واژه cfa مخفف عبارت “ color filter array” به معنی آرایه فیلتر رنگی است. آرایه یا موزاییک فیلتر رنگی (cfa) در دوربین‌های نظارتی، موزاییکی از فیلترهای رنگی ریز (معمولا قرمز، سبز و آبی) است، که پیکسل‌های تشکیل دهنده سنسور را پوشش می‌دهند تا اطلاعات رنگی را ثبت کند. پیکسل‌هایی که روی حسگر دوربین مدار بسته قرار می‌گیرند، از دیودهای حساس به نور تشکیل شده اند. این دیودها با توجه به میزان روشنایی سنجیده می‌شوند. از آنجاییکه سلول‌های حساس به نور تک فام هستند، نمی‌توانند طول موجهای مختلف نور را از هم تشخیص دهند. به همین دلیل، در آرایه فیلترهای رنگی موزاییکی (cfa) که در بخش بالایی حسگر قرار دارند، شدت نور ثبت شده در پیکسل را محدود می‌کنند تا با طول موجهای منتقل شده توسط آن رنگ مرتبط باشند.
اطلاعات مربوط به ویژگی‌های طیفی هر رنگ از یک آرایه فیلتر و شدت سیگنال در هر مکان پیکسل توسط الگوریتم demosaicing (غیر موزاییکی) دریافت و به صورت یک تصویر دیجیتالی با کد رنگی خارج می‌شود.
ویدیو مربوط به cfa
انواع الگوهای آرایه فیلتر رنگی (cfa)
دوربین‌های دیجیتالی از جمله دوربین‌های امنیتی از آرایه‌های مستطیل شکل حسگرهای نور استفاده می‌کنند که به “سنسور پیکسل” نیز معروف هستند. حسگرهای پیکسل شامل “فتودیود” یا ” حفره فتوسیت” می‌باشند. فتودیو نوعی سنسور نوری است و نور را از محیط اطراف جذب و آن را به جریان الکتریکی تبدیل می‌کند. زمانیکه دکمه شاتر دوربین زده می‌شود، ذرات نوری به نام فوتون وارد حفره فتوسیت می‌شوند.
فتوسیت‌ها تک رنگ هستند و فقط می‌توانند رنگ سیاه و سفید را تشخیص دهند. بنابراین، یک آرایه فتوسیت به تنهایی نمی‌تواند میزان رنگی که هر حفره فتوسیت در طول نوردهی گرفته است را مشخص کند. از این رو، با قرار دادن یک فیلتر رنگی سبز، قرمز یا آبی روی فتوسیت می‌توان یک عکس رنگی تولید کرد. هر فیلتر رنگی تنها به نور همرنگ اجازه ورود به حفره فتوسیت را می‌دهد. به عنوان مثال، در فیلتر رنگی قرمز، فقط نور قرمز وارد حفره فتوسیت می‌شود.
آرایه فیلتر رنگی بایر (Bayer)
الگوی فیلتر رنگی Bayer یکی از متداول‌ترین آرایه‌های فیلتر رنگی است که جهت چیدمان فیلترهای رنگی RGB روی شبکه مربعی از حسگرهای نور استفاده می‌شود. این نوع آرایه بیشتر در حسگرهای تصویر دیجیتالی تک تراشه‌ای جهت ایجاد یک تصویر رنگی کاربرد دارد. حسگرهای تصویر دیجیتالی تک تراشه در دوربین‌های دیجیتالی، دوربین فیلمبرداری و اسکنرها کاربرد دارند. الگوی فیلتر بایر 50درصد سبز، 25 درصد قرمز و 25 درصد آبی است. از آنجایی که چشم انسان به راحتی رنگ سبز را دریافت می‌کند، میزان فیلترهای سبز رنگ در آرایه فیلتر Bayer دو برابر رنگ قرمز و آبی است.
الگوی موزاییک توسط الگوریتم demosaicing تبدیل می شود. الگوی demosaicing یک برنامه ذخیره شده در دوربین‌های دیجیتالی از جمله دوربین امنیتی است که داده‌های دریافتی از فیلترهای رنگی را در فتوسیت گرفته و رنگ‌های پیکسل مجاور را برای ایجاد یک تصویر رنگی ترکیب می‌کند. این فرایند تصویری با وضوح بالا ایجاد می‌کند.
آرایه رنگی RGBW
فیلتر رنگی RGBW نوع تکامل یافته موزاییک فیلتر رنگ بایر است. این فیلتر آرایش رنگ شامل ماتریس حسگر قرمز، سبز، آبی و سفید است. RGBW این امکان را برای ما فراهم می‌آورد تا اطلاعاتی که نمی‌توانیم از طریق چشم جذب کنیم، کاهش دهیم. الگوی RGBW در حقیقت، بی فایده بودن برخی پیکسل‌ها را به حداقل می‌رساند. نمایشگرهایی که با فیلتر آرایش رنگ RGBW کار می‌کنند، تقریبا به نصف قدرت نمایشگر آنالوگ بایر نیاز دارند.
