| 在可拍照手機(jī)中每個(gè)漂亮照片的背后,都有大量的電子/光學(xué)/機(jī)械處理“魔術(shù)”在上演著。而用戶通常不留意這些處理“魔術(shù)”,因?yàn)樗鼈冹o悄悄且不為人注意地進(jìn)行著。本文討論用一個(gè)可拍照手機(jī)內(nèi)的CMOS傳感器生成一個(gè)優(yōu)異圖像所面臨的各種挑戰(zhàn)。 
圖1：一個(gè)數(shù)碼相機(jī)的機(jī)械示意圖,其光學(xué)系統(tǒng)和一個(gè)常規(guī)膠片相機(jī)的光學(xué)系統(tǒng)基本一致。
圖像的生成 在一個(gè)膠片相機(jī)中,通過一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)采集的光照射在一段膠片上,膠片經(jīng)過曝光以及隨后的化學(xué)沖洗過程。而在數(shù)碼相機(jī)中,光依然是穿過一個(gè)帶有多元件鏡頭和鏡頭筒的光學(xué)系統(tǒng),不過此時(shí)這些光是照射在一個(gè)傳感器行列陣上,該傳感器陣由幾百萬個(gè)微小圖像元素即像素組成。圖1是一個(gè)數(shù)碼相機(jī)的機(jī)械示意圖。 當(dāng)光照射到該像素陣列上,穿過一個(gè)色彩濾波器陣列,確保只有藍(lán)色、紅色或綠色光真正到達(dá)適當(dāng)?shù)南袼厣稀Ｔ诿總�(gè)像素上生成一個(gè)模擬信號(hào),它再經(jīng)過一個(gè)ADC被變換成一個(gè)數(shù)字信號(hào)。該信號(hào)隨后穿過一個(gè)被稱為圖像管道(即I-Pipe)的部件,該部件由一系列使信號(hào)看起來像一幅真實(shí)照片的電子濾波器構(gòu)成。 I-Pipe調(diào)整白色平衡和色彩,并消除由拍照方法本身引入的某些異常。這些異常包括鏡頭陰影、幾何失真、偏離鏡頭中心的照片跑焦模糊和數(shù)字傳感器噪聲。安捷倫的I-Pipe還把該圖像壓縮成JPEG格式以便生成可迅速寫入一個(gè)存儲(chǔ)媒介的容量小且精確的壓縮圖像。 對光進(jìn)行預(yù)處理 一個(gè)吸收性或反射性紅外濾波器被用來阻止780納米以上的紅外輻射,而只讓光譜的可見光部分通過。這確保圖像傳感器只關(guān)注人 眼將看到的東西,并對色彩的完整度進(jìn)行優(yōu)化。如果不以這種方式截?cái)嗉t外光,它就可能引起模糊并降低鏡頭所拍圖像的清晰度。 
圖2：人眼對綠色的敏感度是對紅色和藍(lán)色的兩倍。Bayer色彩濾波器采用一行藍(lán)色和綠色濾波器與一行紅色和綠色濾波器相交替,使得綠色像素是藍(lán)色、紅色像素的兩倍。 一個(gè)微鏡頭還用來預(yù)處理下落光,以便這些光被盡可能地折射進(jìn)垂直方向的像素中。該微鏡頭提高了該像素的感光度,它通常位于色彩濾波陣列的正上方。 色彩濾波器陣列——Bayer濾波器 光電二極管對亮度很敏感但對色彩不敏感。因而,必須采用某種機(jī)制,通過人工調(diào)整使其對特定的色彩敏感,以便這些色彩可以最終能夠展現(xiàn)在人眼前。一個(gè)色彩濾波器陣列可用來確保每個(gè)傳感器像素接收到的只是一種顏色的光：典型的是紅色、藍(lán)色或綠色。 有多種不同的模式可用于色彩濾波器陣列�；谌搜鄹杏X顏色的方式,以及人眼對綠色的敏感度是對紅色和藍(lán)色敏感度的兩倍這個(gè)事實(shí),意味著為了模仿人眼感覺,相機(jī)需要更多的綠色像素。在圖2所示的Bayer模式中,一行藍(lán)色和綠色濾波器與一行紅色和綠色濾波器相交替,其結(jié)果是所具有的綠色像素比藍(lán)色和紅色多出一倍。Bayer濾波器的原始輸出是一個(gè)亮度不同的藍(lán)色、綠色和紅色像素組成的馬賽克圖,其亮度變化取決于照射在一個(gè)特定像素上的光亮度。 去馬賽克效應(yīng)和白色平衡 當(dāng)該色彩濾波器陣列生成一個(gè)圖像時(shí),四個(gè)獨(dú)立的像素決定一個(gè)單一像素的顏色。這形成一個(gè)看起來不像真實(shí)圖像的分離色彩馬賽克圖。除非通過一種去馬賽克效應(yīng)的算法,利用目標(biāo)像素最靠近的若干像素顏色值的平均來接近目標(biāo)像素的真正顏色。 
