RGB, YUV, Bayer: Vad är den faktiska skillnaden mellan pixelformater?

Idag ska vi prata om en viktig parameter för industriella kameror – Pixelformat.

1. Vad är ett pixelformat?

Pixelformat avser lagringsmetoden och dataorganisationsstrukturen för varje pixel när en kamera fångar in en bild. Industriella kameror stöder flera pixelformater, vilket gör att användare kan välja lämpligt format utifrån sina behov. Vanliga pixelformater inkluderar: Mono, Bayer, RGB, YUV, etc.

2. Vanliga pixelformater

(1) Mono-format

Mono-formatet, eller svartvitt-läge, används vanligtvis för införskaffande av gråskalebilder. I detta format innehåller varje pixel endast luminans (ljusstyrka) information och ingen färginformation. Till exempel innebär Mono 10 att varje pixel lagras med 10 bitar.

(2) Bayer-format

Bayerformatet används för färgbildsinsamling och använder en färgfiltermatris (CFA). Varje pixel innehåller information för röda, gröna och blåa färger, men vanligtvis kan varje pixel endast registrera värdet för en av dessa färger. De återstående färgvärdena erhålls genom interpolering av värden från intilliggande pixlar.

Bayerformatet har flera olika ordningsmönster, till exempel:

• RG, GB (Vanligen kallat RGGB-mönster, anger färgkanalerna för raderna med jämnt nummer)

• BG, GR (Vanligen kallat BGGR-mönster, en annan vanlig avläsningsordning)

(3) RGB-format

RGB-formatet innehåller tre kanaler, vilka registrerar luminansinformation för Rött, Grönt och Blått respektive. Varje pixel innehåller information för alla tre färger. I RGB-formatet representeras varje pixel av tre värden som motsvarar R, G och B.

(4) YUV-format

YUV-formatet är ett pixelformat som ofta används inom videobehandling. Det separerar bildinformationen i luminans (Y) och krominans (U, V) komponenter. Y representerar luminansen (ljusstyrka/gråskala), medan U och V representerar krominansen (färginformation). YUV-formatet används ofta för videokomprimering eftersom det mänskliga ögat är mer känsligt för förändringar i luminans än i krominans.

Vanliga YUV-format inkluderar:

• YUV 4:2:2

• YUV 4:4:4

• YUV 4:2:0

Dessa format avser olika metoder för kromasubsampling. Generellt betyder en lägre siffra (till exempel i 4:2:0 jämfört med 4:4:4) mindre krominansinformation och en mindre resulterande filstorlek.

3. Pixelformat och packning

När man diskuterar pixelformater kan begreppet "packat" format ibland förekomma. Packning används för att spara lagringsutrymme och bandbredd. I ett uppackat format lagras pixeldatan ofta i ett större minnesutrymme justerat till standardgränser (till exempel 16 bitar). För att optimera lagring kan datan packas in i ett mindre minnesutrymme som mer noga motsvarar dess faktiska bitdjup.

Till exempel:

• Mono 10 kan innebära ett uppackat format där 10-bitarsdatan upptar ett 16-bitarsutrymme, vilket slösar med 6 bitar.

• Mono 10 Packed skulle lagra 10-bitarsdatan mer effektivt, till exempel genom att packa flera 10-bitarspixlar i en sekvens av byte (till exempel 4 pixlar i 5 byte), vilket sparar lagringsutrymme och överföringsbandbredd. Den specifika packningsmetoden kan variera.

4. Egenskaper hos olika pixelformater  

(1) Svartvita kameror: Mono-format

Rådata från monokroma kameror är vanligtvis i Mono-format, vilket endast innehåller gråskaleinformation. Eftersom det inte finns någon färginformation är datavolymen relativt liten, vilket leder till högre lagrings- och överföringseffektivitet.

(2) Färgkameror: Bayer-format

Rådata från färgkameror använder vanligtvis Bayer-formatet. Detta format fångar bilder genom att använda olika färgfilter (Rött, Grönt, Blått) på bildsensorn. Datavolymen för Bayer-formatet är mindre än fullständig RGB, men eftersom färginformationen beräknas genom interpolering (debayering/demosaicing) kan bildkvaliteten vara något sämre än verklig RGB när det gäller färgupplösning och potentiella artefakter.

(3) RGB-format

RGB-formatet är lämpligt för högkvalitativ införskaffning av färgbilder. Varje pixel innehåller data för alla tre RGB-kanaler, vilket resulterar i rikare färger. Det är lämpligt för scenarier som kräver fin färgbehandling. Datavolymen för RGB-formatet är dock stor.

(4) YUV-format

YUV-formatet används för videosignalbehandling. Det minskar datavolymen genom att separera ljusstyrka och färginformation. Eftersom ljusstyrkekomponenten (Y) är den primära delen och det mänskliga ögat är mer känsligt för den kan färgkomponenterna (U, V) undersampelas (minska i upplösning), vilket möjliggör effektiv komprimering av bilddata. Det används ofta för videouträckning och lagring.

5. Skillnader mellan pixelformater

(1) Värde per pixel:

• Monoformat: Varje pixel innehåller endast ett gråskalevärde.

• Bayerformat: Varje pixel registrerar värdet för endast en färg (R, G eller B); andra färgvärden interpoleras från grannpixlar.

• RGB-format: Varje pixel innehåller R-, G- och B-värden.

• YUV-format: Separerar bilden i Y (ljusstyrka) och U, V (färgstyrka) komponenter.

(2) Datamängd per bildruta:

• Monoformat: Vanligtvis 8, 10, 12 eller 16 bitar per pixel.

• Bayerformat: Har vanligtvis en mindre rådatastorlek än RGB, ofta 8, 10 eller 12 bitar per pixel (före debayering).

• RGB-format: Upptar mer utrymme, vanligtvis 24 bitar per pixel (8 bitar per kanal x 3 kanaler), ofta betecknat som RGB8.

• YUV-format: Storleken varierar beroende på samplingsfrekvensen (t.ex. använder YUV422 ofta i genomsnitt 16 bitar per pixel, YUV420 använder i genomsnitt 12 bitar per pixel).

(3) Bildhastighets skillnader:

På grund av olika datavolymer varierar de uppnåeliga bildhastigheterna mellan pixelformaterna. Generellt kan Bayer-format uppnå högre bildhastigheter eftersom dess rådatautmatning är mindre. RGB-format resulterar vanligtvis i lägre bildhastigheter på grund av sin större datamängd. YUV-formathastigheter ligger vanligtvis mellan Bayer och RGB, beroende på under-sampling.

(4) Skillnader i bildkvalitet:  

För färgkameror kan bilder i Bayer-format ha något lägre effektiv färgupplösning och potentiella färgartefakter (som moiré) eftersom färger interpoleras.

RGB-format ger mer exakta och rikare färger direkt på pixelnivå, eftersom ingen interpolation behövs för färg.

Färgmättnad i YUV-format kan vara liknande RGB, men separationen av ljusstyrka och färginformation gör det mer effektivt för många bildbehandlings- och komprimeringsuppgifter.

6. Hur man ställer in pixelformatet

Innan du ställer in pixelformatet måste du stoppa kamerans bildinsamlingsström. Använd sedan kamerans kontrollprogramvara eller komma åt kamerans egenskapsträd (till exempel via GenICam) och välj önskat pixelformat under inställningen Pixel Format. Efter att ha ändrat formatet kan insamlingsströmmen startas igen.