RGB, YUV, Bayer: Wat is het daadwerkelijke verschil tussen pixelindelingen?

Vandaag praten we over een belangrijke parameter van industriële camera's – Pixelindeling.

1. Wat is een Pixelindeling?

Pixelindeling verwijst naar de opslagmethode en de gegevensorganisatiestructuur van elk pixel wanneer een camera een beeld vastlegt. Industriële camera's ondersteunen meerdere pixelindelingen, zodat gebruikers het juiste formaat kunnen kiezen op basis van hun behoeften. Veelvoorkomende pixelindelingen zijn: Mono, Bayer, RGB, YUV, enz.

2. Veelvoorkomende Pixelindelingen

(1) Mono-indeling

De Mono-indeling, of zwart-witmodus, wordt doorgaans gebruikt voor het verkrijgen van grijswaardenbeelden. In dit formaat bevat elk pixel alleen lichtsterkte- (helderheids-)informatie en geen kleurinformatie. Bijvoorbeeld: Mono 10 betekent dat elk pixel wordt opgeslagen met 10 bits.

(2) Bayer-indeling

Het Bayer-formaat wordt gebruikt voor de opname van kleurenbeelden en maakt gebruik van een kleurenfilterrooster (CFA). Elke pixel bevat informatie voor de kleuren rood, groen en blauw, maar doorgaans kan elke pixel slechts de waarde van één van deze kleuren vastleggen. De ontbrekende kleurwaarden worden verkregen door interpolatie van waarden uit aangrenzende pixels.

Het Bayer-formaat kent verschillende rangschikkingspatronen, bijvoorbeeld:

• RG, GB (Vaak aangeduid als RGGB-patroon, wat de kleurkanalen aangeeft voor de even genummerde rijen)

• BG, GR (Vaak aangeduid als BGGR-patroon, een andere gangbare scanvolgorde)

(3) RGB-formaat

Het RGB-formaat bevat drie kanalen die respectievelijk de lichtintensiteitsinformatie voor Rood, Groen en Blauw vastleggen. Elke pixel bevat informatie voor alle drie de kleuren. In het RGB-formaat wordt elke pixel weergegeven door drie waarden die corresponderen met R, G en B.

(4) YUV-formaat

Het YUV-formaat is een pixelindeling die veel wordt gebruikt in videobewerking. Het verdeelt beeldinformatie in luminantie (Y) en chrominantie (U, V) componenten. Y staat voor de luminantie (helderheid/grijswaarden), terwijl U en V de chrominantie (kleurinformatie) vertegenwoordigen. Het YUV-formaat wordt vaak gebruikt voor video-compressie omdat het menselijk oog gevoeliger is voor veranderingen in luminantie dan in chrominantie.

Veelvoorkomende YUV-formaten zijn:

• YUV 4:2:2

• YUV 4:4:4

• YUV 4:2:0

Deze formaten verwijzen naar verschillende methoden van chroma subsampling. Over het algemeen betekent een kleiner getal (zoals bij 4:2:0 vergeleken met 4:4:4) minder chrominantie-informatie en een kleinere bestandsgrootte.

3. Pixelindeling en Packing

Bij het bespreken van pixelindelingen komt het concept "Gecomprimeerd" formaat soms ter sprake. Comprimeren wordt gebruikt om opslagruimte en bandbreedte te besparen. In een uitgepakt formaat wordt pixeldata vaak opgeslagen in een grotere geheugenruimte die is uitgelijnd op standaardgrenzen (zoals 16 bits). Om de opslag te optimaliseren, kan de data efficiënter worden ingepakt in een kleinere geheugenruimte die beter aansluit bij de werkelijke bitdiepte.

Bijvoorbeeld:

• Mono 10 suggereert mogelijk een uitgepakt formaat waarbij de 10-bits data een 16-bits ruimte inneemt, waardoor 6 bits verloren gaan.

• Mono 10 Gecomprimeerd zou de 10-bits data efficiënter opslaan, bijvoorbeeld door meerdere 10-bits pixels te comprimeren in een reeks bytes (zoals 4 pixels in 5 bytes), wat opslagruimte en transmissiebandbreedte bespaart. De specifieke comprimeringsmethode kan variëren.

4. Kenmerken van Verschillende Pixelindelingen  

(1) Monochroomcamera's: Mono-indeling

De ruwe gegevens van monochrome camera's zijn doorgaans in Mono-formaat, en bevatten alleen grijswaardeninformatie. Aangezien er geen kleurinformatie is, is de hoeveelheid beeldgegevens relatief klein, wat leidt tot een hogere opslag- en transmissie-efficiëntie.

