RGB, YUV, Bayer: Ποια είναι η πραγματική διαφορά μεταξύ των μορφών pixel;

Σήμερa, ας μιλήσουμε για μια σημαντική παράμετρο των βιομηχανικών καμερών – Μορφή Pixel.

1. Τι είναι Μορφή Pixel;

Η Μορφή Pixel αναφέρεται στη μέθοδο αποθήκευσης και τη δομή οργάνωσης δεδομένων κάθε pixel όταν μια κάμερα λαμβάνει μια εικόνα. Οι βιομηχανικές κάμερες υποστηρίζουν πολλαπλές μορφές pixel, επιτρέποντας στους χρήστες να επιλέξουν την κατάλληλη μορφή ανάλογα με τις ανάγκες τους. Κοινές μορφές pixel περιλαμβάνουν: Mono, Bayer, RGB, YUV, κ.α.

2. Συνηθισμένες Μορφές Pixel

(1) Μορφή Mono

Η μορφή Mono, ή λευκόμαυρη λειτουργία, χρησιμοποιείται συνήθως για τη λήψη ασπρόμαυρων εικόνων. Σε αυτή τη μορφή, κάθε pixel περιέχει μόνο πληροφορίες φωτεινότητας (λαμπρότητας) και καμία πληροφορία χρώματος. Για παράδειγμα, το Mono 10 σημαίνει ότι κάθε pixel αποθηκεύεται χρησιμοποιώντας 10 bits.

(2) Μορφή Bayer

Η μορφή Bayer χρησιμοποιείται για τη λήψη έγχρωμων εικόνων και χρησιμοποιεί έναν Πίνακα Φίλτρων Χρώματος (CFA). Κάθε pixel περιέχει πληροφορίες για τα χρώματα κόκκινο, πράσινο και μπλε, αλλά συνήθως κάθε pixel μπορεί να καταγράψει την τιμή μόνο ενός από αυτά τα χρώματα. Οι υπόλοιπες τιμές χρώματος προκύπτουν με παρεμβολή των τιμών από τα γειτονικά pixel.

Η μορφή Bayer διαθέτει αρκετά διαφορετικά πρότυπα διάταξης, για παράδειγμα:

• RG, GB (Συνήθως αναφέρεται ως πρότυπο RGGB, υποδεικνύοντας τα κανάλια χρώματος για τις γραμμές με ζυγούς αριθμούς)

• BG, GR (Συνήθως αναφέρεται ως πρότυπο BGGR, μια άλλη συνηθισμένη σειρά σάρωσης)

(3) Μορφή RGB

Το RGB format περιέχει τρία κανάλια, καταγράφοντας τις πληροφορίες φωτεινότητας για Κόκκινο, Πράσινο και Μπλε αντίστοιχα. Κάθε pixel περιέχει πληροφορίες για όλα τα τρία χρώματα. Στο RGB format, κάθε pixel αναπαριστάνεται από τρεις τιμές που αντιστοιχούν σε R, G και B.

(4) Μορφή YUV

Η μορφή YUV είναι ένα format pixel που χρησιμοποιείται συχνά στην επεξεργασία βίντεο. Διαχωρίζει τις πληροφορίες εικόνας σε συστατικά Φωτεινότητας (Y) και Χρωματικής Συνιστώσας (U, V). Το Y αντιπροσωπεύει τη φωτεινότητα (λευκό-μαύρο), ενώ τα U και V αντιπροσωπεύουν τη χρωματική πληροφορία. Η μορφή YUV χρησιμοποιείται συχνά για συμπίεση βίντεο, επειδή το ανθρώπινο μάτι είναι πιο ευαίσθητο στις αλλαγές φωτεινότητας απ' ό,τι στις αλλαγές χρώματος.

Κοινά format YUV περιλαμβάνουν:

• YUV 4:2:2

• YUV 4:4:4

• YUV 4:2:0

Αυτά τα format αναφέρονται σε διαφορετικές μεθόδους υποδειγματοληψίας χρώματος. Γενικά, ένας μικρότερος αριθμός (όπως στο 4:2:0 σε σύγκριση με το 4:4:4) σημαίνει λιγότερες πληροφορίες χρώματος και μικρότερο μέγεθος αρχείου.

