RGB, YUV, Bayer: Katera je dejanska razlika med formati pikslov?

Danes si poglejmo pomemben parameter industrijskih kamer – Format pikslov.

1. Kaj je format pikslov?

Format pikslov se nanaša na metod shranjevanja in strukturo organizacije podatkov za vsak piksel ob zajemanju slike z kamerami. Industrijske kamere podpirajo več formatov pikslov, kar uporabnikom omogoča izbiro primernega formata glede na njihove potrebe. Pogosti formati pikslov vključujejo: Mono, Bayer, RGB, YUV itd.

2. Pogosti formati pikslov

(1) Mono format

Format Mono ali nacin sivin uporablja za pridobivanje sivinskih slik. V tem formatu vsak piksel vsebuje le informacijo o svetlosti (osvetlitvi), ne pa tudi barvne informacije. Na primer, Mono 10 pomeni, da je vsak piksel shranjen z uporabo 10 bitov.

(2) Format Bayer

Format Bayer se uporablja za zajem barvnih slik in uporablja mrežo barvnih filtrov (CFA). Vsak piksel vsebuje informacije za rdeče, zelene in modre barve, vendar običajno lahko vsak piksel beleži vrednost le ene od teh barv. Preostale barvne vrednosti se pridobijo s pomočjo interpolacije vrednosti sosednjih pikslov.

Format Bayer pozna več različnih vzorcev razporeditve, na primer:

• RG, GB (Pogosto imenovan vzorec RGGB, ki označuje barvne kanale za vrstice z lihnimi številkami)

• BG, GR (Pogosto imenovan vzorec BGGR, drug pogost vrstni red skeniranja)

(3) Format RGB

Format RGB vsebuje tri kanale, ki beležijo informacije o svetlosti za rdečo, zeleno in modro barvo. Vsak piksel vsebuje informacije za vse tri barve. V formatu RGB je vsak piksel predstavljen s tremi vrednostmi, ki ustrezajo R, G in B.

(4) Format YUV

Format YUV je format pikslov, ki se pogosto uporablja pri obdelavi videa. Informacije o sliki loči na svetlost (Y) in barvni odtenek (U, V). Y predstavlja svetlost (svetlost/sivine), medtem ko U in V predstavljata barvni odtenek (barvne informacije). Format YUV se pogosto uporablja za stiskanje videa, ker je človeško oko bolj občutljivo na spremembe svetlosti kot na spremembe barvnega odtenka.

Pogosti formati YUV vključujejo:

• YUV 4:2:2

• YUV 4:4:4

• YUV 4:2:0

Ti formati se nanašajo na različne metode podvzorčenja barvnega signala. Na splošno manjša številka (npr. pri 4:2:0 v primerjavi s 4:4:4) pomeni manj informacij o barvnem odtenku in s tem manjšo velikost datoteke.

3. Format pikslov in pakiranje

Ko govorimo o formatih slikovnih elementov, se včasih pojavi pojem »zloženi« format. Zlaganje se uporablja za varčevanje s prostorom za shranjevanje in pasovno širino. V nezloženem formatu so podatki slikovnih elementov pogosto shranjeni v večjem pomenskem prostoru, poravnanem na standardne meje (na primer 16 bitov). Za optimizacijo shranjevanja lahko podatke zložimo v manjši pomenski prostor, ki bolj natančno ustreza dejanski globini bitov.

Na primer:

• Mono 10 morda nakazuje nezloženi format, kjer 10-bitni podatki zasedajo 16-bitni prostor in s tem zapravljajo 6 bitov.

• Mono 10 Packed bi 10-bitne podatke shranil učinkoviteje, na primer tako, da bi več 10-bitnih slikovnih elementov zložil v zaporedje bajtov (kot na primer 4 piksle v 5 bajtov), s čimer bi prihranili prostor za shranjevanje in pasovno širino pri prenosu. Konkretna metoda zlaganja se lahko razlikuje.

4. Značilnosti različnih formatov slikovnih elementov  

(1) Monokromatske kamere: Mono format

Surovi podatki iz črno-belih kamer so ponavadi v formatu Mono in vsebujejo le sivinske informacije. Ker ni barvnih informacij, je prostornina podatkov o sliki relativno majhna, kar pomeni višjo učinkovitost shranjevanja in prenosa.

