RGB, YUV, Bayer: Sự Khác Biệt Thực Tế Giữa Các Định Dạng Pixel Là Gì?

Hôm nay, hãy cùng nói về một thông số quan trọng của camera công nghiệp – Định Dạng Pixel.

1. Định Dạng Pixel Là Gì?

Định dạng Pixel đề cập đến phương pháp lưu trữ và cấu trúc tổ chức dữ liệu của từng điểm ảnh khi camera chụp hình. Camera công nghiệp hỗ trợ nhiều định dạng pixel, cho phép người dùng lựa chọn định dạng phù hợp theo nhu cầu. Các định dạng pixel phổ biến bao gồm: Mono, Bayer, RGB, YUV, v.v.

2. Các Định Dạng Pixel Phổ Biến

(1) Định Dạng Mono

Định dạng Mono, hay chế độ đơn sắc, thường được dùng để thu ảnh xám. Trong định dạng này, mỗi điểm ảnh chỉ chứa thông tin về độ sáng (độ chói) và không có thông tin màu sắc. Ví dụ, Mono 10 nghĩa là mỗi điểm ảnh được lưu trữ bằng 10 bit.

(2) Định dạng Bayer

Định dạng Bayer được sử dụng để thu ảnh màu và sử dụng mảng lọc màu (CFA). Mỗi điểm ảnh chứa thông tin về các màu đỏ, lục và lam, nhưng thông thường, mỗi điểm ảnh chỉ có thể ghi lại giá trị của một trong ba màu này. Các giá trị màu còn lại được xác định bằng cách nội suy từ các điểm ảnh lân cận.

Định dạng Bayer có một số kiểu sắp xếp khác nhau, ví dụ:

• RG, GB (Thường được gọi là mẫu RGGB, chỉ các kênh màu cho các hàng có số chẵn)

• BG, GR (Thường được gọi là mẫu BGGR, một thứ tự quét phổ biến khác)

(3) Định dạng RGB

Định dạng RGB bao gồm ba kênh, ghi lại thông tin độ sáng cho các màu Đỏ, Xanh lá và Xanh dương tương ứng. Mỗi điểm ảnh chứa thông tin về cả ba màu. Trong định dạng RGB, mỗi điểm ảnh được biểu diễn bằng ba giá trị tương ứng với R, G và B.

(4) Định dạng YUV

Định dạng YUV là một định dạng điểm ảnh thường được sử dụng trong xử lý video. Nó tách thông tin hình ảnh thành các thành phần Độ sáng (Y) và Độ sắc màu (U, V). Y biểu thị độ sáng (độ đậm nhạt/thang xám), trong khi U và V biểu thị độ sắc màu (thông tin màu sắc). Định dạng YUV thường được dùng trong nén video vì mắt người nhạy cảm hơn với sự thay đổi độ sáng so với sự thay đổi độ sắc màu.

Các định dạng YUV phổ biến bao gồm:

• YUV 4:2:2

• YUV 4:4:4

• YUV 4:2:0

Các định dạng này đề cập đến các phương pháp lấy mẫu sắc màu phụ khác nhau. Nói chung, con số nhỏ hơn (như trong 4:2:0 so với 4:4:4) có nghĩa là thông tin sắc màu ít hơn và kích thước tệp kết quả nhỏ hơn.

3. Định dạng điểm ảnh và cách sắp xếp

Khi thảo luận về các định dạng pixel, khái niệm định dạng "Packed" (đóng gói) đôi khi được đề cập. Việc đóng gói được sử dụng để tiết kiệm không gian lưu trữ và băng thông. Trong một định dạng chưa đóng gói, dữ liệu pixel thường được lưu trữ trong không gian bộ nhớ lớn hơn, căn chỉnh theo các ranh giới tiêu chuẩn (ví dụ như 16 bit). Để tối ưu hóa việc lưu trữ, dữ liệu có thể được đóng gói vào một không gian bộ nhớ nhỏ hơn, sát với độ sâu bit thực tế của nó hơn.

Ví dụ:

• Mono 10 có thể ngụ ý một định dạng chưa đóng gói, trong đó dữ liệu 10 bit chiếm dụng không gian 16 bit, làm lãng phí 6 bit.

• Mono 10 Packed sẽ lưu trữ dữ liệu 10 bit hiệu quả hơn, ví dụ như đóng gói nhiều pixel 10 bit vào một chuỗi byte (ví dụ: 4 pixel vào 5 byte), từ đó tiết kiệm không gian lưu trữ và băng thông truyền tải. Phương pháp đóng gói cụ thể có thể khác nhau.

4. Đặc điểm của Các Định dạng Pixel Khác nhau  

(1) Camera Đơn sắc: Định dạng Mono

Dữ liệu thô từ các camera đơn sắc thường ở định dạng Mono, chỉ chứa thông tin thang độ xám. Do không có thông tin màu, khối lượng dữ liệu hình ảnh tương đối nhỏ, dẫn đến hiệu quả lưu trữ và truyền tải cao hơn.

