RGB, YUV, Bayer : quelle est la différence réelle entre les formats de pixels ?

Aujourd'hui, parlons d'un paramètre important des caméras industrielles – le format des pixels.

1. Qu'est-ce qu'un format de pixel ?

Le format de pixel fait référence à la méthode de stockage et à la structure d'organisation des données de chaque pixel lorsque la caméra capture une image. Les caméras industrielles prennent en charge plusieurs formats de pixel, permettant aux utilisateurs de choisir le format approprié selon leurs besoins. Les formats de pixel courants incluent : Mono, Bayer, RGB, YUV, etc.

2. Formats de pixel courants

(1) Format Mono

Le format Mono, ou mode monochrome, est généralement utilisé pour l'acquisition d'images en niveaux de gris. Dans ce format, chaque pixel contient uniquement des informations de luminance (luminosité) et aucune information de couleur. Par exemple, Mono 10 signifie que chaque pixel est stocké sur 10 bits.

(2) Format Bayer

Le format Bayer est utilisé pour l'acquisition d'images en couleur et met en œuvre un réseau de filtres colorés (CFA). Chaque pixel contient des informations pour les couleurs rouge, verte et bleue, mais généralement, chaque pixel ne peut enregistrer la valeur que pour une seule de ces couleurs. Les valeurs manquantes des autres couleurs sont obtenues par interpolation à partir des valeurs des pixels voisins.

Le format Bayer présente plusieurs motifs d'agencement différents, par exemple :

• RG, GB (couramment appelé motif RGGB, indiquant les canaux de couleur pour les lignes paires)

• BG, GR (couramment appelé motif BGGR, un autre ordre de balayage fréquent)

(3) Format RGB

Le format RGB contient trois canaux, enregistrant respectivement les informations de luminance pour le rouge, le vert et le bleu. Chaque pixel contient des informations pour les trois couleurs. Dans le format RGB, chaque pixel est représenté par trois valeurs correspondant à R, V et B.

(4) Format YUV

Le format YUV est un format de pixel couramment utilisé dans le traitement vidéo. Il sépare l'information d'image en composantes de luminance (Y) et de chrominance (U, V). Y représente la luminance (luminosité/niveaux de gris), tandis que U et V représentent la chrominance (informations de couleur). Le format YUV est souvent utilisé pour la compression vidéo car l'œil humain est plus sensible aux variations de luminance qu'aux variations de chrominance.

Les formats YUV courants incluent :

• YUV 4:2:2

• YUV 4:4:4

• YUV 4:2:0

Ces formats font référence à différentes méthodes de sous-échantillonnage de la chrominance. Généralement, un nombre plus petit (comme dans 4:2:0 par rapport à 4:4:4) signifie moins d'informations de chrominance et une taille de fichier résultante plus petite.

3. Format de pixel et empaquetage

Lorsqu'on discute des formats de pixels, le concept de format « empaqueté » apparaît parfois. L'empaquetage est utilisé pour économiser l'espace de stockage et la bande passante. Dans un format non empaqueté, les données de pixel sont souvent stockées dans un espace mémoire plus grand, aligné sur des limites standard (comme 16 bits). Pour optimiser le stockage, les données peuvent être empaquetées dans un espace mémoire plus petit, correspondant plus précisément à leur profondeur de bits réelle.

Par exemple :

• Mono 10 pourrait impliquer un format non empaqueté où les données 10 bits occupent un espace de 16 bits, gaspillant ainsi 6 bits.

• Mono 10 Packed stockerait les données 10 bits de manière plus efficace, par exemple en regroupant plusieurs pixels 10 bits dans une séquence d'octets (comme 4 pixels dans 5 octets), ce qui permet d'économiser de l'espace de stockage et de la bande passante de transmission. La méthode d'empaquetage spécifique peut varier.

4. Caractéristiques des différents formats de pixels  

(1) Caméras monochromes : Format Mono

Les données brutes provenant des caméras monochromes sont généralement au format Mono, contenant uniquement des informations en niveaux de gris. Comme il n'y a pas d'informations couleur, le volume des données d'image est relativement faible, ce qui entraîne une efficacité plus élevée en matière de stockage et de transmission.

