Bayer-Matrix

Als Bayer-Sensor bezeichnet man einen Fotosensor, der, ähnlich einem Schachbrett, mit einem Farbfilter überzogen ist, das meist zu 50% aus Grün, und je 25% aus Rot und Blau besteht. Dabei wird berücksichtigt, dass das menschliche Auge auf Grün empfindlicher reagiert als auf andere Farben.

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

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 (United States Patent 3,971,065; Patenttitel: Color imaging array).

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 Grün-Rot und in den geraden Zeile in der Folge Blau-Grün 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 müssen. 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 stochastisch nicht 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. Sie sind in der Regel geschwärzt, um damit das temperaturabhängige Grundrauschen des Sensors zu bestimmen. Dadurch wird ein Offsetwert für die Auswertung der anderen Pixel bestimmt. Diese Pixel lassen sich auch zur Erkennung von extremer Überbelichtung, beispielsweise 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.

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 beziehungsweise 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.

Weblinks

• Farbverarbeitung mit Bayer-Mosaik-Sensoren, Berechnungsalgorithmen zur Farbinterpolation bei einer Bayer-Matrix (PDF)
• Demosaicking: Color Filter Array Interpolation in Single-Chip Digital Cameras, Interpolationsalgorithmen (PDF, englisch)