RGB, YUV, Bayer: Piksel Formatları Arasındaki Gerçek Fark Nedir?

Bugün, endüstriyel kameraların önemli bir parametresi olan Piksel Formatı'ndan bahsedelim.

1. Piksel Formatı Nedir?

Piksel Formatı, bir kamera görüntü yakaladığında her bir pikselin depolama yöntemi ve veri organizasyon yapısını ifade eder. Endüstriyel kameralar, kullanıcıların ihtiyaçlarına göre uygun formatı seçmelerini sağlayan birden fazla piksel formatını destekler. Yaygın piksel formatlarına örnek olarak: Mono, Bayer, RGB, YUV vb. verilebilir.

2. Yaygın Piksel Formatları

(1) Mono Formatı

Mono formatı, ya da gri tonlama modu, genellikle gri tonlamalı görüntü alımı için kullanılır. Bu formatta, her piksel yalnızca aydınlık (parlaklık) bilgisi içerir ve renk bilgisi bulunmaz. Örneğin, Mono 10, her pikselin 10 bit kullanılarak saklandığını ifade eder.

(2) Bayer Formatı

Bayer formatı, renkli görüntü alımı için kullanılır ve Renk Filtre Dizisi'ni (CFA) uygular. Her piksel kırmızı, yeşil ve mavi renklerle ilgili bilgi içerir ancak genellikle her piksel bu renklerden yalnızca biri için değer kaydedebilir. Diğer renk değerleri komşu piksellerden yapılan interpolasyon ile elde edilir.

Bayer formatının birkaç farklı düzenleme deseni vardır, örneğin:

• RG, GB (Genellikle RGGB deseni olarak adlandırılır ve çift sayılı satırlar için renk kanallarını belirtir)

• BG, GR (Genellikle BGGR deseni olarak adlandırılır ve başka yaygın bir tarama sırasıdır)

(3) RGB Formatı

RGB formatı üç kanaldan oluşur ve sırasıyla Kırmızı, Yeşil ve Mavi için ışık şiddetini (luminans) kaydeder. Her piksel üç rengin bilgisini de içerir. RGB formatında, her piksel R, G ve B değerlerine karşılık gelen üç değerle temsil edilir.

(4) YUV Formatı

YUV formatı, video işleme işlemlerinde yaygın olarak kullanılan bir piksel formatıdır. Görüntü bilgisini Luminans (Y) ve Krominans (U, V) bileşenlerine ayırır. Y, parlaklık (gri tonlama) değerini temsil ederken, U ve V krominans (renk bilgisi) değerlerini temsil eder. İnsan gözü krominans değişimlerinden daha çok luminans değişimlerine duyarlı olduğu için YUV formatı sıkıştırılmış video uygulamalarında sıklıkla kullanılır.

Yaygın YUV formatları şunlardır:

• YUV 4:2:2

• YUV 4:4:4

• YUV 4:2:0

Bu formatlar farklı kroma altörnekleme yöntemlerini ifade eder. Genel olarak, daha küçük bir sayı (4:4:4'e kıyasla 4:2:0 gibi), daha az krominans bilgisi ve sonuç olarak daha küçük dosya boyutu anlamına gelir.

3. Piksel Formatı ve Paketleme

Piksel formatlarından bahsedilirken bazen "Sıkıştırılmış" format kavramı ortaya çıkar. Sıkıştırma, depolama alanı ve bant genişliği tasarrufu sağlamak için kullanılır. Paketlenmemiş bir formatta piksel verileri genellikle standart sınırlara (örneğin 16 bit gibi) hizalanmış daha büyük bir bellek alanında saklanır. Depolamayı optimize etmek için veri, gerçek bit derinliğine daha yakın olan daha küçük bir bellek alanına sıkıştırılabilir.

Örneğin:

• Mono 10, 10 bitlik verinin 16 bitlik bir alana sığdırıldığı, dolayısıyla 6 bitin boşa harcandığı paketlenmemiş bir formata işaret ediyor olabilir.

• Mono 10 Sıkıştırılmış, 10 bitlik veriyi daha verimli şekilde saklar; örneğin, birden fazla 10 bitlik pikseli ardışık baytlar halinde (örneğin 4 pikseli 5 bayta) sıkıştırarak depolama alanı ve iletim bant genişimi kazandırır. Sıkıştırma yöntemi farklılık gösterebilir.

4. Farklı Piksel Formatlarının Özellikleri  

(1) Monokrom Kamera: Mono Format

Monokrom kameralardan gelen ham veri genellikle yalnızca gri tonlama bilgisi içeren Mono formatındadır. Renk bilgisi bulunmadığı için görüntü veri hacmi nispeten küçüktür ve bu da daha yüksek depolama ve iletim verimliliğine yol açar.