3. Μορφή Pixel και Διάταξη

Όταν συζητάμε για μορφές pixel, μερικές φορές ανακύπτει η έννοια της «συμπαγούς» μορφής. Η συμπαγής διαμόρφωση χρησιμοποιείται για εξοικονόμηση χώρου αποθήκευσης και εύρους ζώνης. Σε μια μη συμπαγή μορφή, τα δεδομένα pixel συχνά αποθηκεύονται σε μεγαλύτερο χώρο μνήμης που ευθυγραμμίζεται με τυποποιημένα όρια (όπως 16 bit). Για βελτιστοποίηση της αποθήκευσης, τα δεδομένα μπορούν να συμπαχθούν σε μικρότερο χώρο μνήμης, ο οποίος αντιστοιχεί πιο στενά στο πραγματικό βάθος bit.

Για παράδειγμα:

• Το Mono 10 μπορεί να υπονοεί μια μη συμπαγή μορφή, όπου τα 10-bit δεδομένα καταλαμβάνουν χώρο 16 bit, χάνοντας έτσι 6 bit.

• Το Mono 10 Packed θα αποθηκεύει τα 10-bit δεδομένα πιο αποδοτικά, για παράδειγμα, συμπακάροντας πολλαπλά 10-bit pixel σε μια ακολουθία byte (όπως 4 pixel σε 5 byte), εξοικονομώντας χώρο αποθήκευσης και εύρος ζώνης μετάδοσης. Η συγκεκριμένη μέθοδος συμπακεταρίσματος μπορεί να ποικίλλει.

4. Χαρακτηριστικά Διαφορετικών Μορφών Pixel  

(1) Μονόχρωμες Κάμερες: Μορφή Mono

Τα ακατέργαστα δεδομένα από μονόχρωμες κάμερες είναι συνήθως σε μορφή Mono, περιέχοντας μόνο πληροφορίες ασπρόμαυρης κλίμακας. Εφόσον δεν υπάρχουν πληροφορίες χρώματος, ο όγκος των δεδομένων εικόνας είναι σχετικά μικρός, με αποτέλεσμα υψηλότερη αποδοτικότητα αποθήκευσης και μετάδοσης.

(2) Έγχρωμες κάμερες: Μορφή Bayer

Τα ακατέργαστα δεδομένα από έγχρωμες κάμερες χρησιμοποιούν συνήθως τη μορφή Bayer. Αυτή η μορφή καταγράφει εικόνες χρησιμοποιώντας διαφορετικά φίλτρα χρώματος (Κόκκινο, Πράσινο, Μπλε) στον αισθητήρα εικόνας. Ο όγκος δεδομένων για τη μορφή Bayer είναι μικρότερος από το πλήρες RGB, αλλά επειδή οι πληροφορίες χρώματος υπολογίζονται μέσω παρεμβολής (debayering/demosaicing), η ποιότητα της εικόνας μπορεί να είναι ελαφρώς κατώτερη σε σύγκριση με το πραγματικό RGB ως προς τη χρωματική ανάλυση και τυχόν τεχνουργήματα.

(3) Μορφή RGB

Η μορφή RGB είναι κατάλληλη για λήψη εικόνων υψηλής ποιότητας. Κάθε pixel περιέχει δεδομένα για και τα τρία κανάλια RGB, με αποτέλεσμα πλουσιότερα χρώματα. Είναι κατάλληλη για σενάρια που απαιτούν λεπτομερή επεξεργασία χρώματος. Ωστόσο, ο όγκος δεδομένων για τη μορφή RGB είναι μεγάλος.

(4) Μορφή YUV

Η μορφή YUV χρησιμοποιείται για την επεξεργασία βιντεοσήματος. Μειώνει τον όγκο των δεδομένων χωρίζοντας τις πληροφορίες φωτεινότητας και χρωματικότητας. Επειδή η συνιστώσα φωτεινότητας (Y) αποτελεί το κύριο μέρος και το ανθρώπινο μάτι είναι πιο ευαίσθητο σε αυτή, οι χρωματικές συνιστώσες (U, V) μπορούν να υποδειγματοληφθούν (να μειωθεί η ανάλυσή τους), επιτρέποντας αποτελεσματική συμπίεση των δεδομένων εικόνας. Χρησιμοποιείται συχνά για τη μετάδοση και αποθήκευση βίντεο.

