RGB, YUV, Bayer: Qual é a Diferença Real Entre os Formatos de Pixel?

Hoje, vamos falar sobre um parâmetro importante das câmeras industriais – Formato de Pixel.

1. O que é um Formato de Pixel?

Formato de Pixel refere-se ao método de armazenamento e à estrutura de organização de dados de cada pixel quando uma câmera captura uma imagem. Câmeras industriais suportam múltiplos formatos de pixel, permitindo que os usuários selecionem o formato apropriado conforme suas necessidades. Formatos de pixel comuns incluem: Mono, Bayer, RGB, YUV, etc.

2. Formatos de Pixel Comuns

(1) Formato Mono

O formato Mono, ou modo monocromático, é tipicamente usado para aquisição de imagens em escala de cinza. Neste formato, cada pixel contém apenas informações de luminância (brilho) e nenhuma informação de cor. Por exemplo, Mono 10 significa que cada pixel é armazenado utilizando 10 bits.

(2) Formato Bayer

O formato Bayer é usado para aquisição de imagens coloridas e emprega uma matriz de filtros de cores (CFA). Cada pixel contém informações para as cores vermelha, verde e azul, mas normalmente cada pixel pode registrar apenas o valor de uma dessas cores. Os valores das demais cores são obtidos por meio da interpolação dos valores dos pixels vizinhos.

O formato Bayer possui diversos padrões de arranjo diferentes, por exemplo:

• RG, GB (Comumente referido como padrão RGGB, indicando os canais de cor para linhas de número par)

• BG, GR (Comumente referido como padrão BGGR, outra ordem de varredura comum)

(3) Formato RGB

O formato RGB contém três canais, registrando as informações de luminância para Vermelho, Verde e Azul, respectivamente. Cada pixel contém informações para as três cores. No formato RGB, cada pixel é representado por três valores correspondentes a R, G e B.

(4) Formato YUV

O formato YUV é um formato de pixel comumente usado no processamento de vídeo. Ele separa as informações da imagem em componentes de Luminância (Y) e Crominância (U, V). Y representa a luminância (brilho/tons de cinza), enquanto U e V representam a crominância (informações de cor). O formato YUV é frequentemente usado para compressão de vídeo porque o olho humano é mais sensível a mudanças de luminância do que a mudanças de crominância.

Formatos YUV comuns incluem:

• YUV 4:2:2

• YUV 4:4:4

• YUV 4:2:0

Esses formatos referem-se a diferentes métodos de subamostragem de croma. Geralmente, um número menor (como em 4:2:0 comparado ao 4:4:4) significa menos informação de crominância e um tamanho de arquivo resultante menor.

3. Formato de Pixel e Empacotamento

Ao discutir formatos de pixel, o conceito de formato "Compactado" às vezes surge. A compactação é usada para economizar espaço de armazenamento e largura de banda. Em um formato descompactado, os dados do pixel são frequentemente armazenados em um espaço de memória maior, alinhado a limites padrão (como 16 bits). Para otimizar o armazenamento, os dados podem ser compactados em um espaço de memória menor, mais próximo da sua profundidade de bits real.

Por exemplo:

• Mono 10 pode implicar um formato descompactado no qual os dados de 10 bits ocupam um espaço de 16 bits, desperdiçando 6 bits.

• Mono 10 Packed armazenaria os dados de 10 bits de forma mais eficiente, por exemplo, compactando múltiplos pixels de 10 bits em uma sequência de bytes (como 4 pixels em 5 bytes), economizando espaço de armazenamento e largura de banda de transmissão. O método específico de compactação pode variar.

4. Características dos Diferentes Formatos de Pixel  

(1) Câmeras Monocromáticas: Formato Mono

Os dados brutos de câmeras monocromáticas são tipicamente no formato Mono, contendo apenas informações em escala de cinza. Como não há informação de cor, o volume de dados da imagem é relativamente pequeno, resultando em maior eficiência de armazenamento e transmissão.

