 může naznačovat nezabalený formát, kde 10bitová data zabírají 16bitový prostor, přičemž 6 bitů se plýtvá.

• Mono 10 Packed by ukládalo 10bitová data efektivněji, například zabalilo více 10bitových pixelů do posloupnosti bajtů (např. 4 pixely do 5 bajtů), čímž by ušetřilo úložný prostor a šířku přenosového pásma. Konkrétní metoda zabalení se může lišit.

4. Charakteristiky různých pixlových formátů  

(1) Monochromatické kamery: Formát Mono

Syrová data z monochromatických kamer jsou obvykle ve formátu Mono a obsahují pouze odstíny šedé. Protože neobsahují barevné informace, objem dat obrázku je relativně malý, což vede k vyšší efektivitě ukládání a přenosu.

(2) Barevné kamery: formát Bayer

Syrová data z barevných kamer obvykle používají formát Bayer. Tento formát zachycuje obrázky pomocí různých barevných filtrů (červený, zelený, modrý) na snímači obrazu. Objem dat formátu Bayer je menší než u plného RGB, ale protože barevné informace jsou vypočítány interpolací (debayering/demosaicing), může být kvalita obrazu v porovnání s pravým RGB poněkud horší co do barevné rozlišovací schopnosti a možných artefaktů.

(3) Formát RGB

Formát RGB je vhodný pro získávání barevných obrazů vysoké kvality. Každý pixel obsahuje data pro všechny tři RGB kanály, čímž vznikají bohatší barvy. Je vhodný pro scénáře vyžadující jemné barevné zpracování. Objem dat formátu RGB je však velký.

(4) Formát YUV

Formát YUV se používá pro zpracování videosignálu. Snižuje objem dat oddělením informace o jasu a barevnosti. Protože složka jasu (Y) je hlavní a lidské oko je na ni citlivější, mohou být barevnostní složky (U, V) podvzorkovány (sníženy v rozlišení), což umožňuje efektivní kompresi obrazových dat. Běžně se používá pro přenos a ukládání videa.

5. Rozdíly mezi formáty pixelů

(1) Hodnota na pixel:

• Formát Mono: Každý pixel obsahuje pouze odstín šedi.

• Bayer formát: Každý pixel zaznamenává hodnotu pouze jedné barvy (R, G nebo B); ostatní barevné hodnoty jsou interpolovány z okolních pixelů.

• RGB formát: Každý pixel obsahuje hodnoty R, G a B.

• YUV formát: Odděluje obraz na složku Y (jas) a složky U, V (barevnost).

(2) Velikost dat na snímek:

• Formát Mono: Obvykle 8, 10, 12 nebo 16 bitů na pixel.

• Bayer formát: Obecně má menší velikost surových dat než RGB, často 8, 10 nebo 12 bitů na pixel (před debayeringem).

• Formát RGB: Zabírá více místa, obvykle 24 bitů na pixel (8 bitů na kanál × 3 kanály), často označován jako RGB8.

• Formát YUV: Velikost se liší v závislosti na vzorkování (např. YUV422 obvykle používá průměrně 16 bitů na pixel, YUV420 používá průměrně 12 bitů na pixel).

(3) Rozdíly ve snímkové frekvenci:

Kvůli různým objemům dat se dosažitelné snímkové frekvence mezi jednotlivými formáty pixelů liší. Obecně může formát Bayer dosáhnout vyšších snímkových frekvencí, protože jeho surový výstup dat je menší. Formát RGB obvykle vede k nižším snímkovým frekvencím kvůli větší velikosti dat. Snímkové frekvence formátu YUV obvykle leží mezi Bayerem a RGB, v závislosti na podvzorkování.

(4) Rozdíly v kvalitě obrazu:  

U barevných kamer mohou mít obrázky ve formátu Bayer mírně nižší efektivní barevné rozlišení a potenciální barevné artefakty (např. moaré), protože barvy jsou interpolovány.

Formát RGB poskytuje přesnější a bohatší barvy přímo na úrovni pixelu, protože pro barvu není nutná žádná interpolace.

Barevná sytnost ve formátu YUV může být podobná RGB, ale oddělení jasu a chrominance činí tento formát efektivnějším pro mnoho úloh zpracování obrazu a komprese.

6. Jak nastavit formát pixelu

Před nastavením formátu pixelu je nutné zastavit stream získávání obrazu ze strany kamery. Poté pomocí softwaru pro ovládání kamery nebo přístupu k vlastnostem kamery (např. prostřednictvím GenICam) vyberte požadovaný formát pixelu v nastavení Formát pixelu. Po změně formátu lze stream opět spustit.