5. Διαφορές Μεταξύ Μορφών Εικονοστοιχείων

(1) Τιμή ανά Εικονοστοιχείο:

• Μονόχρωμη μορφή: Κάθε εικονοστοιχείο περιέχει μόνο μια τιμή γκρίζου.

• Μορφή Bayer: Κάθε εικονοστοιχείο καταγράφει την τιμή για μόνο ένα χρώμα (R, G ή B). Οι άλλες χρωματικές τιμές παρεμβάλλονται από τα γειτονικά εικονοστοιχεία.

• Μορφή RGB: Κάθε εικονοστοιχείο περιέχει τιμές R, G και B.

• Μορφή YUV: Διαχωρίζει την εικόνα σε συνιστώσες Y (φωτεινότητα) και U, V (χρωματικότητα).

(2) Μέγεθος Δεδομένων ανά Καρέ:

• Μονόχρωμη μορφή: Συνήθως 8, 10, 12 ή 16 bit ανά εικονοστοιχείο.

• Μορφή Bayer: Γενικά έχει μικρότερο μέγεθος αρχικών δεδομένων από την RGB, συχνά 8, 10 ή 12 bit ανά εικονοστοιχείο (πριν την απο-Bayer).

• Μορφή RGB: Καταλαμβάνει περισσότερο χώρο, συνήθως 24 bits ανά pixel (8 bits ανά κανάλι x 3 κανάλια), συχνά συμβολίζεται ως RGB8.

• Μορφή YUV: Το μέγεθος ποικίλλει ανάλογα με τη δειγματοληψία (π.χ. το YUV422 χρησιμοποιεί συνήθως κατά μέσο όρο 16 bits ανά pixel, το YUV420 χρησιμοποιεί κατά μέσο όρο 12 bits ανά pixel).

(3) Διαφορές Ρυθμού Καρέ:

Λόγω των διαφορετικών όγκων δεδομένων, οι επιτυχητές ρυθμοί καρέ διαφέρουν ανάλογα με τη μορφή pixel. Γενικά, η μορφή Bayer μπορεί να επιτύχει υψηλότερους ρυθμούς καρέ λόγω της μικρότερης εξόδου ακατέργαστων δεδομένων. Η μορφή RGB οδηγεί συνήθως σε χαμηλότερους ρυθμούς καρέ λόγω του μεγαλύτερου μεγέθους δεδομένων. Οι ρυθμοί καρέ της μορφής YUV βρίσκονται γενικά μεταξύ των Bayer και RGB, ανάλογα με την υποδειγματοληψία.

(4) Διαφορές Ποιότητας Εικόνας:  

Για χρωματικές κάμερες, οι εικόνες μορφής Bayer μπορεί να έχουν ελαφρώς χαμηλότερη ενεργή χρωματική ανάλυση και πιθανά χρωματικά σφάλματα (όπως moiré), επειδή τα χρώματα παρεμβάλλονται.

Η μορφή RGB παρέχει πιο ακριβή και πλούσια χρώματα απευθείας στο επίπεδο του pixel, καθώς δεν απαιτείται παρεμβολή για τα χρώματα.

Η χρωματική κορεσμότητα του χρώματος σε μορφή YUV μπορεί να είναι παρόμοια με αυτή του RGB, αλλά η διαχωρισμός της φωτεινότητας και της χρωματικότητας το καθιστά πιο αποδοτικό για πολλές εργασίες επεξεργασίας εικόνας και συμπίεσης.

6. Πώς να Ορίσετε τη Μορφή Εικονοστοιχείου

Πριν ρυθμίσετε τη μορφή εικονοστοιχείου, είναι απαραίτητο να σταματήσετε τη ροή λήψης εικόνας της κάμερας. Στη συνέχεια, χρησιμοποιώντας το λογισμικό ελέγχου της κάμερας ή προσβαίνοντας στο δέντρο ιδιοτήτων της κάμερας (π.χ. μέσω GenICam), επιλέξτε την επιθυμητή μορφή εικονοστοιχείου στη ρύθμιση Pixel Format. Αφού αλλάξετε τη μορφή, η ροή λήψης μπορεί να ξαναξεκινήσει.