(2) Renkli Kameralar: Bayer Formatı

Renkli kameralardan gelen ham veri genellikle Bayer formatını kullanır. Bu format, görüntü sensörü üzerine yerleştirilen farklı renk filtrelerini (Kırmızı, Yeşil, Mavi) kullanarak görüntü yakalar. Bayer formatının veri hacmi tam RGB'den daha küçüktür ancak renk bilgisi interpolasyon yoluyla (debayering/demosaicing) hesaplandığı için görüntü kalitesi renk çözünürlüğü ve potansiyel artefaktlar açısından gerçek RGB'ye kıyasla biraz daha düşük olabilir.

(3) RGB Formatı

RGB formatı yüksek kaliteli renkli görüntü alımı için uygundur. Her piksel üç RGB kanalının verisini içerir ve bu da daha zengin renkler sağlar. İnce renk işleme gerektiren senaryolar için uygundur. Ancak RGB formatının veri hacmi büyüktür.

(4) YUV Formatı

YUV formatı, video sinyal işleme için kullanılır. Parlaklık ve renk bilgisini ayırarak veri hacmini azaltır. Parlaklık bileşeni (Y) ana bileşen olduğundan ve insan gözü bu bileşene daha duyarlı olduğundan, renk bileşenleri (U, V) alt örneklenebilir (çözünürlüğü düşürülebilir), bu da etkili görüntü verisi sıkıştırmasına olanak tanır. Genellikle video iletimi ve depolama için kullanılır.

5. Piksel Formatları Arasındaki Farklar

(1) Piksel Başına Değer:

• Mono format: Her piksel yalnızca bir gri tonlamalı değer içerir.

• Bayer format: Her piksel yalnızca bir renk (Kırmızı, Yeşil veya Mavi) değeri kaydeder; diğer renk değerleri komşulardan interpolasyonla elde edilir.

• RGB format: Her piksel Kırmızı, Yeşil ve Mavi değerlerini içerir.

• YUV format: Görüntüyü Y (parlaklık) ve U, V (renk doğruluğu) bileşenlerine ayırır.

(2) Kare Başına Veri Boyutu:

• Mono format: Tipik olarak piksel başına 8, 10, 12 veya 16 bit.

• Bayer format: Genellikle RGB'den daha küçük ham veri boyutuna sahiptir ve genellikle piksel başına 8, 10 veya 12 bittir (debayer işleminden önce).

• RGB formatı: Daha fazla alan kaplar, yaygın olarak piksel başına 24 bit (kanal başına 8 bit x 3 kanal), genellikle RGB8 olarak gösterilir.

• YUV formatı: Boyutu örnekleme şekline göre değişir (örneğin, YUV422 genellikle ortalama piksel başına 16 bit kullanır, YUV420 ise ortalama piksel başına 12 bit kullanır).

(3) Kare Hızı Farkları:

Farklı veri hacimleri nedeniyle, piksel formatları arasında elde edilebilen kare hızları değişir. Genel olarak, Bayer formatı daha yüksek kare hızlarına ulaşabilir çünkü ham veri çıktısı daha küçüktür. RGB formatı, daha büyük veri boyutu nedeniyle genellikle daha düşük kare hızlarına neden olur. YUV formatının kare hızları genellikle Bayer ve RGB arasında yer alır ve alt örnekleme oranına bağlıdır.

(4) Görüntü Kalitesi Farkları:  

Renkli kameralar için, Bayer formatı görüntülerinin etkili renk çözünürlüğü biraz daha düşük olabilir ve renkler enterpolasyon yoluyla elde edildiği için potansiyel renk bozulmaları (moiré gibi) oluşabilir.

RGB formatı, renkler için enterpolasyon gerekmediği için piksel seviyesinde daha doğru ve zengin renkler sunar.

YUV formatındaki renk doygunluğu RGB'ye benzer olabilir, ancak aydınlık ve renk bilgisinin ayrılması, birçok görüntü işleme ve sıkıştırma görevi için daha verimli hale getirir.

6. Piksel Formatı Nasıl Ayarlanır

Piksel formatını ayarlamadan önce, kameranın görüntü edinim akışını durdurmak gerekir. Daha sonra kamera kontrol yazılımını kullanarak veya kameraların özellik ağacına (örneğin, GenICam üzerinden) erişerek Piksel Formatı ayarı altında istenen piksel formatı seçilir. Format değiştirildikten sonra, edinim akışı yeniden başlatılabilir.