(2) Camera Màu: Định dạng Bayer

Dữ liệu thô từ camera màu thường sử dụng định dạng Bayer. Định dạng này ghi lại hình ảnh bằng cách sử dụng các bộ lọc màu khác nhau (Đỏ, Lục, Lam) trên cảm biến hình ảnh. Khối lượng dữ liệu của định dạng Bayer nhỏ hơn so với RGB đầy đủ, nhưng do thông tin màu được tính toán thông qua nội suy (debayering/demosaicing), chất lượng hình ảnh có thể kém hơn một chút so với RGB thực sự về độ phân giải màu và khả năng phát sinh các hiện tượng nhiễu hình ảnh.

(3) Định dạng RGB

Định dạng RGB phù hợp cho việc thu nhận hình ảnh màu chất lượng cao. Mỗi điểm ảnh chứa dữ liệu cho cả ba kênh RGB, mang lại màu sắc phong phú hơn. Nó phù hợp với các tình huống yêu cầu xử lý màu sắc tinh tế. Tuy nhiên, khối lượng dữ liệu của định dạng RGB là lớn.

(4) Định dạng YUV

Định dạng YUV được sử dụng trong xử lý tín hiệu video. Nó giảm khối lượng dữ liệu bằng cách tách thông tin độ sáng và thông tin màu sắc. Vì thành phần độ sáng (Y) là phần chính và mắt người nhạy cảm hơn với nó, nên các thành phần màu sắc (U, V) có thể được lấy mẫu dưới mức (giảm độ phân giải), cho phép nén dữ liệu hình ảnh hiệu quả. Định dạng này thường được dùng trong truyền tải và lưu trữ video.

5. Sự khác biệt giữa các định dạng điểm ảnh

(1) Giá trị trên mỗi điểm ảnh:

• Định dạng Mono: Mỗi điểm ảnh chỉ chứa một giá trị thang xám.

• Định dạng Bayer: Mỗi điểm ảnh ghi lại giá trị của chỉ một màu (R, G hoặc B); các giá trị màu còn lại được nội suy từ các điểm ảnh lân cận.

• Định dạng RGB: Mỗi điểm ảnh chứa các giá trị R, G và B.

• Định dạng YUV: Tách hình ảnh thành các thành phần Y (độ sáng) và U, V (màu sắc).

(2) Kích thước dữ liệu trên mỗi khung hình:

• Định dạng Mono: Thông thường là 8, 10, 12 hoặc 16 bit trên mỗi điểm ảnh.

• Định dạng Bayer: Thường có kích thước dữ liệu thô nhỏ hơn RGB, thường là 8, 10 hoặc 12 bit trên mỗi điểm ảnh (trước khi debayering).

• Định dạng RGB: Chiếm nhiều không gian hơn, thường là 24 bit mỗi điểm ảnh (8 bit mỗi kênh x 3 kênh), thường được ký hiệu là RGB8.

• Định dạng YUV: Kích thước thay đổi tùy theo cách lấy mẫu (ví dụ: YUV422 thường sử dụng trung bình 16 bit mỗi điểm ảnh, YUV420 sử dụng trung bình 12 bit mỗi điểm ảnh).

(3) Sự khác biệt về tốc độ khung hình:

Do khối lượng dữ liệu khác nhau, tốc độ khung hình đạt được khác nhau giữa các định dạng điểm ảnh. Nói chung, định dạng Bayer có thể đạt tốc độ khung hình cao hơn vì dữ liệu đầu ra thô của nó nhỏ hơn. Định dạng RGB thường dẫn đến tốc độ khung hình thấp hơn do kích thước dữ liệu lớn hơn. Tốc độ khung hình của định dạng YUV thường nằm giữa Bayer và RGB, tùy thuộc vào việc giảm mẫu.

(4) Sự khác biệt về chất lượng hình ảnh:  

Đối với camera màu, hình ảnh định dạng Bayer có thể có độ phân giải màu hiệu dụng thấp hơn một chút và có khả năng xuất hiện các hiện tượng sai màu (như moiré) do màu sắc được nội suy.

Định dạng RGB cung cấp màu sắc chính xác và phong phú hơn ngay tại mức điểm ảnh, vì không cần nội suy màu.

Độ bão hòa màu của định dạng YUV có thể tương tự như RGB, nhưng việc tách biệt độ sáng và thông tin màu sắc khiến nó hiệu quả hơn cho nhiều tác vụ xử lý ảnh và nén ảnh.

6. Cách Thiết Lập Định Dạng Pixel

Trước khi thiết lập định dạng pixel, cần phải dừng luồng thu thập hình ảnh của camera. Sau đó, sử dụng phần mềm điều khiển camera hoặc truy cập cây thuộc tính của camera (ví dụ: thông qua GenICam), chọn định dạng pixel mong muốn trong mục Thiết Lập Định Dạng Pixel. Sau khi thay đổi định dạng, có thể khởi động lại luồng thu thập.