(2) Barvne kamere: Format Bayer

Surovi podatki iz barvnih kamer običajno uporabljajo format Bayer. Ta format zajema slike z uporabo različnih barvnih filtrov (rdeč, zelen, modra) na slikovnem senzorju. Prostornina podatkov pri formatu Bayer je manjša od polnega RGB, vendar je kakovost slike zaradi izračuna barvnih informacij prek interpolacije (debayering/demosaicing) nekoliko slabša od pravega RGB glede na ločljivost barv in morebitne artefakte.

(3) Format RGB

Format RGB je primeren za pridobivanje visokokakovostnih barvnih slik. Vsak piksel vsebuje podatke za vse tri RGB kanale, kar rezultira v bogatejših barvah. Primeren je za scenarije, ki zahtevajo natančno obdelavo barv. Vendar pa je prostornina podatkov pri formatu RGB velika.

(4) Format YUV

Format YUV se uporablja za obdelavo videosignalov. Zmanjša količino podatkov tako, da loči informacije o svetlosti in barvnosti. Ker je komponenta svetlosti (Y) glavni del in ker je človeško oko bolj občutljivo na njo, lahko komponenti barvnosti (U, V) vzorčimo z nižjo ločljivostjo (zmanjšamo razločnost), kar omogoča učinkovito stiskanje podatkov slike. Pogosto se uporablja za prenos in shranjevanje videa.

5. Razlike med formati pikslov

(1) Vrednost na piksel:

• Mono format: Vsak piksel vsebuje le sivo vrednost.

• Bayer format: Vsak piksel beleži vrednost le za eno barvo (R, G ali B); ostale barvne vrednosti se interpolirajo iz sosednjih pikslov.

• RGB format: Vsak piksel vsebuje vrednosti R, G in B.

• YUV format: Loči sliko na Y (svetlost) in U, V (barvnost) komponente.

(2) Velikost podatkov na okvir:

• Mono format: Ponavadi 8, 10, 12 ali 16 bitov na piksel.

• Bayer format: Praviloma ima manjšo velikost surovih podatkov kot RGB, pogosto 8, 10 ali 12 bitov na piksel (pred debajeriranjem).

• RGB format: Zavzema več prostora, pogosto 24 bitov na piksel (8 bitov na kanal x 3 kanali), pogosto označen kot RGB8.

• YUV format: Velikost se razlikuje glede na vzorčenje (npr. YUV422 običajno uporablja v povprečju 16 bitov na piksel, YUV420 pa v povprečju 12 bitov na piksel).

(3) Razlike pri sliki na sekundo:

Zaradi različnih količin podatkov se dosegljive hitrosti posnetka razlikujejo med formati pikslov. Splošno lahko Bayerjev format doseže višje hitrosti posnetka, ker je velikost njegovih surovih podatkov manjša. RGB format prinaša nižje hitrosti posnetka zaradi večje količine podatkov. Hitrosti posnetka v YUV formatu so navadno nekje med Bayerjem in RGB, odvisno od podvzorčenja.

(4) Razlike v kakovosti posnetka:  

Pri barvnih kamerah lahko slike v Bayerjevem formatu imajo nekoliko nižjo učinkovito barvno ločljivost in morebitne barvne artefakte (kot npr. moiré), saj se barve interpolirajo.

RGB format zagotavlja točnejše in bogatejše barve neposredno na ravni piksla, saj interpolacija barv ni potrebna.

Barvna nasičenost v YUV formatu lahko podobe tisti v RGB, vendar ločitev svetlosti in krominancije omogoča učinkovitejše izvajanje številnih opravil pri obdelavi slik in stiskanju.

6. Kako nastaviti format pikslov

Pred nastavitvijo formata pikslov je potrebno ustaviti pretok zajema slike s kamero. Nato z uporabo programske opreme za nadzor kamere ali dostopa do drevesa lastnosti kamere (npr. prek GenICam) izberite želeni format pikslov v nastavitvi Format pikslov. Po spremembi formata lahko pretok zajema znova zaženete.