Bayer-Sensor

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Unter einem Bayer-Sensor bezeichnet man einen Fotosensor der, ähnlich einem Schachbrett, mit einem Farbfilter überzogen ist, das zu 50% aus Grün, und je 25% aus Rot und Blau besteht. Dabei wird ausgenutzt, dass das menschliche Auge auf grün empfindlicher reagiert als auf andere Farben, was in den Anforderungen an den Sensor und später in der Umsetzung einfach berücksichtigt wurde.

Nach diesem Konzept der Bayer-Matrix (engl. Bayer-Pattern) arbeiten fast alle gebräuchlichen Farb-Sensoren in den Produkten für den normalen Konsumenten. Das Konzept des Sensortyps steht im Gegensatz zum Konzept der FOVEON X3 Direkt-Bildsensoren.

Inhaltsverzeichnis

1 Ursprung
2 Funktionsweise und Aufbau
3 Interpolation
4 Auflösungen
- 4.1 Bewertung der Pixelzahl
  - 4.1.1 Produktwerbung ohne technische Details
5 Weblinks

[Bearbeiten] Ursprung

Die "Bayer-Matrix" oder "Bayer-Filter" ist nach ihrem Erfinder Bryce E. Bayer benannt, welcher am 5. März 1975 das Patent im Namen der Eastman Kodak Company in den USA einreichte.

[Bearbeiten] Funktionsweise und Aufbau

Die lichtempfindlichen Zellen einer einzelnen Fotozelle auf dem Halbleiter können nur Helligkeitswerte erfassen. Um Farbinformationen zu erhalten, wird vor jeder einzelnen Zelle ein winziger Farbfilter in einer der drei Grundfarben Rot, Grün oder Blau aufgebracht. Die Filter sind beispielsweise in den ungeraden Zeilen in der Folge Rot-Grün und in den geraden Zeile in der Folge Grün-Blau aufgebracht. Jeder Farbpunkt (Pixel) liefert dementsprechend nur Informationen für eine einzige Farbkomponente an dieser Stelle, so dass für ein vollständiges Bild mit denselben Abmessungen die jeweils benachbarten Pixel derselben Farbe zur Farbinterpolation herangezogen werden müssen. Für Grün werden somit 50% der Pixel errechnet, bei Blau und Rot sind es jeweils 75% der Fläche (oder in einer Zeile 50% und in der Folgezeile 100% der Zeile), die durch Berechnung gefüllt werden mussen. Bei der Farbinterpolation unterstellt man, dass es im Bild zwischen zwei benachbarten Pixeln gleicher Farbe nur zu geringen Farbunterschieden kommt und somit die Grauwerte der Pixel nicht stochastisch unabhängig voneinander sind. Dies muss natürlich nicht in jedem Einzelfall für das zu erfassende Bildmotiv zutreffen.

Ein solcher Sensor verfügt physikalisch fast immer über weitere Pixel, die sich am Rand der Sensorfläche befinden, die aber in der Regel geschwärzt sind, um damit das temperaturabhängige Grundrauschen des Sensors zu bestimmen, womit ein Offsetwert für die Auswertung der anderen Pixel bestimmt werden kann. Diese lassen sich auch zur Erkennung von krasser Überbelichtung, z.B. durch zu große Integrationszeit (=Belichtungszeit) der Sensorelemente, verwenden. Sie sind für den normalen Kamera-Anwender jedoch ohne Bedeutung, da der Abgleichvorgang automatisch abläuft und je nach Modell, teils sogar schon direkt auf dem Sensor realisiert wird.

[Bearbeiten] Interpolation

Die erwähnte Interpolation kann auf verschiedene Arten durchgeführt werden. Einfache Verfahren interpolieren den Farbwert aus den Pixeln gleicher Farbe in der Nachbarschaft. Da dieses Vorgehen vor allem senkrecht zu Kanten problematisch ist, versuchen andere Verfahren, die Interpolation gerade bevorzugt entlang, anstatt senkrecht von Kanten durchzuführen. Wieder andere Algorithmen beruhen auf der Annahme, dass der Farbton einer Fläche im Bild auch bei sich ändernden Lichtverhältnissen relativ konstant ist. Daher wird zuerst der grüne Kanal interpoliert, um danach den roten und den blauen Kanal so zu interpolieren, dass die jeweiligen Farbverhältnisse Rot-Grün bzw. Blau-Grün konstant sind. Es existieren noch weitere Verfahren, die andere Annahmen über den Bildinhalt machen und von diesen ausgehend versuchen, die fehlenden Farbwerte zu berechnen.

