बायर फिल्टर



एक बायर फिल्टर मोज़ेक एक रंग फिल्टर सरणी  (सीएफए) है, जो फोटोसेंसर्स के स्क्वायर ग्रिड पर  आरजीबी कलर फिल्टर्स को व्यवस्थित करता है। कलर फिल्टर की इसकी विशेष व्यवस्था का उपयोग डिजिटल कैमरे, कैमकोर्डर और स्कैनर में रंगीन छवि बनाने के लिए उपयोग किए जाने वाले अधिकांश सिंगल-चिप डिजिटल  इमेज सेंसर में किया जाता है। फ़िल्टर पैटर्न आधा हरा, एक चौथाई लाल और एक चौथाई नीला है, इसलिए इसे बीजीजीआर, आरजीबीजी  जीआरबीजी या आरजीजीबीभी कहा जाता है।

इसका नाम इसके आविष्कारक, ईस्टमैन कोडक के  ब्रायस बायर के नाम पर रखा गया है। बायर अपने पुनरावर्ती रूप से परिभाषित मैट्रिक्स के लिए भी जाना जाता है जिसका उपयोग क्रमित डाइथरिंग में किया जाता है।

बायर फ़िल्टर के विकल्पों में रंग और व्यवस्था के विभिन्न संशोधन और पूरी तरह से अलग-अलग प्रौद्योगिकियां शामिल हैं, जैसे कि रंग सह-साइट प्रतिचयन,  फोवोन X3 सेंसर ,  डाइक्रोइक फिल्टर या एक पारदर्शी विवर्तनिक-फ़िल्टर सरणी।

स्पष्टीकरण
[[File:Colorful spring garden Bayer + RGB.png|thumb|800x800पीएक्स|1. Original scene

2. Output of a 120×80-pixel sensor with a Bayer filter

3. Output color-coded with Bayer filter colors

4. Reconstructed image after interpolating missing color information

5. Full RGB version at 120×80-pixels for comparison (e.g. as a film scan, Foveon or pixel shift image might appear)]]1976 में ब्रायस बायर के पेटेंट (यू.एस. पेटेंट संख्या 3,971,065 ) ने हरे रंग के फोटोसेंसर को ल्यूमिनेन्स-सेंसिटिव एलिमेंट्स और लाल और नीले रंग के क्रोमिनेंस-सेंसिटिव एलिमेंट्स कहा। उन्होंने मानव आँख के शरीर क्रिया विज्ञान की नकल करने के लिए लाल या नीले रंग से दोगुने हरे तत्वों का उपयोग किया। दिन के उजाले में दृष्टि के दौरान, मानव रेटिना  की ल्यूमिनेन्स धारणा एम और एल शंकु कोशिकाओं को संयुक्त रूप से उपयोग करती है, जो हरे रंग की रोशनी के प्रति सबसे अधिक संवेदनशील होती हैं। इन तत्वों को सेंसर तत्वों के रूप में संदर्भित किया जाता है, जैसे:सेंसल्स, पिक्सेल सेंसर, या केवल पिक्सेल; उनके द्वारा अनुभूत किए गए सैंपल वैल्यू, इंटरपोलेशन के बाद, इमेज  पिक्सल  बन जाते हैं। जिस समय बायर ने अपना पेटेंट पंजीकृत किया, उसने  सीएमवाईके रंग मॉडल (सियान-मैजेंटा-पीला संयोजन) का उपयोग करने का भी प्रस्ताव दिया, जो विपरीत रंगों का एक और सेट है। यह व्यवस्था उस समय अव्यावहारिक थी क्योंकि आवश्यक रंग उपस्थित नहीं थे, लेकिन कुछ नए डिजिटल कैमरों में इसका उपयोग किया जाता है। नए सीएमवाई रंगों का बड़ा लाभ यह है कि उनमें श्रेष्ठ प्रकाश अवशोषण विशेषता है; यानी उनकी  क्वांटम दक्षता  अधिक होती है।

बायर-फिल्टर कैमरों के अधूरा आउटपुट को बायर पैटर्न छवि के रूप में संदर्भित किया जाता है। चूँकि प्रत्येक पिक्सेल को केवल तीन रंगों में से एक को रिकॉर्ड करने के लिए फ़िल्टर किया जाता है, प्रत्येक पिक्सेल का डेटा अपने आप में प्रत्येक लाल, हरे और नीले रंग के मानों को पूरी तरह से निर्दिष्ट नहीं कर सकता है। एक पूर्ण-रंग की छवि प्राप्त करने के लिए, प्रत्येक पिक्सेल के लिए पूर्ण लाल, हरे और नीले मानों के एक सेट को प्रक्षेपित करने के लिए विभिन्न डेमोसाइसिंग   एल्गोरिदम  का उपयोग किया जा सकता है। ये एल्गोरिदम किसी विशेष पिक्सेल के मानों का अनुमान लगाने के लिए संबंधित रंगों के आसपास के पिक्सेल का उपयोग करते हैं।

