RGB, YUV, Bayer: Mi a tényleges különbség a pixelformátumok között?

Beszéljünk ma egy fontos ipari kameraparaméterről – a pixelformátumról.

1mi az a pixelformátum?

A pixelformátum azt jelenti, hogy a kamera kép rögzítésekor hogyan tárolja és strukturálja az adatokat egyes képpontonként. Az ipari kamerák többféle pixelformátumot támogatnak, így a felhasználók igényeik szerint választhatnak megfelelő formátumot. Gyakori pixelformátumok például: Mono, Bayer, RGB, YUV stb.

2. Gyakori pixelformátumok

(1) Mono formátum

A Mono formátum, más néven szürkeárnyalatos mód, általában szürkeárnyalatos képek rögzítésére használatos. Ebben a formátumban minden képpont csak fényerősségi (világossági) információt tartalmaz, színinformáció nélkül. Például a Mono 10 azt jelenti, hogy minden képpontot 10 biten tárolnak.

(2) Bayer formátum

A Bayer formátumot színes kép rögzítésére használják, és Színszűrő Rácsot (CFA) alkalmaz. Minden pixel információt tartalmaz a piros, zöld és kék színekről, de általában minden pixel csak az egyik szín értékét rögzítheti. A hiányzó színértékeket a szomszédos pixelek értékeinek interpolációjával nyerik.

A Bayer formátumnak több különböző elrendezési mintája is létezik, például:

• RG, GB (Általánosan RGGB mintaként ismert, a páros sorszámú sorok színcsatornáit jelöli)

• BG, GR (Általánosan BGGR mintaként ismert, egy másik gyakori beolvasási sorrend)

(3) RGB Formátum

Az RGB formátum három csatornából áll, amelyek rendre a Piros, Zöld és Kék színek fényességinformációit rögzítik. Minden pixel tartalmaz információt mindhárom színről. Az RGB formátumban minden pixel három értékkel van reprezentálva, amelyek az R, G és B színeknek felelnek meg.

(4) YUV Formátum

Az YUV formátum egy képpontformátum, amelyet gyakran használnak videófeldolgozásra. Ez az információt különválasztja a fényerő (Y) és a színszín (U, V) összetevőkre. Az Y jelenti a fényerőt (világosság/fokozatos árnyalat), míg az U és V jelenti a színszínt (színinformáció). Az YUV formátumot gyakran használják videó tömörítésre, mivel az emberi szem érzékenyebb a fényerő változásaira, mint a színszín változásaira.

Gyakori YUV formátumok:

• YUV 4:2:2

• YUV 4:4:4

• YUV 4:2:0

Ezek a formátumok különböző kroma almintavételezési módszereket jelölnek. Általánosságban elmondható, hogy minél kisebb a szám (például 4:2:0 esetén a 4:4:4-hez képest), annál kevesebb színszín-információ van, és ennek eredményeképpen kisebb a fájlméret.

3. Képpontformátum és csomagolás

A pixelformátumok megvitatásakor néha felmerül a „csomagolt” formátum fogalma. A csomagolás a tárhely és sávszélesség megtakarítására szolgál. Egy nem csomagolt formátumban a pixeldatákat gyakran nagyobb, szabványos határokhoz igazított memóriaterületen (például 16 biten) tárolják. A tárolás optimalizálása érdekében az adatokat sűrűbben lehet csomagolni, olyan kisebb memóriaterületre, amely pontosabban illeszkedik a tényleges bitszámhoz.

Például:

• A Mono 10 azt jelentheti, hogy a 10 bites adat egy 16 bites területet foglal el, így 6 bit elveszik.

• A Mono 10 Packed hatékonyabban tárolja a 10 bites adatot, például több 10 bites pixelt becsomagolhat egymást követő bájtokba (például 4 pixelt 5 bájtba), így takarít meg tárhelyet és átviteli sávszélességet. A konkrét csomagolási módszer változhat.

4. Különböző pixelformátumok jellemzői  

(1) Monokróm kamerák: Mono formátum

A monokróm kamerák nyers adatai általában Mono formátumban érkeznek, amely csak szürkeárnyalatos információt tartalmaz. Mivel nincs színes információ, az adatmennyiség viszonylag kicsi, így nagyobb hatékonyságot biztosít a tárolás és átvitel szempontjából.