[Bearbeiten] Auflösungen

Aufgrund von unterschiedlichen Seitenververhältnisse der CCDs von meist 4:3 oder 3:2 und der Anlehnung an das Binärsystem sowie das VGA-Format (4:3) und dessen Vielfachen ergeben sich für Digitalfotografie und HDTV mehrere gebräuchliche Auflösungen. Diese sind:

Breite	Höhe	Pixelanzahl	beworbene Pixelzahl	Seitenverhältnis	Bemerkung
320	240	76.800		4:3	0,5 x VGA*
640	480	307.200	0,3 MegaPixel	4:3	1 x VGA
1.024	768	786.432		4:3
1.280	960	1.228.800		4:3	2 x VGA**
1.280	1024	1.310.720	1,3 MegaPixel	5:4	Häufig bei Handykameras
1.600	1.200	1.920.000	2 MegaPixel	4:3
1.920	1.280	1.457.600		3:2
1.920	1.440	2.764.800	3 MegaPixel	4:3	3 x VGA**
2.048	1.536	3.145.728	3 MegaPixel	4:3
2.272	1.704	3.871.488	4 MegaPixel	4:3
2.560	1.920	4.915.200	5 MegaPixel	4:3	4 x VGA**
3.072	2.048	6.291.456	6 MegaPixel	3:2

Hinweise:
*Die Fläche beträgt nur 25% von VGA.
**Die Fläche ist quadratisch zu der hier angegebenen Zahl. Z.B. hat „4x VGA“ die 16-fache Fläche von VGA.

[Bearbeiten] Bewertung der Pixelzahl

Für einen einzeln zu erwerbenden Sensor sind die Auflösungsdaten und die Anordnung der verwendeten Farbmaske über das zugehörige Datenblatt in der Regel bekannt.

Für eine Digitalkamera wird vom Hersteller dagegen meist nur die Auflösung als Summe der Farbpixel angegeben. Welche Auflösung eine Kamera in der Praxis tatsächlich leistet, muss dagegen im Labortest festgestellt werden. Dort wird gemessen, wieviele Linien einer Testtafel das Modell beim Fotografieren tatsächlich unterscheiden kann.

Um die Auflösung einer Ein-Chip-Digitalkamera mit Bayer-Matrix mit der einer Drei-Chip-Digitalkamera zu vergleichen, sollte die angegebene Pixelzahl meist durch drei geteilt und mit zwei multipliziert werden, da mit Pixeln die Farbpunkte des Sensors und nicht die ebenfalls als Pixel bezeichneten Bildpunkte angegeben werden.

In der Praxis finden sich auch andere Umrechungsfaktoren. Zum Beispiel interpoliert eine Arri-Kamera vom Typ D 20 aus einem Sensor mit 2880×1620 Farbpixeln ein Bild mit 1920×1080 Bildpunkten. Die Pixelzahl muss also durch 2,25 geteilt werden.

[Bearbeiten] Produktwerbung ohne technische Details

Es gibt im Gegensatz hierzu spezielle Profi-Digitalcamcorder wie den Sony HDR-HC1, die zwar nur einen Chip benutzen, aber keinen Bayer-Sensor besitzen. Sie erreichen mit 3 Millionen Farbpixeln (Brutto-Pixel) nur 1 Million Bildpunkte (effektive Pixelzahl). Dafür entspricht jedes Bildpixel auch einem Farbelement auf dem Sensor, da jeweils ein rotes, grünes und blaues Farbelement zu genau einem Bildpunkt zusammengefügt wird anstatt zwei grüne ein rotes und ein blaues zu einem Bildpunkt. Jedem Bildpunkt ist somit ein echtes Tripel anstatt einem echten Quartet aus Rot-Grün-Blau zugeordnet.