अलग-अलग एल्गोरिदम को अलग-अलग मात्रा में कंप्यूटिंग शक्ति की आवश्यकता होती है, जिसके परिणामस्वरूप अलग-अलग गुणवत्ता वाली अंतिम छवियां होती हैं। यह कैमरे में किया जा सकता है, जेपीईजी  या टीआईएफएफ छवि का निर्माण, या सेंसर से सीधे अधूरे डेटा का उपयोग कर कैमरे के बाहर किया जा सकता है। चूंकि कैमरा प्रोसेसर की प्रसंस्करण शक्ति सीमित है, इसलिए कई फ़ोटोग्राफ़र व्यक्तिगत कंप्यूटर पर इन कार्यों को मैन्युअल रूप से करना पसंद करते हैं। कैमरा जितना सस्ता होगा, इन कार्यों को प्रभावित करने के अवसर उतने ही कम होंगे। प्रोफेशनल कैमरों में, छवि सुधार कार्य पूरी तरह से अनुपस्थित हैं, या उन्हें बंद किया जा सकता है। अधूरे-प्रारूप में रिकॉर्डिंग मैन्युअल रूप से डिमॉज़िंग एल्गोरिदम का चयन करने और परिवर्तन पैरामीटर को नियंत्रित करने की क्षमता प्रदान करती है, जिसका उपयोग न केवल उपभोक्ता फोटोग्राफी में किन्तु विभिन्न तकनीकी और फोटोमेट्रिक समस्याओं को समाधान करने में भी किया जाता है।

प्रदर्शन
डेमोसाइसिंग विभिन्न विधियों से किया जा सकता है। सरल विधियाँ निकट में समान रंग के पिक्सेल के रंग मान को प्रक्षेपित करती हैं। उदाहरण के लिए, एक बार जब चिप किसी छवि के संपर्क में आ जाती है, तो प्रत्येक पिक्सेल को पढ़ा जा सकता है। हरे रंग के फिल्टर वाला पिक्सेल हरे रंग के घटक का यथार्थ माप प्रदान करता है। इस पिक्सेल के लिए लाल और नीले रंग के घटक पड़ोसियों से प्राप्त किए जाते हैं। एक हरे रंग के पिक्सेल के लिए, दो लाल पड़ोसियों को लाल मान प्राप्त करने के लिए प्रक्षेपित किया जा सकता है, साथ ही दो नीले पिक्सेल को नीला मान प्राप्त करने के लिए प्रक्षेपित किया जा सकता है।

यह सरल दृष्टिकोण निरंतर रंग या चिकनी ढाल वाले क्षेत्रों में अच्छी तरह से काम करता है, लेकिन यह उन क्षेत्रों में रंग रक्तस्राव जैसी कलाकृतियों का कारण बन सकता है जहां छवि में तेज किनारों के साथ विशेष रूप से ध्यान देने योग्य रंग या चमक में अकस्मात परिवर्तन होते हैं। इस कारण से, अन्य डेमोसाइजिंग विधियां उच्च-विपरीत किनारों की पहचान करने का प्रयास करती हैं और केवल इन किनारों के साथ प्रक्षेपित होती हैं, लेकिन उनके पार नहीं।

अन्य एल्गोरिदम इस धारणा पर आधारित हैं कि छवि में एक क्षेत्र का रंग प्रकाश की बदलती परिस्थितियों में भी अपेक्षाकृत स्थिर है, जिससे रंग चैनल एक दूसरे के साथ अत्यधिक सहसंबद्ध हों। इसलिए, हरे रंग के चैनल को पहले लाल और बाद में नीले चैनल में प्रक्षेपित किया जाता है, जिससे रंग अनुपात लाल-हरा संबंधित नीला-हरा स्थिर रहे। ऐसी अन्य विधियाँ हैं जो छवि सामग्री के बारे में अलग-अलग धारणाएँ बनाती हैं और लापता रंग मानों की गणना करने के इस प्रयास से प्रारंभ होती हैं।

