Demosaicing

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  Sensorbild vor Demosaicing

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  Rekonstruiertes Bild nach Demosaicing

Als Demosaicing (auch: Demosaicking) bezeichnet man in der Digitalfotografie die Rekonstruktion einer farbigen Rastergrafik aus den unvollständigen Farbwerten eines mit Mosaik-Farbfiltern überlagerten Bildsensors.

Grundlagen

Darstellung der Bayer-Farbfiltermatrix auf einem Bildsensor

Die Bildsensoren der meisten Digitalkameras basieren auf Bayer-Sensoren. Hierbei handelt es sich um CCD-Sensoren, die mit einer Matrix aus regelmäßig angeordneten Rot-, Grün- und Blaufiltern überzogen sind. Da jedes Pixel nur den Wert eines Farbkanals aufnehmen kann, ist die Farbinformation unvollständig. Zur Erzeugung einer Rastergrafik, die vollständige RGB-Werte für jedes Pixel speichert, müssen benachbarte Grundfarben-Werte interpoliert werden.

Neben den Bayer-Sensoren gibt es noch Bildsensoren mit RGBE (Rot, Grün, Blau, Cyan)- oder CYGM (Cyan, Gelb, Grün, Magenta)-Filtern, die ebenfalls Demosaicing erfordern. Beim Foveon-X3-Direktbildsensoren oder Three-Shot-Sensoren werden für jedes Pixel die Werte aller drei Grundfarben aufgenommen; es ist daher kein Demosaicing nötig.

Das Demosaicing kann sowohl durch die Firmware der Kamera erfolgen, wobei ein JPEG- oder TIFF-Bild erzeugt wird, als auch auf ein Bild im Rohdatenformat angewandt werden.

Verfahren und Artefakte

Eine einfache Möglichkeit des Demosaicing ist die Interpolation mittels eines Rekonstruktionsfilters, zum Beispiel mittels bilinearer Filterung (siehe auch Skalierung). Hierbei kann es zu Unschärfe und anderen Bildartefakten kommen:

• „Reißverschlussartige“ Schachbrettmuster entstehen an Kanten, die nicht entlang der Farbfilter einer Grundfarbe verlaufen;
• Farbverschiebungen entstehen als Alias-Effekte, wenn die Farbfiltermatrix mit regelmäßig angeordneten Bilddetails interferiert.^[1]

Es wurden zahlreiche weitere Demosaicing-Verfahren entwickelt, mit dem Ziel, diese Artefakte zu vermindern oder zu eliminieren.^[2] Dazu gehören:

• Farbton-Interpolation: Anstatt RGB-Werte individuell zu interpolieren, werden nur die Farbton-Werte, definiert als $\left(\frac{R}{G}, \frac{B}{G}\right)$, interpoliert.^[3] Diese Methode zählt zu den ersten, die in kommerziellen digitalen Kamerasystemen zum Einsatz kamen.
• Medianfilter: Im ersten Schritt wird ein Bild durch bilineare Filterung erzeugt. Anschließend wird ein Medianfilter auf die Differenzen der Farbkanäle (z. B. R − G und B − G) in diesem Bild angewandt. Aus den beiden mediangefilterten Farbdifferenzbildern und dem ursprünglichen Sensorbild wird dann das Ausgabebild berechnet. Der Rotwert eines grünen Sensorpixels wird zum Beispiel berechnet, indem der Wert des mediangefilterten R−G–Bildes zum Grünwert addiert wird.^[4]
• Kantenbasierte Interpolation: Im ersten Schritt wird aus den Grünwerten des Sensorbildes ein interpoliertes Helligkeitsbild erzeugt. Im zweiten Schritt wird aus den Rot- und Blauwerten ein interpoliertes Farbdifferenzbild erzeugt (R − G bzw. B − G). Hierbei findet eine einfache Kantendetektion statt, sodass in der Regel nur zwischen zwei horizontal oder vertikal benachbarten Werten interpoliert wird. Aus diesen Farbdifferenzbildern werden dann die Chrominanzkanäle (R und B) rekonstruiert.^[5]
• Mustererabgleich und -erkennung: Es werden Techniken wie Pattern Matching oder Mustererkennung verwendet, um die fehlenden Farbwerte zu rekonstruieren.^[6]

Literatur

• Richard Szeliski: Computer Vision: Algorithms and Applications, S. 440 f. Springer, London 2011, ISBN 978-1-84882-934-3

Weblinks

• Vergleich verschiedener Demosaicing-Verfahren

Einzelnachweise

1. ↑ Lanlan Chang , Yap-Peng Tan: Hybrid color filter array demosaicking for effective artifact suppression. Journal of Electronic Imaging 15, 1 (Jan.–März 2006): 013003, ISSN 1017-9909
2. ↑ Rajeev Ramanath u. a.: Demosaicking methods for Bayer color arrays. Journal of Electronic Imaging 11, 3 (Juli 2002): 306–315 (PDF, 560 KB)
3. ↑ Patent US4642678: Signal processing method and apparatus for producing interpolated chrominance values in a sampled color image signal. Erfinder: David R. Cok.
4. ↑ Patent US4724395: Median filter for reconstructing missing color samples. Erfinder: William T. Freeman.
5. ↑ Siehe u. a.Patent US5373322: Apparatus and method for adaptively interpolating a full color image utilizing chrominance gradients. Erfinder: Claude A. Laroche, Mark A. Prescott.
6. ↑ Siehe etwa: W. XiaoLin, C. K. Wai, B. Paul: Color Restoration from Digital Camera Data by Pattern Matching. Proceedings of SPIE 3018 (1997): 12–17