(2) Színes kamerák: Bayer formátum

A színes kamerák nyers adatai általában a Bayer formátumot használják. Ez a formátum képet rögzít különböző színű szűrők (vörös, zöld, kék) alkalmazásával a képérzékelőn. A Bayer formátum adatainak mennyisége kisebb, mint a teljes RGB-é, de mivel a színinformáció interpoláció útján kerül kiszámításra (debayering/demosaicing), a képminőség színfelbontás és lehetséges torzítások szempontjából kissé elmaradhat a valódi RGB-től.

(3) RGB Formátum

Az RGB formátum alkalmas nagy minőségű színes képrögzítésre. Minden pixel tartalmazza mindhárom RGB csatorna adatait, így gazdagabb színeket eredményez. Olyan alkalmazásokhoz ideális, ahol részletes színfeldolgozás szükséges. Azonban az RGB formátum adatainak mennyisége nagy.

(4) YUV Formátum

Az YUV formátumot videójelek feldolgozására használják. Csökkenti az adatmennyiséget a fényerő és színezet információk elkülönítésével. Mivel a fényerő-komponens (Y) a fő rész, és a szemünk érzékenyebb rá, a színezet-komponensek (U, V) alulmintavételezhetők (csökkenthető a felbontásuk), ami hatékony képadat-tömörítést tesz lehetővé. Gyakran használják videóátvitelre és tárolásra.

5. Különbségek a pixelformátumok között

(1) Érték pixelenként:

• Monokróm formátum: Minden pixel csak egy szürkeárnyalatos értéket tartalmaz.

• Bayer formátum: Minden pixel csak egy szín (V, Z vagy K) értékét rögzíti; a többi színérték a szomszédos pixelekből interpolálódik.

• RGB formátum: Minden pixel rendelkezik V, Z és K értékekkel.

• YUV formátum: A képet Y (fényerő) és U, V (színezet) komponensekre bontja.

(2) Adatméret képkockánként:

• Monokróm formátum: Általában 8, 10, 12 vagy 16 bit pixelenként.

• Bayer formátum: Általában kisebb nyers adatméret, mint az RGB, gyakran 8, 10 vagy 12 bit pixelenként (a debayerelés előtt).

• RGB formátum: Több helyet foglal, általában 24 bit/pixel (8 bit/csatorna x 3 csatorna), gyakran RGB8-ként jelölik.

• YUV formátum: A méret a mintavételezéstől függ (pl. az YUV422 átlagosan gyakran 16 bit/pixelt használ, az YUV420 átlagosan 12 bit/pixelt).

(3) Képkockasebesség-különbségek:

A különböző adatmennyiségek miatt a képkockasebesség elérhetősége eltér a pixelformátumok között. Általában a Bayer formátum magasabb képkockasebességet érhet el, mivel nyers adatkimenete kisebb. Az RGB formátum általában alacsonyabb képkockasebességet eredményez a nagyobb adatméret miatt. Az YUV formátum képkockasebessége általában a Bayer és az RGB között van, a részmintavételezéstől függően.

(4) Képminőségi különbségek:  

Színes kamerák esetén a Bayer formátumú képek hatékony színfelbontása enyhén alacsonyabb lehet, és színes artefaktumok (például moiré) is előfordulhatnak, mivel a színeket interpolálni kell.

Az RGB formátum a pixeles szinten közvetlenül pontosabb és gazdagabb színeket biztosít, mivel a színhez nincs szükség interpolációra.

A YUV formátum színtelítettsége hasonló lehet az RGB-hez, de a fényerő és a színezet elkülönítése miatt hatékonyabb sok képfeldolgozási és tömörítési feladat esetén.

6. Hogyan állítsa be a pixelformátumot

A pixelformátum beállítása előtt le kell állítani a kamera képszerzési adatfolyamát. Ezután a kamera vezérlőszoftverének használatával vagy a kamera tulajdonságfájának elérésével (például GenICam segítségével) ki kell választani a kívánt pixelformátumot a Pixelformátum beállítás alatt. A formátum módosítása után az adatfolyam újraindítható.