कलाकृतियाँ
डिजिटल सेंसर की रिज़ॉल्यूशन सीमा के समीप छोटे पैमाने के विवरण वाली छवियां डिमोज़िंग एल्गोरिथम के लिए एक समस्या हो सकती हैं, जो एक परिणाम का उत्पादन करती है जो मॉडल जैसा नहीं दिखता है। मोइरे सबसे लगातार कलाकृतियां हैं, जो एक अवास्तविक भूलभुलैया जैसे पैटर्न में व्यवस्थित दोहराए जाने वाले पैटर्न, रंग कलाकृतियों या पिक्सेल के रूप में दिखाई दे सकती हैं।

झूठा रंग विरूपण साक्ष्य
कलर फिल्टर एरे (सीएफए) इंटरपोलेशन या डेमोसाइजिंग का एक सामान्य और दुर्भाग्यपूर्ण आर्टिफैक्ट है जिसे फाल्स रंग के रूप में जाना और देखा जाता है। सामान्यतः यह विरूपण साक्ष्य स्वयं को किनारों के साथ प्रकट करता है, जहां रंग में अकस्मात या अप्राकृतिक बदलाव किनारे के साथ-साथ गलत अंतरण के परिणामस्वरूप होता है। इस फाल्स रंग को रोकने और निकालने के लिए कई विधियाँ उपस्थित हैं। नकली रंगों को अंतिम छवि में स्वयं को प्रकट होने से रोकने के लिए डिमोसाइजिंग के दौरान स्मूद ह्यू ट्रांज़िशन इंटरपोलेशन का उपयोग किया जाता है। चूंकि, अन्य एल्गोरिदम भी हैं जो डेमोसाइसिंग के बाद फाल्स रंगों को निकाल सकते हैं। लाल और नीले रंग के विमानों को प्रक्षेपित करने के लिए एक अधिक मजबूत डेमोसाइजिंग एल्गोरिदम का उपयोग करते हुए छवि से फाल्स रंग की कलाकृतियों को निकालने का लाभ होता है।

ज़िपिंग आर्टिफैक्ट
ज़िप्पीरिंग आर्टिफैक्ट सीएफए डेमोसाइसिंग का एक और दुष्प्रभाव है, जो मुख्य रूप से किनारों के साथ होता है, जिसे ज़िप्पर प्रभाव के रूप में जाना जाता है। सामान्यतः, ज़िपरिंग एज ब्लरिंग का दूसरा नाम है जो किनारे के साथ ऑन/ऑफ पैटर्न में होता है। यह प्रभाव तब होता है जब डेमोसाइजिंग एल्गोरिथ्म एक किनारे पर पिक्सेल मानों को औसत करता है, विशेष रूप से लाल और नीले विमानों में, जिसके परिणामस्वरूप इसकी विशेषता धुंधला हो जाती है। जैसा कि पहले उल्लेख किया गया है, इस प्रभाव को रोकने के लिए सबसे अच्छी विधि विभिन्न एल्गोरिदम हैं जो छवि किनारों के अतिरिक्त साथ-साथ प्रक्षेपित होते हैं। पैटर्न रिकग्निशन इंटरपोलेशन, अडैप्टिव कलर प्लेन इंटरपोलेशन, और डायरेक्शनली वेटेड इंटरपोलेशन सभी छवि में पाए गए किनारों के साथ इंटरपोलेट करके ज़िपरिंग को रोकने का प्रयास करते हैं। चूंकि, एक सैद्धांतिक रूप से सही सेंसर के साथ भी जो प्रत्येक फोटोसाइट पर सभी रंगों को कैप्चर और अलग कर सकता है, मोइरे और अन्य कलाकृतियां अभी भी दिखाई दे सकती हैं। यह किसी भी प्रणाली का एक अपरिहार्य परिणाम है जो असतत अंतराल या स्थानों पर एक अन्यथा निरंतर संकेत का मानक लेता है। इस कारण से, अधिकांश फोटोग्राफिक डिजिटल सेंसर में ऑप्टिकल लो-पास फिल्टर (ओएलपीएफ) या एंटी - एलियासिंग फ़िल्टर  कहा जाता है। यह सामान्यतः सीधे सेंसर के सामने एक पतली परत होती है, और किसी भी संभावित समस्याग्रस्त विवरण को प्रभावी रूप से धुंधला करके काम करती है जो सेंसर के रिज़ॉल्यूशन से बेहतर होते हैं।

