RGB, YUV, Bayer: ต่างกันอย่างไรในรูปแบบพิกเซล?

วันนี้ เรามาพูดถึงพารามิเตอร์ที่สำคัญของกล้องอุตสาหกรรมกัน นั่นคือ รูปแบบพิกเซล (Pixel Format)

1. รูปแบบพิกเซลคืออะไร

รูปแบบพิกเซล หมายถึง วิธีการจัดเก็บและโครงสร้างการจัดระเบียบข้อมูลของแต่ละพิกเซลเมื่อกล้องทำการจับภาพ กล้องอุตสาหกรรมรองรับรูปแบบพิกเซลหลายแบบ ซึ่งช่วยให้ผู้ใช้งานสามารถเลือกรูปแบบที่เหมาะสมตามความต้องการได้ รูปแบบพิกเซลที่พบบ่อย ได้แก่ Mono, Bayer, RGB, YUV เป็นต้น

2. รูปแบบพิกเซลที่พบบ่อย

(1) รูปแบบ Mono

รูปแบบ Mono หรือโหมดขาวดำ นิยมใช้สำหรับการรับภาพระดับสีเทา โดยในรูปแบบนี้ พิกเซลแต่ละพิกเซลจะมีเพียงข้อมูลความสว่าง (brightness) เท่านั้น โดยไม่มีข้อมูลสี ตัวอย่างเช่น Mono 10 หมายความว่า พิกเซลแต่ละพิกเซลถูกจัดเก็บโดยใช้ 10 บิต

(2) รูปแบบ Bayer

รูปแบบเบเยอร์ถูกใช้สำหรับการจับภาพสีและใช้แถบกรองสี (CFA) โดยพิกเซลแต่ละพิกเซลจะมีข้อมูลของสีแดง สีเขียว และสีน้ำเงิน แต่โดยทั่วไป พิกเซลแต่ละพิกเซลสามารถบันทึกค่าได้เพียงหนึ่งในสามสีดังกล่าวเท่านั้น ค่าสีที่เหลือจะได้มาจากการประมาณค่าจากพิกเซลที่อยู่ติดกัน

รูปแบบเบเยอร์มีหลายรูปแบบการจัดเรียงที่แตกต่างกัน เช่น

• RG, GB (มักเรียกว่ารูปแบบ RGGB ซึ่งระบุช่องสัญญาณสีสำหรับแถวเลขคู่)

• BG, GR (มักเรียกว่ารูปแบบ BGGR ซึ่งเป็นลำดับการสแกนอีกแบบหนึ่งที่พบได้บ่อย)

(3) รูปแบบ RGB

รูปแบบ RGB มีสามช่องสัญญาณ ใช้บันทึกข้อมูลความสว่างของสีแดง สีเขียว และสีน้ำเงินตามลำดับ โดยพิกเซลแต่ละพิกเซลจะมีข้อมูลครบทั้งสามสี ในรูปแบบ RGB พิกเซลแต่ละพิกเซลจะถูกแทนด้วยค่าสามค่าที่สอดคล้องกับ R, G และ B

(4) รูปแบบ YUV

รูปแบบ YUV เป็นรูปแบบพิกเซลที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในงานประมวลผลวิดีโอ โดยแยกข้อมูลภาพออกเป็นส่วนของความสว่าง (Y) และส่วนของความเข้มสี (U, V) โดย Y แทนความสว่าง (ระดับสีเทา) ในขณะที่ U และ V แทนความเข้มสี (ข้อมูลสี) รูปแบบ YUV มักถูกใช้ในการบีบอัดวิดีโอ เนื่องจากตาของมนุษย์มีความไวต่อการเปลี่ยนแปลงของความสว่างมากกว่าการเปลี่ยนแปลงของความเข้มสี

รูปแบบ YUV ที่พบได้ทั่วไป ได้แก่:

• YUV 4:2:2

• YUV 4:4:4

• YUV 4:2:0

รูปแบบเหล่านี้หมายถึงวิธีการสุ่มตัวอย่างสี (chroma subsampling) ที่แตกต่างกัน โดยทั่วไปแล้ว ตัวเลขที่เล็กลง (เช่น 4:2:0 เมื่อเทียบกับ 4:4:4) หมายถึงข้อมูลความเข้มสีที่ลดลง และทำให้ขนาดไฟล์ที่ได้มีขนาดเล็กลง