(2) Caméras couleur : format Bayer

Les données brutes provenant des caméras couleur utilisent généralement le format Bayer. Ce format capture les images en utilisant différents filtres colorés (Rouge, Vert, Bleu) sur le capteur d'image. Le volume de données du format Bayer est inférieur à celui du RGB complet, mais comme les informations de couleur sont calculées par interpolation (débayerisation/démosaicage), la qualité d'image peut être légèrement inférieure au RGB véritable en termes de résolution des couleurs et d'artefacts potentiels.

(3) Format RGB

Le format RGB convient à l'acquisition d'images couleur de haute qualité. Chaque pixel contient des données pour les trois canaux RGB, ce qui donne des couleurs plus riches. Il est adapté aux scénarios nécessitant un traitement fin des couleurs. Toutefois, le volume de données du format RGB est important.

(4) Format YUV

Le format YUV est utilisé pour le traitement des signaux vidéo. Il réduit le volume de données en séparant les informations de luminance et de chrominance. Puisque la composante de luminance (Y) est la plus importante et que l'œil humain y est plus sensible, les composantes de chrominance (U, V) peuvent être sous-échantillonnées (réduites en résolution), permettant ainsi une compression efficace des données d'image. Il est couramment utilisé pour la transmission et le stockage vidéo.

5. Différences entre les formats de pixels

(1) Valeur par pixel :

• Format Mono : chaque pixel contient uniquement une valeur de niveaux de gris.

• Format Bayer : chaque pixel enregistre la valeur d'une seule couleur (R, V ou B) ; les autres valeurs de couleur sont interpolées à partir des pixels voisins.

• Format RGB : chaque pixel contient les valeurs R, V et B.

• Format YUV : sépare l'image en composantes Y (luminance) et U, V (chrominance).

(2) Taille des données par image :

• Format Mono : généralement 8, 10, 12 ou 16 bits par pixel.

• Format Bayer : possède généralement une taille de données brutes plus petite que RGB, souvent 8, 10 ou 12 bits par pixel (avant débayerisation).

• Format RGB : Occupe plus d'espace, couramment 24 bits par pixel (8 bits par canal x 3 canaux), souvent noté RGB8.

• Format YUV : La taille varie selon l'échantillonnage (par exemple, YUV422 utilise souvent en moyenne 16 bits par pixel, YUV420 utilise 12 bits par pixel en moyenne).

(3) Différences de fréquence d'images :

En raison des volumes de données différents, les fréquences d'images réalisables varient selon les formats de pixels. Généralement, le format Bayer permet d'atteindre des fréquences d'images plus élevées car sa sortie de données brutes est plus petite. Le format RGB entraîne typiquement des fréquences d'images plus faibles en raison de sa taille de données plus importante. Les fréquences d'images en format YUV se situent généralement entre celles du Bayer et du RGB, selon le sous-échantillonnage.

(4) Différences de qualité d'image :  

Pour les caméras couleur, les images au format Bayer peuvent présenter une résolution colorimétrique effective légèrement inférieure et des artefacts de couleur potentiels (comme le moiré) car les couleurs sont interpolées.

Le format RGB offre des couleurs plus précises et plus riches directement au niveau du pixel, aucune interpolation n'étant nécessaire pour la couleur.

La saturation des couleurs en format YUV peut être similaire à celle du RGB, mais la séparation de la luminance et de la chrominance le rend plus efficace pour de nombreuses tâches de traitement d'images et de compression.

6. Comment définir le format de pixel

Avant de définir le format de pixel, il est nécessaire d'arrêter le flux d'acquisition d'images de la caméra. Ensuite, à l'aide du logiciel de contrôle de la caméra ou en accédant à l'arborescence des propriétés de la caméra (par exemple via GenICam), sélectionnez le format de pixel souhaité dans le paramètre Format de pixel. Après avoir modifié le format, le flux d'acquisition peut être redémarré.