(2) Kleurencamera's: Bayer-formaat

De ruwe gegevens van kleurencamera's gebruiken meestal het Bayer-formaat. Dit formaat neemt beelden op door verschillende kleurfilters (Rood, Groen, Blauw) op de beeldsensor te gebruiken. De hoeveelheid gegevens voor het Bayer-formaat is kleiner dan volledig RGB, maar omdat de kleurinformatie wordt berekend via interpolatie (debayering/demosaïcering), kan de beeldkwaliteit licht inferieur zijn aan echte RGB qua kleurresolutie en mogelijke artefacten.

(3) RGB-formaat

Het RGB-formaat is geschikt voor het acquisiteren van hoogwaardige kleurenbeelden. Elk pixel bevat gegevens voor alle drie de RGB-kanalen, wat resulteert in rijkere kleuren. Het is geschikt voor scenario's waarbij fijne kleurbewerking nodig is. De hoeveelheid gegevens voor het RGB-formaat is echter groot.

(4) YUV-formaat

Het YUV-formaat wordt gebruikt voor videobewerking. Het vermindert het gegevensvolume door luminantie- en chrominantie-informatie te scheiden. Omdat de luminantiecomponent (Y) het belangrijkste deel is en het menselijk oog gevoeliger is voor luminantie, kunnen de chrominantiecomponenten (U, V) worden onderbemonsterd (resolutie verlaagd), wat effectieve compressie van beeldgegevens mogelijk maakt. Het wordt veel gebruikt voor video-overdracht en -opslag.

5. Verschillen tussen pixelindelingen

(1) Waarde per pixel:

• Monoformaat: Elke pixel bevat slechts een grijswaarde.

• Bayerformaat: Elke pixel registreert de waarde voor slechts één kleur (R, G of B); andere kleurwaarden worden geïnterpoleerd uit naburige pixels.

• RGB-formaat: Elke pixel bevat R-, G- en B-waarden.

• YUV-formaat: Splits het beeld in Y (luminantie) en U, V (chrominantie) componenten.

(2) Gegevensgrootte per frame:

• Monoformaat: Meestal 8, 10, 12 of 16 bits per pixel.

• Bayerformaat: Heeft over het algemeen een kleinere ruwe gegevensgrootte dan RGB, vaak 8, 10 of 12 bits per pixel (vóór debayering).

• RGB-formaat: Neemt meer ruimte in beslag, meestal 24 bits per pixel (8 bits per kanaal x 3 kanalen), vaak aangeduid als RGB8.

• YUV-formaat: Grootte varieert afhankelijk van de bemonstering (bijvoorbeeld gebruikt YUV422 doorgaans gemiddeld 16 bits per pixel, YUV420 gebruikt gemiddeld 12 bits per pixel).

(3) Verschillen in beeldsnelheid:

Vanwege de verschillende gegevenshoeveelheden variëren de haalbare beeldsnelheden tussen pixelindelingen. Over het algemeen kan het Bayer-formaat hogere beeldsnelheden bereiken omdat de raw-gegevensuitvoer kleiner is. Het RGB-formaat resulteert doorgaans in lagere beeldsnelheden vanwege de grotere gegevensgrootte. De beeldsnelheden van het YUV-formaat liggen over het algemeen tussen Bayer en RGB in, afhankelijk van de subsampling.

(4) Verschillen in beeldkwaliteit:  

Bij kleurencamera's kunnen beelden in Bayer-formaat iets lagere effectieve kleurresolutie hebben en mogelijke kleurartefacten (zoals moiré) vertonen, omdat kleuren worden geïnterpoleerd.

Het RGB-formaat levert direct op pixelniveau nauwkeurigere en rijkere kleuren, omdat geen interpolatie nodig is voor kleur.

De kleursaturatie in YUV-formaat kan vergelijkbaar zijn met RGB, maar de scheiding van lichtheid en chrominantie maakt het efficiënter voor veel beeldverwerkings- en compressietaken.

6. Instellen van het pixelformaat

Voordat u het pixelformaat instelt, moet u de beeldacquisitiestroom van de camera stoppen. Gebruik vervolgens de camera-besturingssoftware of ga naar de eigenschappenstructuur van de camera (bijvoorbeeld via GenICam) om het gewenste pixelformaat te selecteren onder de instelling Pixel Formaat. Nadat het formaat is gewijzigd, kan de acquisitiestroom opnieuw worden gestart.