طرح‌های جدید آرایه رنگی RGBW از پیکسل‌های پانکروماتیک استفاده می‌کنند. پیکسل‌های پانکروماتیک حساسیت بالایی دارند زیرا تمام طول موجهای نور مرئی را تشخیص می‌دهند.
آرایه رنگی CYGM
الگوی فیلتر رنگی CYGM شامل ماتریس حسگر فیروزه‌ای، زرد، سبز و سرخابی است. سنسور CYGM از رنگ‌های ثانویه استفاده می‌کند که با ترکیب دو رنگ اصلی بدست می آیند. به عنوان مثال رنگ زرد که از ترکیب دو رنگ اصلی سبز و قرمز بوجود می‌آید. این نوع آرایه رنگی امکان تشخیص رنگ‌های بیشتری توسط دوربین نظارتی را فراهم می‌آورد که اغلب منجر به تولید تصاویر باکیفیت‌تر می‌شود.
فیلتر رنگی CYGM در مقایسه با آرایه رنگی بایر، اطلاعات روشنایی دقیق‌تری را ارائه می‌دهد. در نتیجه محدوده دینامیکی گسترده‌تری دارد. با این حال، دقت رنگ بالایی ندارد. زیرا اجزای فیروزه‌ای و زرد موجود در این آرایه، رنگ زرد یا فیروزه‌ای تک رنگ واقعی را ایجاد نمی‌کنند. رنگ‌های ایجاد شده در حقیقت، اصلاح فیلترهایی هستند که برای جذب رنگ استفاده می‌شوند.
سنسور Foveon X3
سنسور Foveon X3 یک حسگر تصویر دوربین دیجیتال است که از آرایه‌ای از فتوسیت‌ها استفاده می‌کند. در این آرایه سه فتودیود به صورت عمودی روی هم قرار گرفته‌اند. هر کدام از فتودیودها دارای حساسیت طیفی مختلفی هستند که به آنها اجازه می‌دهد به طول موجهای مختلف واکنش متفاوتی نشان دهند. سیگنال‌های سه فتودیود به عنوان داده‌های رنگی افزودنی پردازش می‌شوند که به یک فضای رنگی استاندارد RGB تبدیل می‌شوند. بنابراین نیازی به الگوریتم demosaicing ندارد.
کلام آخر
در این مقاله از سایت رهاورد نیرو به بررسی انواع آرایه‌های فیلتر رنگی (cfa) در دوربین نظارتی پرداختیم و علت استفاده از فیلترهای رنگی موزاییکی را در دوربین‌های دیجیتالی توضیح دادیم. امیدواریم به کمک اطلاعات ارائه شده در این محتوا بتوانید دوربین مدار بسته مناسب خود را انتخاب نمایید.
پاسخ به سوالات متداول
1-دلیل استفاده از الگوی فیلترهای رنگی موزاییکی چیست؟
پیسکل‌های موجود در سنسورهای دوربین نظارتی، از دیودهای تک فاز و حساس به نوری تشکیل شده‌اند که قابلیت تفکیک طول موجهای مختلف را ندارند. به همین دلیل، در قسمت بالای حسگر دوربین نظارتی، از آرایش فیلتر رنگ (cfa) استفاده می‌شود.
2-آرایش فیلتر رنگ (cfa) چیست؟
آرایش فیلتر رنگ (cfa) موزاییکی از فیلترهای رنگی قرمز، سبز و آبی است که پیکسل‌های موجود در حسگر نوری را پوشش می‌دهند. این ارایه فیلتر رنگ شدت نور ثبت شده در پیکسل را محدود می‌کنند تا با طول موجهای منتقل شده توسط آن رنگ مرتبط باشند.
3- متداول ترین الگوهای فیلتر موزاییکی رنگ کدامند؟
آرایه فیلتر رنگی Bayer، آرایه فیلتر رنگی CYGM ، آرایه فیلتر رنگی RGB و سنسور Foveon X3 از متداول ترین الگوهای فیلتر آرایش رنگی (cfa) می‌باشند.
4-آرایه فیلتر رنگ CYGM از چه رنگ‌هایی تشکیل شده است؟
الگوی فیلتر رنگی CYGM شامل ماتریس حسگر فیروزه‌ای، زرد، سبز و سرخابی است. این رنگ‌ها از ترکیب دو رنگ اصلی بوجود می‌آیند.
5-الگوریتم غیر موزاییکی demosaicing چه کاری انجام می‌دهد؟ الگوریتم غیر موزاییکی داده‌های مربوط به خصوصیات طیفی رنگ‌های مختلف را از یک آرایه فیلتر رنگی دریافت کرده و به صورت یک تصویر رنگی تولید می‌کند.