संशोधन
उपभोक्ता डिजिटल कैमरों पर बायर फ़िल्टर लगभग सार्वभौमिक है। विकल्पों में CYGM फ़िल्टर ( सियान, पीला , हरा,  मैजेंटा ) और RGBE फ़िल्टर (लाल, हरा, नीला,  पन्ना (रंग) ) शामिल हैं, जिन्हें समान डेमोसाइजिंग की आवश्यकता होती है। Foveon X3 सेंसर (जो मोज़ेक का उपयोग करने के अतिरिक्त लंबवत रूप से लाल, हरे और नीले रंग के सेंसर की परत बनाता है) और  3CCD  (प्रत्येक रंग के लिए एक) की व्यवस्था के लिए डेमोसैसिंग की आवश्यकता नहीं होती है।

पैनक्रोमेटिक कोशिकाएं


14 जून, 2007 को, ईस्टमैन कोडक ने बायर फ़िल्टर के विकल्प की घोषणा की: एक रंग-फ़िल्टर पैटर्न जो डिजिटल कैमरे में इमेज सेंसर के प्रकाश के प्रति संवेदनशीलता को कुछ पैनक्रोमेटिक कोशिकाओं का उपयोग करके बढ़ाता है जो दृश्य प्रकाश की सभी तरंग दैर्ध्य के प्रति संवेदनशील होते हैं और संवेदक पर पड़ने वाले प्रकाश की एक बड़ी मात्रा एकत्र करें। वे कई पैटर्न प्रस्तुत करते हैं, लेकिन कोई भी दोहराई जाने वाली इकाई के साथ बायर पैटर्न की 2×2 इकाई के रूप में छोटा नहीं है।



एडवर्ड टी. चांग द्वारा 2007 की एक और यू.एस. पेटेंट फाइलिंग, एक सेंसर का दावा करती है, जहां कलर फिल्टर में एक लाल, एक नीला, एक हरा और एक पारदर्शी पिक्सेल से बना पिक्सेल के 2×2 ब्लॉक वाला एक पैटर्न होता है, एक विन्यास में उच्च समग्र संवेदनशीलता के लिए इन्फ्रारेड संवेदनशीलता शामिल करने के लिए कोडक पेटेंट फाइलिंग पहले थी।

ऐसी कोशिकाओं का उपयोग पहले CMYW (सियान, मैजेंटा, पीला और सफेद) RGBW (लाल, हरा, नीला, सफेद) सेंसर में किया गया है।, लेकिन कोडक ने अभी तक नए फिल्टर पैटर्न की तुलना उनसे नहीं की है।

फुजीफिल्म EXR रंग फिल्टर सरणी


फुजीफिल्म का EXR कलर फिल्टर ऐरे CCD (SuperCCD) और CMOS सेंसर (BSI CMOS) दोनों में निर्मित होता है। सुपरसीसीडी की तरह, फ़िल्टर स्वयं 45 डिग्री घुमाया जाता है। पारंपरिक बायर फिल्टर डिजाइनों के विपरीत, हमेशा एक ही रंग का पता लगाने वाले दो आसन्न फोटोसाइट होते हैं। इस प्रकार की सरणी का मुख्य कारण पिक्सेल बिनिंग में योगदान करना है, जहां दो आसन्न फोटोसाइट्स को मर्ज किया जा सकता है, जिससे सेंसर स्वयं प्रकाश के प्रति अधिक संवेदनशील हो जाता है। एक और कारण सेंसर के लिए दो अलग-अलग एक्सपोजर रिकॉर्ड करने के लिए है, जिसे बाद में अधिक गतिशील रेंज वाली छवि बनाने के लिए मर्ज कर दिया जाता है। अंतर्निहित सर्किटरी में दो रीड-आउट चैनल होते हैं जो सेंसर की वैकल्पिक पंक्तियों से उनकी जानकारी लेते हैं। नतीजा यह है कि यह दो इंटरलीव्ड सेंसर की तरह काम कर सकता है, फोटोसाइट्स के प्रत्येक आधे हिस्से के लिए अलग-अलग एक्सपोजर समय के साथ। आधे फोटोसाइट्स को जानबूझकर अंडरएक्सपोज किया जा सकता है जिससे वे दृश्य के उज्जवल क्षेत्रों को पूरी तरह से कैप्चर कर सकें। यह निरंतर रखी गई हाइलाइट जानकारी को सेंसर के दूसरे आधे हिस्से से आउटपुट के साथ मिश्रित किया जा सकता है जो 'पूर्ण' एक्सपोजर रिकॉर्ड कर रहा है, फिर से इसी तरह के रंगीन फोटोसाइट्स के समीप अंतर का उपयोग कर रहा है।

