RGB, YUV, Bayer: ¿Cuál es la diferencia real entre los formatos de píxeles?

Hoy, hablemos de un parámetro importante de las cámaras industriales: el formato de píxel.

1. ¿Qué es un formato de píxel?

El formato de píxel se refiere al método de almacenamiento y a la estructura de organización de datos de cada píxel cuando una cámara captura una imagen. Las cámaras industriales admiten múltiples formatos de píxeles, lo que permite a los usuarios seleccionar el formato adecuado según sus necesidades. Los formatos de píxeles más comunes incluyen: Mono, Bayer, RGB, YUV, etc.

2. Formatos de píxeles comunes

(1) Formato Mono

El formato Mono, o modo monocromo, se utiliza normalmente para la adquisición de imágenes en escala de grises. En este formato, cada píxel contiene únicamente información de luminancia (brillo), sin información de color. Por ejemplo, Mono 10 significa que cada píxel se almacena utilizando 10 bits.

(2) Formato Bayer

El formato Bayer se utiliza para la adquisición de imágenes en color y emplea una matriz de filtros de color (CFA). Cada píxel contiene información para los colores rojo, verde y azul, pero normalmente cada píxel solo puede registrar el valor de uno de estos colores. Los valores de los otros colores se obtienen interpolando los valores de los píxeles vecinos.

El formato Bayer tiene varios patrones de disposición diferentes, por ejemplo:

• RG, GB (Comúnmente conocido como patrón RGGB, que indica los canales de color para las filas con número par)

• BG, GR (Comúnmente conocido como patrón BGGR, otro orden de escaneo común)

(3) Formato RGB

El formato RGB contiene tres canales, registrando la información de luminancia para Rojo, Verde y Azul respectivamente. Cada píxel contiene información para los tres colores. En el formato RGB, cada píxel está representado por tres valores correspondientes a R, G y B.

(4) Formato YUV

El formato YUV es un formato de píxeles comúnmente utilizado en el procesamiento de video. Separa la información de imagen en componentes de luminancia (Y) y crominancia (U, V). Y representa la luminancia (brillo/escala de grises), mientras que U y V representan la crominancia (información de color). El formato YUV se utiliza a menudo para la compresión de video porque el ojo humano es más sensible a los cambios de luminancia que a los cambios de crominancia.

Los formatos YUV comunes incluyen:

• YUV 4:2:2

• YUV 4:4:4

• YUV 4:2:0

Estos formatos hacen referencia a diferentes métodos de submuestreo de croma. En general, un número menor (como en 4:2:0 frente a 4:4:4) significa menos información de crominancia y un tamaño de archivo resultante más pequeño.

3. Formato de píxel y empaquetado

Al hablar de formatos de píxeles, a veces surge el concepto de formato "empaquetado". El empaquetado se utiliza para ahorrar espacio de almacenamiento y ancho de banda. En un formato no empaquetado, los datos de píxeles suelen almacenarse en un espacio de memoria mayor alineado con límites estándar (como 16 bits). Para optimizar el almacenamiento, los datos pueden empaquetarse en un espacio de memoria más pequeño que se ajuste mejor a su profundidad de bits real.

Por ejemplo:

• Mono 10 podría implicar un formato no empaquetado donde los datos de 10 bits ocupan un espacio de 16 bits, desperdiciando 6 bits.

• Mono 10 Packed almacenaría los datos de 10 bits de forma más eficiente, por ejemplo, empaquetando varios píxeles de 10 bits en una secuencia de bytes (como 4 píxeles en 5 bytes), ahorrando espacio de almacenamiento y ancho de banda de transmisión. El método específico de empaquetado puede variar.

4. Características de diferentes formatos de píxeles  

(1) Cámaras monocromáticas: Formato Mono

Los datos brutos de las cámaras monocromáticas suelen estar en formato Mono, conteniendo únicamente información en escala de grises. Dado que no hay información de color, el volumen de datos de la imagen es relativamente pequeño, lo que conlleva una mayor eficiencia en almacenamiento y transmisión.

