Filtro Bayer

Un artefacto común y desafortunado de la interpolación o demosaico de la matriz de filtros de color (CFA) es lo que se conoce como coloración falsa. Normalmente, este artefacto se manifiesta en los bordes, donde se producen cambios de color abruptos o poco naturales como resultado de una interpolación incorrecta a través del borde, en lugar de a lo largo del mismo. Existen varios métodos para prevenir y eliminar esta coloración falsa. La interpolación de transición de tono suave se utiliza durante el demosaico para evitar que se manifiesten colores falsos en la imagen final. Sin embargo, existen otros algoritmos que pueden eliminar los colores falsos después del demosaico. Estos tienen la ventaja de eliminar los artefactos de coloración falsa de la imagen al tiempo que utilizan un algoritmo de demosaico más robusto para interpolar los planos de color rojo y azul.

El efecto de cremallera es otro efecto secundario del demosaico CFA, que también se produce principalmente a lo largo de los bordes y se conoce como efecto cremallera. En pocas palabras, el efecto cremallera es otro nombre para el desenfoque de bordes que se produce de forma intermitente a lo largo de un borde. Este efecto se produce cuando el algoritmo de demosaico promedia los valores de los píxeles sobre un borde, especialmente en los planos rojo y azul, lo que da como resultado su característico desenfoque. Como se mencionó anteriormente, los mejores métodos para prevenir este efecto son los diversos algoritmos que interpolan a lo largo de los bordes de la imagen, en lugar de a través de ellos. La interpolación por reconocimiento de patrones, la interpolación adaptativa del plano de color y la interpolación ponderada direccionalmente intentan prevenir el efecto cremallera interpolando a lo largo de los bordes detectados en la imagen.

Sin embargo, incluso con un sensor teóricamente perfecto que pudiera capturar y distinguir todos los colores en cada fotodiodo, aún podrían aparecer el efecto moiré y otros artefactos. Esta es una consecuencia inevitable de cualquier sistema que muestrea una señal continua en intervalos o ubicaciones discretas. Por esta razón, la mayoría de los sensores digitales fotográficos incorporan un filtro óptico de paso bajo (OLPF) o un filtro anti-aliasing (AA) . Este filtro suele ser una capa delgada situada directamente delante del sensor y funciona difuminando eficazmente cualquier detalle potencialmente problemático que sea más fino que la resolución del sensor.

El 14 de junio de 2007, Eastman Kodak anunció una alternativa al filtro Bayer: un patrón de filtro de color que aumenta la sensibilidad a la luz del sensor de imagen de una cámara digital mediante el uso de células pancromáticas sensibles a todas las longitudes de onda de la luz visible, que recogen una mayor cantidad de luz que incide sobre el sensor. ^{[ 12 ]} Presentan varios patrones, pero ninguno con una unidad repetitiva tan pequeña como la unidad de 2×2 del patrón Bayer.

Otra solicitud de patente estadounidense de 2007, presentada por Edward T. Chang, describe un sensor donde "el filtro de color tiene un patrón que comprende bloques de píxeles de 2×2 compuestos por un píxel rojo, uno azul, uno verde y uno transparente", en una configuración destinada a incluir sensibilidad infrarroja para una mayor sensibilidad general. ^{[ 13 ]} La solicitud de patente de Kodak fue anterior. ^{[ 14 ]}

Estas células se han utilizado anteriormente en sensores " CMYW " (cian, magenta, amarillo y blanco) ^{[ 15 ]} "RGBW" (rojo, verde, azul y blanco) ^{[ 16 ]} , pero Kodak aún no ha comparado el nuevo patrón de filtro con ellos.

Los filtros de color EXR de Fujifilm se fabrican tanto en CCD ( SuperCCD ) como en CMOS (BSI CMOS). Al igual que en el SuperCCD, el filtro está girado 45 grados. A diferencia de los filtros Bayer convencionales, siempre hay dos fotodiodos adyacentes que detectan el mismo color. La principal razón de este tipo de filtro es contribuir a la agrupación de píxeles, donde dos fotodiodos adyacentes se pueden combinar, lo que hace que el sensor sea más sensible a la luz. Otra razón es que el sensor registra dos exposiciones diferentes, que luego se combinan para producir una imagen con mayor rango dinámico. El circuito subyacente tiene dos canales de lectura que obtienen su información de filas alternas del sensor. El resultado es que puede funcionar como dos sensores entrelazados, con diferentes tiempos de exposición para cada mitad de los fotodiodos. La mitad de los fotodiodos se puede subexponer intencionalmente para que capturen completamente las áreas más brillantes de la escena. Esta información de altas luces retenida se puede luego combinar con la salida de la otra mitad del sensor que está registrando una exposición "completa", aprovechando nuevamente el espaciado reducido de los fotodiodos de colores similares.

Se afirma que el sensor Fujifilm X-Trans CMOS, utilizado en muchas cámaras de la serie X de Fujifilm ^{[ 17 ],} ofrece una mayor resistencia al efecto moiré de color que el filtro Bayer, lo que permite prescindir de un filtro anti-aliasing. Esto, a su vez, permite que las cámaras que utilizan este sensor alcancen una mayor resolución con la misma cantidad de megapíxeles. Además, se afirma que el nuevo diseño reduce la aparición de colores falsos, gracias a la presencia de píxeles rojos, azules y verdes en cada línea. Se dice que la disposición de estos píxeles también proporciona un grano más similar al de la película.

Una de las principales desventajas de los patrones personalizados es que pueden carecer de soporte completo en software de procesamiento RAW de terceros como Adobe Photoshop Lightroom ^{[ 18 ]} donde agregar mejoras llevó varios años. ^{[ 19 ]}

Sony introdujo la matriz de filtro de color Quad Bayer, que apareció por primera vez en la cámara frontal del iPhone 6 lanzado en 2014. Quad Bayer es similar al filtro Bayer, sin embargo, los píxeles adyacentes de 2×2 son del mismo color, el patrón de 4×4 presenta 4× azul, 4× rojo y 8× verde. ^{[ 20 ]} Para escenas más oscuras, el procesamiento de señal puede combinar datos de cada grupo de 2×2, esencialmente como un píxel más grande. Para escenas más brillantes, el procesamiento de señal puede convertir el Quad Bayer en un filtro Bayer convencional para lograr una mayor resolución. ^{[ 21 ]} Los píxeles en Quad Bayer pueden operar en integración de tiempo largo e integración de tiempo corto para lograr HDR de una sola toma, reduciendo los problemas de mezcla. ^{[ 22 ]} Quad Bayer también es conocido como Tetracell por Samsung , 4-cell por OmniVision , ^{[ 21 ] [ 23 ]} y Quad CFA (QCFA) por Qualcomm . ^{[ 24 ]}

El 26 de marzo de 2019, se anunció la serie Huawei P30 que incorpora RYYB Quad Bayer, con un patrón de 4×4 que incluye 4× azul, 4× rojo y 8× amarillo. ^{[ 25 ]}

El 12 de febrero de 2020 se anunció el Samsung Galaxy S20 Ultra con Nonacell CFA. Nonacell CFA es similar al filtro Bayer; sin embargo, los píxeles adyacentes de 3×3 son del mismo color, mientras que el patrón de 6×6 presenta 9 píxeles azules, 9 rojos y 18 verdes. ^{[ 26 ]}