(2) Câmeras Coloridas: Formato Bayer

Os dados brutos de câmeras coloridas geralmente utilizam o formato Bayer. Este formato captura imagens usando filtros de cores diferentes (Vermelho, Verde, Azul) no sensor de imagem. O volume de dados do formato Bayer é menor que o RGB completo, mas como a informação de cor é calculada por interpolação (debayering/demosaicing), a qualidade da imagem pode ser ligeiramente inferior ao RGB verdadeiro em termos de resolução de cor e possíveis artefatos.

(3) Formato RGB

O formato RGB é adequado para aquisição de imagens coloridas de alta qualidade. Cada pixel contém dados para os três canais RGB, resultando em cores mais ricas. É adequado para cenários que exigem processamento de cor refinado. No entanto, o volume de dados do formato RGB é grande.

(4) Formato YUV

O formato YUV é usado para o processamento de sinal de vídeo. Ele reduz o volume de dados separando as informações de luminância e crominância. Como o componente de luminância (Y) é a parte principal e o olho humano é mais sensível a ele, os componentes de crominância (U, V) podem ser subamostrados (reduzidos em resolução), permitindo uma compressão eficaz dos dados da imagem. É comumente utilizado para transmissão e armazenamento de vídeo.

5. Diferenças entre Formatos de Pixel

(1) Valor por Pixel:

• Formato Mono: Cada pixel contém apenas um valor de escala de cinza.

• Formato Bayer: Cada pixel registra o valor de apenas uma cor (R, G ou B); os demais valores de cor são interpolados a partir dos vizinhos.

• Formato RGB: Cada pixel contém os valores R, G e B.

• Formato YUV: Separa a imagem em componentes Y (luminância) e U, V (crominância).

(2) Tamanho de Dados por Quadro:

• Formato Mono: Normalmente 8, 10, 12 ou 16 bits por pixel.

• Formato Bayer: Geralmente possui um tamanho de dados bruto menor que o RGB, frequentemente 8, 10 ou 12 bits por pixel (antes do debayering).

• Formato RGB: Ocupa mais espaço, comumente 24 bits por pixel (8 bits por canal x 3 canais), frequentemente indicado como RGB8.

• Formato YUV: O tamanho varia conforme a amostragem (por exemplo, YUV422 geralmente usa 16 bits por pixel em média, YUV420 usa 12 bits por pixel em média).

(3) Diferenças de Taxa de Quadros:

Devido aos diferentes volumes de dados, as taxas de quadros alcançáveis variam entre os formatos de pixel. Geralmente, o formato Bayer pode atingir taxas de quadros mais altas porque sua saída de dados brutos é menor. O formato RGB normalmente resulta em taxas de quadros mais baixas devido ao seu maior volume de dados. As taxas de quadros no formato YUV geralmente ficam entre as do Bayer e do RGB, dependendo da subamostragem.

(4) Diferenças na Qualidade de Imagem:  

Para câmeras coloridas, as imagens no formato Bayer podem ter uma resolução de cor efetiva ligeiramente inferior e possíveis artefatos de cor (como moiré), pois as cores são interpoladas.

O formato RGB oferece cores mais precisas e ricas diretamente no nível do pixel, já que nenhuma interpolação é necessária para a cor.

O formato YUV pode ter saturação de cores semelhante ao RGB, mas a separação entre luminância e crominância torna-o mais eficiente para diversas tarefas de processamento de imagem e compressão.

6. Como Definir o Formato de Pixel

Antes de definir o formato de pixel, é necessário interromper o fluxo de aquisição de imagem da câmera. Em seguida, utilizando o software de controle da câmera ou acessando a árvore de propriedades da câmera (por exemplo, via GenICam), selecione o formato de pixel desejado na configuração Formato de Pixel. Após alterar o formato, o fluxo de aquisição pode ser reiniciado.