3. รูปแบบพิกเซลและการจัดเรียง

เมื่อพูดถึงรูปแบบพิกเซล แนวคิดของรูปแบบ "แบบรวมชิด" (Packed) มักจะถูกกล่าวถึง การรวมชิดใช้เพื่อประหยัดพื้นที่จัดเก็บและแบนด์วิธ ในรูปแบบที่ไม่ได้รวมชิด ข้อมูลพิกเซลมักจะถูกจัดเก็บในพื้นที่หน่วยความจำที่ใหญ่กว่า โดยจัดตำแหน่งให้สอดคล้องกับขอบเขตมาตรฐาน (เช่น 16 บิต) เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในการจัดเก็บ ข้อมูลสามารถถูกจัดเรียงให้ชิดกันมากขึ้นในพื้นที่หน่วยความจำที่เล็กลง ซึ่งตรงกับความลึกของบิตที่แท้จริงได้ดีขึ้น

ตัวอย่างเช่น:

• Mono 10 อาจหมายถึงรูปแบบที่ไม่ได้รวมชิด โดยข้อมูล 10 บิต ใช้พื้นที่ 16 บิต ทำให้สูญเสียพื้นที่ไป 6 บิต

• Mono 10 Packed จะจัดเก็บข้อมูล 10 บิต อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น เช่น การรวมพิกเซล 10 บิตหลายตัวเข้าด้วยกันเป็นลำดับไบต์ (เช่น 4 พิกเซลใน 5 ไบต์) เพื่อประหยัดพื้นที่จัดเก็บและแบนด์วิธในการส่งผ่าน วิธีการรวมชิดเฉพาะอาจแตกต่างกันไป

4. ลักษณะของรูปแบบพิกเซลที่แตกต่างกัน  

(1) กล้องโมโนโครม: รูปแบบ Mono

ข้อมูลดิบจากกล้องโมโนโครมโดยทั่วไปอยู่ในรูปแบบ Mono ซึ่งมีเพียงข้อมูลระดับสีเทาเท่านั้น เนื่องจากไม่มีข้อมูลสี ปริมาณข้อมูลภาพจึงค่อนข้างน้อย ส่งผลให้มีประสิทธิภาพสูงขึ้นในการจัดเก็บและถ่ายโอนข้อมูล

(2) กล้องสี: รูปแบบเบเยอร์

ข้อมูลดิบจากกล้องสีโดยทั่วไปใช้รูปแบบเบเยอร์ (Bayer format) รูปแบบนี้จับภาพโดยใช้ตัวกรองสีต่างๆ (แดง เขียว น้ำเงิน) บนเซ็นเซอร์ภาพ ปริมาณข้อมูลของรูปแบบเบเยอร์มีขนาดเล็กกว่ารูปแบบ RGB เต็มรูปแบบ แต่เนื่องจากข้อมูลสีจะถูกคำนวณผ่านการแทรกค่า (debayering/demosaicing) คุณภาพของภาพอาจด้อยกว่า RGB จริงในแง่ของความละเอียดของสีและศิลปะประดิษฐ์ที่อาจเกิดขึ้น

(3) รูปแบบ RGB

รูปแบบ RGB เหมาะสำหรับการรับภาพสีคุณภาพสูง โดยพิกเซลแต่ละพิกเซลจะมีข้อมูลครบทั้งสามช่องทาง RGB ทำให้ได้สีที่สมบูรณ์มากขึ้น เหมาะกับสถานการณ์ที่ต้องการประมวลผลสีอย่างละเอียด อย่างไรก็ตาม ปริมาณข้อมูลของรูปแบบ RGB มีขนาดใหญ่

(4) รูปแบบ YUV

รูปแบบ YUV ถูกใช้สำหรับการประมวลผลสัญญาณวิดีโอ โดยช่วยลดปริมาณข้อมูลด้วยการแยกข้อมูลความสว่าง (luminance) และข้อมูลสี (chrominance) เนื่องจากส่วนประกอบความสว่าง (Y) เป็นส่วนหลัก และตามองเห็นความเปลี่ยนแปลงของความสว่างได้ดีกว่า จึงสามารถลดความละเอียดของส่วนประกอบสี (U, V) ได้ ซึ่งทำให้บีบอัดข้อมูลภาพได้อย่างมีประสิทธิภาพ รูปแบบนี้มักใช้กันอย่างแพร่หลายในการส่งผ่านและจัดเก็บวิดีโอ