(2) Cámaras de color: Formato Bayer

Los datos brutos de las cámaras de color generalmente utilizan el formato Bayer. Este formato captura imágenes mediante el uso de filtros de color diferentes (rojo, verde, azul) en el sensor de imagen. El volumen de datos del formato Bayer es menor que el RGB completo, pero como la información de color se calcula mediante interpolación (debayering/demosaicing), la calidad de imagen puede ser ligeramente inferior a la del RGB verdadero en cuanto a resolución de color y posibles artefactos.

(3) Formato RGB

El formato RGB es adecuado para la adquisición de imágenes en color de alta calidad. Cada píxel contiene datos para los tres canales RGB, lo que resulta en colores más ricos. Es adecuado para escenarios que requieren un procesamiento de color detallado. Sin embargo, el volumen de datos del formato RGB es grande.

(4) Formato YUV

El formato YUV se utiliza para el procesamiento de señales de video. Reduce el volumen de datos al separar la información de luminancia y crominancia. Dado que el componente de luminancia (Y) es la parte principal y el ojo humano es más sensible a él, los componentes de crominancia (U, V) pueden submuestrearse (reducirse en resolución), lo que permite una compresión eficaz de los datos de imagen. Es comúnmente utilizado para la transmisión y almacenamiento de video.

5. Diferencias entre formatos de píxeles

(1) Valor por píxel:

• Formato Mono: Cada píxel contiene únicamente un valor de escala de grises.

• Formato Bayer: Cada píxel registra el valor de solo un color (R, G o B); los demás valores de color se interpolan a partir de los píxeles vecinos.

• Formato RGB: Cada píxel contiene los valores R, G y B.

• Formato YUV: Separa la imagen en componentes Y (luminancia) y U, V (crominancia).

(2) Tamaño de datos por cuadro:

• Formato Mono: Normalmente 8, 10, 12 o 16 bits por píxel.

• Formato Bayer: Generalmente tiene un tamaño de datos en bruto menor que el RGB, a menudo 8, 10 u 12 bits por píxel (antes del debayering).

• Formato RGB: Ocupa más espacio, comúnmente 24 bits por píxel (8 bits por canal x 3 canales), a menudo denotado como RGB8.

• Formato YUV: El tamaño varía según el muestreo (por ejemplo, YUV422 suele usar 16 bits por píxel en promedio, YUV420 usa 12 bits por píxel en promedio).

(3) Diferencias de velocidad de fotogramas:

Debido a los diferentes volúmenes de datos, las velocidades de fotogramas alcanzables varían entre los formatos de píxeles. En general, el formato Bayer puede alcanzar velocidades de fotogramas más altas porque su salida de datos en bruto es menor. El formato RGB normalmente da lugar a velocidades de fotogramas más bajas debido a su mayor tamaño de datos. Las velocidades de fotogramas del formato YUV generalmente se sitúan entre las del Bayer y el RGB, dependiendo del submuestreo.

(4) Diferencias en la calidad de imagen:  

Para cámaras de color, las imágenes en formato Bayer pueden tener una resolución de color efectiva ligeramente inferior y posibles artefactos de color (como el patrón de moiré) porque los colores se interpolan.

El formato RGB proporciona colores más precisos y ricos directamente a nivel de píxel, ya que no se requiere interpolación para el color.

La saturación de color en formato YUV puede ser similar a la RGB, pero la separación de luminancia y crominancia la hace más eficiente para muchas tareas de procesamiento de imágenes y compresión.

6. Cómo establecer el formato de píxel

Antes de configurar el formato de píxel, es necesario detener el flujo de adquisición de imágenes de la cámara. Luego, utilizando el software de control de la cámara o accediendo al árbol de propiedades de la cámara (por ejemplo, mediante GenICam), seleccione el formato de píxel deseado en la configuración de Formato de píxel. Después de cambiar el formato, se puede reiniciar el flujo de adquisición.