फुजीफिल्म एक्स-ट्रांस फिल्टर
फुजीफिल्म X-Series के कई कैमरों में इस्तेमाल होने वाले फुजीफिल्म X-Trans CMOS सेंसर का दावा किया गया है बायर फिल्टर की तुलना में रंग मोरी के लिए बेहतर प्रतिरोध प्रदान करने के लिए, और इस तरह उन्हें एंटी-अलियासिंग फिल्टर के बिना बनाया जा सकता है। यह बदले में सेंसर का उपयोग करने वाले कैमरों को समान मेगापिक्सेल गणना के साथ उच्च रिज़ॉल्यूशन प्राप्त करने की अनुमति देता है। इसके अलावा, नए डिजाइन का दावा है कि प्रत्येक पंक्ति में लाल, नीले और हरे रंग के पिक्सेल होने से फाल्स रंगों की घटनाओं को कम किया जा सकता है। कहा जाता है कि इन पिक्सेल की व्यवस्था फिल्म की तरह फिल्म अनाज को अधिक प्रदान करती है।

कस्टम पैटर्न के लिए मुख्य कमियों में से एक यह है कि उन्हें एडोब फोटोशॉप लाइटरूम  जैसे थर्ड पार्टी रॉ इमेज फॉर्मेट प्रोसेसिंग सॉफ्टवेयर में पूर्ण समर्थन की कमी हो सकती है। जहां सुधार जोड़ने में कई साल लग गए।

क्वाड बायर
सोनी ने क्वाड बायर कलर फिल्टर ऐरे पेश किया, जिसे पहली बार 27 मार्च, 2018 को जारी  हुआवेई P20 प्रो  में प्रदर्शित किया गया था। क्वाड बायर बायर फिल्टर के समान है, चूंकि आसन्न 2x2 पिक्सेल एक ही रंग के हैं, 4x4 पैटर्न में 4x नीला, 4x लाल, और 8x हरा। गहरे रंग के दृश्यों के लिए, सिग्नल प्रोसेसिंग प्रत्येक 2x2 समूह से डेटा को अनिवार्य रूप से एक बड़े पिक्सेल की तरह संयोजित कर सकता है। उज्जवल दृश्यों के लिए, सिग्नल प्रोसेसिंग उच्च रिज़ॉल्यूशन प्राप्त करने के लिए क्वाड बायर को एक पारंपरिक बायर फ़िल्टर में परिवर्तित कर सकता है। क्वाड बायर में पिक्सल्स को लंबे समय तक इंटीग्रेशन और शॉर्ट-टाइम इंटीग्रेशन में सिंगल शॉट एचडीआर हासिल करने के लिए ऑपरेट किया जा सकता है, जिससे ब्लेंडिंग की समस्या कम होती है। क्वाड बायर को  सैमसंग  द्वारा  सैमसंग सीएमओएस,  ओमनीविजन टेक्नोलॉजीज  द्वारा 4-सेल के रूप में भी जाना जाता है, और  क्वालकॉम  द्वारा क्वाड सीएफए (क्यूसीएफए)। 26 मार्च, 2019 को, Huawei P30  को RYYB क्वाड बायर की विशेषता के साथ घोषित किया गया, जिसमें 4x4 पैटर्न 4x नीला, 4x लाल और 8x पीला था।

नॉनसेल
12 फरवरी, 2020 को सैमसंग गैलेक्सी एस20 अल्ट्रा  को नॉनसेल सीएफए के साथ पेश करने की घोषणा की गई। नॉनसेल सीएफए बायर फिल्टर के समान है, चूंकि आसन्न 3x3 पिक्सेल एक ही रंग के हैं, 6x6 पैटर्न में 9x नीला, 9x लाल और 18x हरा है।

यह भी देखें

 * ऑटोक्रोम ल्यूमीयर
 * पेनटाइल मैट्रिक्स परिवार

संदर्भ

 * on web

बाहरी कड़ियाँ

 * RGB "Bayer" Color and MicroLenses, Silicon Imaging (design, manufacturing and marketing of high-definition digital cameras and image processing solutions)
 * eLynx image processing library, Big set of Bayer mosaic manipulation source code licensed under the GPL.
 * Efficient, high-quality Bayer demosaic filtering on GPUs
 * Global Computer Vision
 * Review of Bayer Pattern Color Filter Array (CFA) Demosaicing with New Quality Assessment Algorithms
 * Digital Camera Sensors