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¿Qué es y cómo funciona el sensor Quad Bayer de SONY?

¿Qué es y cómo funciona el sensor Quad Bayer de SONY?

  • 12 de febrero de 2021

La estructura de píxeles Quad-Bayer es un diseño que distribuye los fotoreceptores de tres modos diferentes: HDR de dos exposiciones, quad-binning y normal. Esta tecnología se encuentra en los teléfonos móviles Huawei P20 Pro y en el Honor View 20.

En pocas palabras, el filtro Quad-Bayer es una mejora del clásico patrón de píxeles Bayer RGB que se utiliza en la mayoría de los sensores de imagen en color y tiene tres modos: normal, de doble exposición y binning de píxeles.

Con estos modos, el sensor de la cámara puede (en teoría) presentar mejor rendimiento en escenas de luz diurna (alta resolución), poca luz (binning) y alto contraste (2 exposiciones). Hasta hace poco, se pensaba que era imposible tener una imagen de alta resolución y de gran calidad con poca luz.

Los sensores de la cámara están diseñados para convertir la luz (fotones) en electricidad. Esto significa que sólo pueden ver la intensidad de la luz y no los colores por defecto. El patrón lleva el nombre de Bryce Bayer, gracias a su inventor (en Kodak).

Para capturar colores, se coloca una capa con un patrón RGB Bayer en la parte superior de la superficie de detección. A partir de ahí, cada píxel solo recibe fotones de un color específico y la imagen se parece a un mosaico. Más tarde, el software traduce los datos del sensor sin procesar para construir una imagen de color regular.

Quad Bayer es ideal para HDR de un solo cuadro y reducción de ruido con poca luz

La matriz de filtros de color Quad-Bayer fue introducida inicialmente por Sony para adaptarse al mercado de cámaras de seguridad de alta resolución.

En situaciones de poca luz, muchos sistemas de cámaras utilizarían fotografías multi fotograma para reducir el ruido o capturar en múltiples exposiciones. Sin embargo, esto también puede introducir fantasmas cuando los objetos se están moviendo, lo que desafortunadamente degrada la calidad de imagen del material de archivo de vídeo de seguridad.

La estructura de píxeles Quad-Bayer permite tener dos exposiciones dentro de un grupo de cuatro píxeles, eliminando así casi todos los problemas de fantasmas. Esto se llama el modo Quad Bayer HDR.

Otro modo es tener una exposición, pero con un binning de píxeles clásico para situaciones de poca luz donde no se requiere un rango de alta dinámica.

Alta resolución por necesidad

Los sensores Quad-Bayer necesitan tener una resolución muy alta porque tienen cada par de píxeles dentro de una detección de cuádruple con diferentes parámetros, reduciendo así la resolución efectiva en 4X.

Por ejemplo, el sensor de cámara Sony IMX586 tiene 8000×6000 píxeles lanzado en julio de 2018. Sin embargo, el modo automático en teléfonos como el Honor View 20 se establece en 12MP.

Los fabricantes de sensores pueden aprovechar la posibilidad de tener herramientas semiconductoras mucho mejores para construir estos píxeles de sensor impresionantemente pequeños. Sin embargo, un tamaño de píxel de 0,8 micras es pequeño, por lo que el objetivo principal es trabajar en grupos de cuatro (un "cuadrado").

También hay un modo "normal" en el que los píxeles funcionan individualmente. En ese caso, y gracias al gran número de píxeles, es posible capturar detalles más finos, pero funciona mejor en condiciones de luz brillante porque los píxeles individuales del sensor son muy pequeños.

Dentro de un quad, todos los píxeles tienen el mismo filtro de color, por lo que es diferente de un sensor de alta resolución normal con un patrón Bayer clásico. Se podría argumentar que la percepción del color puede ser inferior o más difícil de des-mosaico.

Lo bueno de la configuración del filtro quad-RGB es que reduce algunos de los efectos incorrectos de la conversación cruzada, lo que significa que la luz destinada a golpear un píxel del sensor específico también se filtra en los vecinos, reduciendo así la nitidez.

Una mayor resolución, ya sea perceptible o no los seres humanos, puede aumentar la precisión de varios algoritmos como la fotografía multi-marco que se han convertido en una base para la fotografía digital moderna.

Tener más detalles puede mejorar la detección de características, que es la base de cualquier algoritmo avanzado de varios fotogramas.

Analizar una imagen de tan alta resolución es costoso, por ese motivo los dispositivos con procesadores más rápidos (SoC) suelen tomar mejores fotografías. Snapdragon 855 de Qualcomm, Kirin 980 de Huawei y A12 de Apple son plataformas de hardware extremadamente potentes.

Conclusión

La idea de agrupar los píxeles del sensor no es completamente nueva: hace 10 años, Fujifilm anunció tal concepto en su tecnología Fujifilm Super CCD EXR, que al mismo tiempo tenía un concepto similar con tramas de dos píxeles (en lugar de los cuatro de hoy). Esa tecnología tenía los mismos modos (HDR, binning) y requería reducir a la mitad la resolución si se requería doble detección.

Quad-Bayer es una técnica muy inteligente y práctica que cumple su papel perfectamente: mejorar la captura de vídeo con poca luz y la captura de fotos en movimiento. También debería ayudar con el temblor de manos.

Es importante entender que estos sensores no están optimizados para funcionar a resolución completa (aunque pueden), pero principalmente para ampliar las capacidades HDR de la cámara.

Tal vez el mayor desafío es que el software de la cámara determine cuándo exactamente utilizar uno de los modos de sensor específicos. Esto puede ser muy difícil, y usar el modo incorrecto en el momento equivocado podría ser contraproducente.