RGB, YUV, Bayer: Qual è la differenza reale tra i formati di pixel?

Oggi parliamo di un parametro importante delle telecamere industriali: il formato del pixel.

1. Cos'è un formato del pixel?

Il formato del pixel si riferisce al metodo di memorizzazione e alla struttura di organizzazione dei dati di ciascun pixel quando una telecamera acquisisce un'immagine. Le telecamere industriali supportano diversi formati di pixel, consentendo agli utenti di selezionare quello più adatto alle proprie esigenze. I formati di pixel più comuni includono: Mono, Bayer, RGB, YUV, ecc.

2. Formati di pixel comuni

(1) Formato Mono

Il formato Mono, o modalità in bianco e nero, viene generalmente utilizzato per l'acquisizione di immagini in scala di grigi. In questo formato, ogni pixel contiene soltanto informazioni di luminanza (intensità luminosa) e nessuna informazione sul colore. Ad esempio, Mono 10 indica che ogni pixel viene memorizzato utilizzando 10 bit.

(2) Formato Bayer

Il formato Bayer è utilizzato per l'acquisizione di immagini a colori e impiega un array di filtri cromatici (CFA). Ogni pixel contiene informazioni relative ai colori rosso, verde e blu, ma tipicamente ogni pixel può registrare il valore solo per uno di questi colori. I valori degli altri colori vengono ottenuti interpolando i valori dei pixel adiacenti.

Il formato Bayer presenta diverse configurazioni differenti, ad esempio:

• RG, GB (Comunemente indicato come schema RGGB, che indica i canali colore per le righe pari)

• BG, GR (Comunemente indicato come schema BGGR, un altro ordine di scansione comune)

(3) Formato RGB

Il formato RGB contiene tre canali, registrando rispettivamente le informazioni di luminanza per Rosso, Verde e Blu. Ogni pixel contiene informazioni per tutti e tre i colori. Nel formato RGB, ogni pixel è rappresentato da tre valori corrispondenti a R, G e B.

(4) Formato YUV

Il formato YUV è un formato pixel comunemente utilizzato nell'elaborazione video. Separa le informazioni dell'immagine in componenti di luminanza (Y) e crominanza (U, V). Y rappresenta la luminanza (luminosità/grigio), mentre U e V rappresentano la crominanza (informazioni sul colore). Il formato YUV è spesso utilizzato per la compressione video perché l'occhio umano è più sensibile ai cambiamenti di luminanza rispetto ai cambiamenti di crominanza.

I formati YUV comuni includono:

• YUV 4:2:2

• YUV 4:4:4

• YUV 4:2:0

Questi formati si riferiscono a diversi metodi di sottocampionamento della croma. In generale, un numero più piccolo (come in 4:2:0 rispetto a 4:4:4) indica una minore quantità di informazioni sulla crominanza e una dimensione del file risultante più ridotta.

3. Formato Pixel e Confezionamento

Quando si discute di formati pixel, a volte si sente parlare del formato "Packed" (impacchettato). L'impacchettamento viene utilizzato per risparmiare spazio di archiviazione e larghezza di banda. In un formato non impacchettato, i dati dei pixel sono spesso memorizzati in uno spazio maggiore, allineato a limiti standard (ad esempio 16 bit). Per ottimizzare lo spazio di archiviazione, i dati possono essere compattati in uno spazio minore, più vicino alla loro effettiva profondità in bit.

Ad esempio:

• Mono 10 potrebbe indicare un formato non impacchettato in cui i dati a 10 bit occupano uno spazio da 16 bit, sprecando così 6 bit.

• Mono 10 Packed memorizzerebbe i dati a 10 bit in modo più efficiente, ad esempio impacchettando più pixel da 10 bit in una sequenza di byte (come 4 pixel in 5 byte), risparmiando spazio di archiviazione e larghezza di banda di trasmissione. Il metodo specifico di impacchettamento può variare.

4. Caratteristiche dei diversi formati pixel  

(1) Telecamere monocromatiche: Formato Mono

I dati grezzi provenienti da telecamere monocromatiche sono tipicamente in formato Mono, contenenti solo informazioni in scala di grigi. Poiché non vi è informazione sul colore, il volume dei dati dell'immagine è relativamente ridotto, portando a una maggiore efficienza di archiviazione e trasmissione.