5. ความแตกต่างระหว่างรูปแบบพิกเซล

(1) ค่าต่อพิกเซล:

• รูปแบบโมโน: พิกเซลแต่ละพิกเซลประกอบด้วยค่าระดับเท่านั้น

• รูปแบบเบเยอร์: พิกเซลแต่ละพิกเซลบันทึกค่าของสีเพียงหนึ่งสี (R, G หรือ B) ส่วนค่าสีอื่นๆ จะถูกประมาณค่าจากพิกเซลใกล้เคียง

• รูปแบบ RGB: พิกเซลแต่ละพิกเซลประกอบด้วยค่า R, G และ B

• รูปแบบ YUV: แยกภาพออกเป็นส่วนประกอบ Y (ความสว่าง) และ U, V (สี)

(2) ขนาดข้อมูลต่อเฟรม:

• รูปแบบโมโน: โดยทั่วไปใช้ 8, 10, 12 หรือ 16 บิตต่อพิกเซล

• รูปแบบเบเยอร์: โดยทั่วไปมีขนาดข้อมูลดิบเล็กกว่ารูปแบบ RGB มักใช้ 8, 10 หรือ 12 บิตต่อพิกเซล (ก่อนการถอดรหัสเบเยอร์)

• รูปแบบ RGB: ใช้พื้นที่มากกว่า โดยทั่วไปใช้ 24 บิตต่อพิกเซล (8 บิตต่อช่องสัญญาณ × 3 ช่องสัญญาณ) มักเรียกว่า RGB8

• รูปแบบ YUV: ขนาดขึ้นอยู่กับการสุ่มตัวอย่าง (ตัวอย่างเช่น YUV422 มักใช้เฉลี่ย 16 บิตต่อพิกเซล ส่วน YUV420 ใช้เฉลี่ย 12 บิตต่อพิกเซล)

(3) ความแตกต่างของอัตราเฟรม:

เนื่องจากปริมาณข้อมูลที่แตกต่างกัน อัตราเฟรมที่สามารถทำได้จึงแตกต่างกันไปในแต่ละรูปแบบพิกเซล โดยทั่วไปแล้ว รูปแบบเบเยอร์สามารถทำอัตราเฟรมที่สูงกว่าได้ เนื่องจากข้อมูลดิบที่ส่งออกมีขนาดเล็กกว่า ขณะที่รูปแบบ RGB มักให้อัตราเฟรมที่ต่ำกว่าเพราะมีขนาดข้อมูลที่ใหญ่กว่า อัตราเฟรมของรูปแบบ YUV โดยทั่วไปจะอยู่ระหว่างเบเยอร์กับ RGB ขึ้นอยู่กับการสุ่มตัวอย่างย่อย

(4) ความแตกต่างของคุณภาพภาพ:  

สำหรับกล้องสี ภาพในรูปแบบเบเยอร์อาจมีความละเอียดสีที่แท้จริงต่ำกว่าเล็กน้อย และอาจเกิดสิ่งผิดปกติของสี (เช่น ลวดลายโมอาเร่) เนื่องจากสีถูกประมาณค่าจากการแทรก

รูปแบบ RGB ให้สีที่แม่นยำและสมบูรณ์มากกว่าโดยตรงในระดับพิกเซล เพราะไม่จำเป็นต้องมีการแทรกเพื่อหาค่าสี

รูปแบบสี YUV มีความเข้มของสีที่ใกล้เคียงกับ RGB ได้ แต่การแยกแยะระหว่างความสว่างและความเข้มของสีทำให้มีประสิทธิภาพมากกว่าสำหรับงานประมวลผลภาพและการบีบอัดภาพจำนวนมาก

6. วิธีตั้งค่ารูปแบบพิกเซล

ก่อนตั้งค่ารูปแบบพิกเซล จำเป็นต้องหยุดสตรีมการจับภาพของกล้องเสียก่อน จากนั้นโดยใช้ซอฟต์แวร์ควบคุมกล้อง หรือเข้าถึงต้นไม้คุณสมบัติของกล้อง (เช่น ผ่าน GenICam) ให้เลือกรูปแบบพิกเซลที่ต้องการภายใต้การตั้งค่า Pixel Format หลังจากเปลี่ยนรูปแบบแล้ว สามารถเริ่มต้นสตรีมการจับภาพใหม่ได้