RGB、YUV、Bayer：ピクセルフォーマットの実際の違いは何ですか？

本日は、産業用カメラの重要なパラメータである「ピクセルフォーマット」についてお話しましょう。

1。ピクセルフォーマットとは何ですか？

ピクセルフォーマットとは、カメラが画像を取得する際に各ピクセルのデータをどのように保存し、構成するかという方法を指します。産業用カメラは複数のピクセルフォーマットをサポートしており、ユーザーはニーズに応じて適切なフォーマットを選択できます。一般的なピクセルフォーマットには、Mono、Bayer、RGB、YUVなどがあります。

2. 一般的なピクセルフォーマット

（1）Monoフォーマット

モノフォーマット、またはモノクロモードは、通常グレースケール画像の取得に使用されます。このフォーマットでは、各ピクセルが輝度（明るさ）情報のみを含み、色の情報は含まれません。例えば、Mono 10とは、各ピクセルが10ビットで保存されることを意味します。

(2) ベイヤーフォーマット

ベイヤーフォーマットはカラー画像の取得に使用され、カラーフィルタアレイ（CFA）を採用しています。各ピクセルには赤、緑、青の色に関する情報が含まれますが、通常、各ピクセルはこれらの色のうち1つの値しか記録できません。残りの色の値は、周囲のピクセルの値を補間して得られます。

ベイヤーフォーマットにはいくつかの異なる配置パターンがあります。例：

• RG, GB（一般的にRGGBパターンと呼ばれるもので、偶数行のカラーチャネルを示す）

• BG, GR（一般的にBGGRパターンと呼ばれ、もう一つの一般的なスキャン順序）

(3) RGBフォーマット

RGBフォーマットは3つのチャネルからなり、それぞれ赤（Red）、緑（Green）、青（Blue）の輝度情報を記録します。各ピクセルには3色すべての情報が含まれます。RGBフォーマットでは、各ピクセルはR、G、Bに対応する3つの値で表現されます。

(4) YUVフォーマット

YUVフォーマットは、動画処理で一般的に使用されるピクセルフォーマットです。画像情報を輝度（Y）と色差（U、V）成分に分離します。Yは輝度（明るさ／グレースケール）を表し、UとVは色差（色情報）を表します。人間の目は色差の変化よりも輝度の変化により敏感であるため、YUVフォーマットは動画圧縮によく使用されます。

一般的なYUVフォーマットには以下のようなものがあります：

• YUV 4:2:2

• YUV 4:4:4

• YUV 4:2:0

これらのフォーマットは、異なるクロマサブサンプリング方式を指します。一般に、数値が小さいほど（例：4:2:0は4:4:4と比べて）、色差情報が少なく、結果としてファイルサイズも小さくなります。

3. ピクセルフォーマットとパッキング

ピクセルフォーマットについて議論する際、「パック型」フォーマットという概念が登場することがあります。パッキングは、ストレージ容量と帯域幅の節約を目的として使用されます。アンパック型フォーマットでは、ピクセルデータが通常、16ビットのような標準的な境界に合わせてより大きなメモリ空間に格納されます。これを最適化するために、データを実際のビット深度により近い、より小さいメモリ空間にパック（詰め込む）ことができます。

例えば：

• Mono 10は、10ビットのデータが16ビットのスペースを占めるアンパック型フォーマットを意味する場合があり、6ビットが無駄になります。

• Mono 10 Packedは、10ビットのデータをより効率的に格納します。たとえば、複数の10ビットピクセルをバイト列に詰め込み（4ピクセルを5バイトに収めるなど）、ストレージ容量と伝送帯域幅を節約します。具体的なパッキング方式は異なる場合があります。

4．異なるピクセルフォーマットの特徴  

（1）モノクロカメラ：モノフォーマット

モノクロカメラからの生データは通常、グレースケール情報のみを含むMonoフォーマットです。色の情報がないため、画像データ量が比較的小さく、保存および伝送効率が高くなります。

（2）カラーカメラ：Bayerフォーマット

カラーカメラからの生データは通常、Bayerフォーマットを使用します。このフォーマットでは、イメージセンサーに異なる色フィルター（赤、緑、青）を用いて画像を撮影します。Bayerフォーマットのデータ量は完全なRGBよりも小さいですが、色情報は補間処理（デバイヤー／デモザイク）によって算出されるため、色解像度や潜在的なアーティファクトの面で、真のRGBに比べて画像品質がやや劣ることがあります。

(3) RGBフォーマット

RGBフォーマットは高品質なカラー画像取得に適しています。各ピクセルがRGBの3チャンネルすべてのデータを持つため、色彩が豊かになります。細かな色処理を必要とするシーンに適しています。ただし、RGBフォーマットのデータ量は大きくなります。

(4) YUVフォーマット

YUVフォーマットは、ビデオ信号処理に使用されます。輝度情報と色差情報を分離することでデータ量を削減します。輝度成分（Y）が主な要素であり、人間の目はこれにより敏感であるため、色差成分（U、V）はサブサンプリング（解像度を低下）することが可能で、効果的な画像データ圧縮を実現します。これは一般的にビデオ伝送および保存に用いられます。

5ピクセルフォーマットの違い

（1）ピクセルあたりの値：

• モノクロフォーマット：各ピクセルはグレースケール値のみを含みます。

• Bayerフォーマット：各ピクセルは1色（R、G、またはB）の値のみを記録し、他の色の値は周囲のピクセルから補間されます。

• RGBフォーマット：各ピクセルはR、G、Bの値を含みます。

• YUVフォーマット：画像をY（輝度）とU、V（色差）成分に分離します。

（2）フレームあたりのデータサイズ：

• モノクロフォーマット：通常、ピクセルあたり8、10、12、または16ビットです。

• Bayerフォーマット：デバイヤ処理前の段階で、一般的にRGBよりも生データサイズが小さく、よく使われるものはピクセルあたり8、10、または12ビットです。

• RGB形式：占有するスペースが大きくなり、一般的にピクセルあたり24ビット（3チャンネルそれぞれ8ビット）を使用し、RGB8と表記されることが多い。

• YUV形式：サイズはサンプリング方式によって異なります（例：YUV422は平均してピクセルあたり16ビット、YUV420は平均してピクセルあたり12ビットを使用）。

(3) フレームレートの違い：

データ量が異なるため、ピクセルフォーマットごとに達成可能なフレームレートも異なります。一般に、Bayerフォーマットは生データ出力が小さいため、より高いフレームレートを実現できます。RGBフォーマットはデータサイズが大きいため、通常フレームレートが低くなります。YUVフォーマットのフレームレートは、サブサンプリングに応じてBayerとRGBの中間に位置します。

(4) 画質の違い：  

カラーカメラの場合、Bayerフォーマットの画像は色補間が必要なため、有効な色解像度がやや低下したり、モアレなどの色のアーティファクトが発生しやすくなります。

RGBフォーマットは、各ピクセルで直接色が得られるため、補間を必要とせず、より正確で豊かな色を再現します。

YUVフォーマットの色飽和度はRGBに似ている場合がありますが、輝度と色差信号を分離しているため、多くの画像処理および圧縮タスクにおいてより効率的になります。

6ピクセルフォーマットの設定方法

ピクセルフォーマットを設定する前に、カメラの画像取得ストリームを停止する必要があります。その後、カメラ制御ソフトウェアを使用するか、カメラのプロパティツリー（例：GenICam経由）にアクセスして、ピクセルフォーマット設定で希望のフォーマットを選択します。フォーマットを変更した後、取得ストリームを再開できます。