(2) Telecamere a colori: Formato Bayer

I dati grezzi provenienti da telecamere a colori utilizzano solitamente il formato Bayer. Questo formato acquisisce le immagini impiegando filtri di colore diversi (Rosso, Verde, Blu) sul sensore d'immagine. Il volume di dati del formato Bayer è inferiore rispetto al RGB completo, ma poiché l'informazione sul colore viene calcolata tramite interpolazione (debayering/demosaicing), la qualità dell'immagine può risultare leggermente inferiore al vero RGB in termini di risoluzione cromatica e possibili artefatti.

(3) Formato RGB

Il formato RGB è adatto all'acquisizione di immagini a colori di alta qualità. Ogni pixel contiene dati per tutti e tre i canali RGB, producendo colori più ricchi. È indicato per scenari che richiedono un'elaborazione cromatica accurata. Tuttavia, il volume di dati del formato RGB è elevato.

(4) Formato YUV

Il formato YUV è utilizzato per l'elaborazione dei segnali video. Riduce il volume dei dati separando le informazioni di luminanza e crominanza. Poiché il componente di luminanza (Y) è la parte principale e l'occhio umano è più sensibile ad esso, i componenti di crominanza (U, V) possono essere sottocampionati (ridotti in risoluzione), consentendo una compressione efficace dei dati dell'immagine. È comunemente usato per la trasmissione e la memorizzazione di video.

5. Differenze tra formati pixel

(1) Valore per pixel:

• Formato Mono: ogni pixel contiene solo un valore in scala di grigi.

• Formato Bayer: ogni pixel registra il valore di un solo colore (R, G o B); gli altri valori di colore vengono interpolati dai pixel vicini.

• Formato RGB: ogni pixel contiene i valori R, G e B.

• Formato YUV: separa l'immagine nei componenti Y (luminanza) e U, V (crominanza).

(2) Dimensione dei dati per frame:

• Formato Mono: tipicamente 8, 10, 12 o 16 bit per pixel.

• Formato Bayer: generalmente ha una dimensione di dati grezzi inferiore rispetto all'RGB, spesso 8, 10 o 12 bit per pixel (prima del debayering).

• Formato RGB: Occupa più spazio, comunemente 24 bit per pixel (8 bit per canale x 3 canali), spesso indicato come RGB8.

• Formato YUV: La dimensione varia a seconda del campionamento (ad esempio, YUV422 utilizza in media 16 bit per pixel, YUV420 utilizza in media 12 bit per pixel).

(3) Differenze di frame rate:

A causa dei diversi volumi di dati, i frame rate raggiungibili variano tra i formati di pixel. In generale, il formato Bayer può raggiungere frame rate più elevati perché il suo output di dati grezzi è più piccolo. Il formato RGB determina tipicamente frame rate più bassi a causa della maggiore dimensione dei dati. I frame rate del formato YUV si collocano generalmente tra quelli di Bayer e RGB, a seconda del sottocampionamento.

(4) Differenze nella qualità dell'immagine:  

Per le telecamere a colori, le immagini in formato Bayer possono avere una risoluzione cromatica effettiva leggermente inferiore e potenziali artefatti cromatici (come il moiré) poiché i colori sono interpolati.

Il formato RGB fornisce colori più accurati e ricchi direttamente a livello di pixel, poiché non è necessaria alcuna interpolazione per il colore.

La saturazione del colore nel formato YUV può essere simile a quella di RGB, ma la separazione tra luminanza e crominanza lo rende più efficiente per molte operazioni di elaborazione delle immagini e di compressione.

6. Come impostare il formato dei pixel

Prima di impostare il formato dei pixel, è necessario arrestare il flusso di acquisizione dell'immagine della telecamera. Successivamente, utilizzando il software di controllo della telecamera o accedendo all'albero delle proprietà della telecamera (ad esempio tramite GenICam), selezionare il formato dei pixel desiderato nell'impostazione Formato Pixel. Dopo aver modificato il formato, il flusso di acquisizione può essere riavviato.