デジタルカメラで使用されるような典型的な イメージセンサー は、光を捉える多数の個別の光センサーで構成されています。これらの光センサーは、光の強度を本来的に捉えることはできますが、その波長 (色) を捉えることはできません。その結果、イメージセンサーには通常、「カラーフィルターアレイ」または「カラーフィルターモザイク」と呼ばれるものが重ねられます。このオーバーレイは、既知のピクセルをカバーし、色情報をレンダリングできるようにする多数の小さなフィルターで構成されています。
デジタル画像のプロセッサは、基本的に、さまざまな補間されたカラー フィルターからの色データとピクセルによって記録された相対的な明るさを平均化することで、領域の色をデコードできます。現代のデバイスで使用されている最も一般的なフィルター配置の1つは、ベイヤー フィルターと呼ばれます。
ブライス・ベイヤーとベイヤーフィルター
ベイヤーフィルターは、イーストマン・コダックの従業員であったブライス・ベイヤーによって1974年に発明されました。ベイヤーのマイクロフィルターの配置がRGGBと呼ばれることもあるでしょう。これは、赤 (R) と青 (B) のフィルター要素ごとに、緑のフィルター要素 (GG) を2つずつ使用する配置になっているためです。配列全体は2x2のピクセル ブロックに広がっており、各マイクロフィルターは次のようにピクセルの4分の1をカバーします。
G R G R
B G B G
G R G R
B G B G
ベイヤーフィルタ設計とデモザイク処理
人間の網膜は、日中の視覚では緑色の光に対して自然に敏感だということをご存知ですか?ベイヤーはこの知識を利用して、人間の視覚を模倣するために、緑色の光を好むフィルター比率 を選択しました。彼は、シアン、マゼンタ、イエローをカラーセットとするフィルターの別のバージョンを提案しましたが、当時は必要な染料が存在しなかったため、ずっと後になってから作成されました。CMYバージョンは量子効率が高く、一部の新しいデジタル カメラに搭載されています。
各ピクセルは3つの原色すべてからの入力を受け取りますが、各ピクセルは3つのうち1つの色のみを記録するため、完全な波長情報を出力することはできません。したがって、「ベイヤーパターン」画像からフルカラー画像に移行するには、カメラのファームウェアとソフトウェアの両方でさまざまなアルゴリズムを使用して、各ピクセルのフルカラー値を理解できます。このプロセスはデモザイクと呼ばれます。
最も単純なデモザイク アルゴリズムでは、近くのピクセルの入力を平均化して、完全な色の概要を取得します。次に例を示します。
- 緑を記録するピクセルの両側に、青を記録するピクセルが2つ、赤を記録するピクセルが2つある場合があります。
- これら5つのピクセルを組み合わせることで、緑のフルカラー値を推定するための情報が提供されます。
- 同様に、この完全な色の値は、周囲の青と赤の緑の値の推定に貢献します。
このデモザイク技術は、色が一定であるか、または変化がスムーズな広い領域ではうまく機能しますが、色が急激に変化する高コントラスト領域では、細部が失われ、色のにじみやジッパーのようなその他の色のアーティファクトが発生する可能性があります。より洗練されたアルゴリズムでは、色の値の相関関係や画像の内容について複雑な一連の仮定を立てて、より正確に色をレンダリングします。
まとめ
ベイヤー フィルターは、発明者のブライス ベイヤーにちなんで名付けられた、イメージ センサー用のマイクロフィルター オーバーレイで、これにより、通常は光の強度のみを記録するフォトセンサーが光の波長も記録できるようになります。ベイヤー フィルターはそのようなフィルターの中で最も一般的であり、ほぼすべての最新のデジタル カメラで使用されています。このフィルターは、緑2部、赤1部、青1部のモザイク パターンを使用して、センサーに到達する色情報を解釈します。記録されると、デジタル アルゴリズムが適用され、結果として得られたベイヤー パターンが補間または「デモザイク」され、画像の本格的なカラー データに変換されます。