圖3：一個(gè)微鏡頭用于把進(jìn)入像素的光線盡可能折射到垂直方向上。較高端的傳感器采用一個(gè)輔助的微鏡頭把這個(gè)光再次彎曲,進(jìn)一步下移像素,從而把竄入鄰近像素并引起竄擾噪聲的幾率降到最低。 不加任何修正的話,日光燈下拍攝的一張圖片也許看起來太綠,而日落時(shí)戶外拍攝的一張圖片也許看起來就會(huì)有些偏橙色。自動(dòng)白色平衡(AWB)修正確保圖像中的白色對觀看者來說看起來是真正的白色。 圖像復(fù)原：去除有害的干擾 在CMOS或CCD傳感器中,有幾個(gè)噪聲源加到圖像上,必須將它們?nèi)コ蛘咧辽偈窍魅�。這些噪聲源是： 1.固定模式噪聲,它在每張圖片中產(chǎn)生相同的噪聲模式。減弱這個(gè)固定模式噪聲的方法是：通過相機(jī)取一個(gè)“暗曝光”讀數(shù)(即沒有光照下的曝光),并隨后去減一個(gè)正常曝光值。該暗狀態(tài)的輸出電流是沒有光照條件下產(chǎn)生的平均輸出電流,并將包含光電二極管的漏電流。 2.隨機(jī)噪聲,它可能由環(huán)境溫度變化引起。一個(gè)較高的溫度通常會(huì)引起更多的電子離開其軌道并在傳感器中產(chǎn)生隨機(jī)噪聲信號(hào)。傳感器電路的散熱使其進(jìn)一步惡化。如果夏天時(shí)把可拍照手機(jī)放在一輛汽車中,那么它所拍照片的噪聲將比在一個(gè)帶空調(diào)建筑物內(nèi)所拍照片的噪聲高得多。 3.像素竄擾,在進(jìn)入一個(gè)像素的光竄到一個(gè)鄰近像素時(shí),就會(huì)產(chǎn)生一片“混濁”,比如說當(dāng)一個(gè)紅色像素使其紅光竄入一個(gè)鄰近的藍(lán)色像素時(shí),就會(huì)導(dǎo)致藍(lán)色像素中的信號(hào)不正常地增強(qiáng),而紅色像素中的信號(hào)的圖像信息則丟失。 高端傳感器采用一個(gè)輔助的微鏡頭把這個(gè)光再次彎曲,進(jìn)一步下移像素,從而把竄入鄰近像素并引起竄擾噪聲的幾率降到最低。 
圖4：一個(gè)完整成像系統(tǒng)的框圖,圖中顯示了對來自圖像傳感器的原始輸出所采取的各種形式的處理。 像素的個(gè)數(shù)只是信息捕捉能力的一個(gè)衡量。一般來說,一個(gè)較大像素的信噪比會(huì)比一個(gè)較小像素的要高,因?yàn)樗懈嗟拿娣e來采集光,從而捕捉到更多的光子,因而相對于所存在的總噪聲,所產(chǎn)生的有用信號(hào)更大。 敏捷的缺陷修正 在一個(gè)傳感器上總會(huì)有一些像素不符合制造工藝,它們存在光學(xué)瑕疵和電氣缺陷。這可能產(chǎn)生視覺效果的不理想,導(dǎo)致對入射光的不一致或非線性響應(yīng)。 I-Pipe確定一個(gè)像素是否有缺陷的做法是測量其輸出,然后將它同鄰近幾個(gè)像素的平均值進(jìn)行對比。如果差值大于一個(gè)特定的容限,那么該像素就“標(biāo)記”成缺陷像素,其輸出就不再有效。在目標(biāo)像素位置的缺陷像素輸出值可以通過鄰近各像素的輸出值進(jìn)行內(nèi)插獲得,然后對其求平均,作為該缺陷目標(biāo)像素的一個(gè)替代輸出。 改善退化的圖像分辨率或清晰度 迄今為止,我們已經(jīng)明白光線是如何穿過一個(gè)光學(xué)鏡頭、一個(gè)Bayer陣列以及一個(gè)或多個(gè)微鏡頭。隨后通過去馬賽克效應(yīng)、內(nèi)插、抗暈影、缺陷修正等技術(shù)重新生成一個(gè)人們熟悉的圖像。完成這么多“非自然的”電子動(dòng)作會(huì)導(dǎo)致最終圖像的清晰度比原有的要差。而原有的更逼真的清晰度可以通過給輸出加入一部分高通信號(hào)(即只有高頻)來獲得。噪聲銳化可以減小或增加,這取決于實(shí)際加入的高頻信號(hào)的量。 暈影修正 暈影是由于鏡頭和鏡頭筒的緣故在圖片邊沿產(chǎn)生的陰影或黑影。暈影修正技術(shù)通過把邊角的亮度比修正到圖片中心處的亮度比,彌補(bǔ)了這個(gè)缺陷。 改善圖像的后處理增強(qiáng)功能 通過提高明暗區(qū)域的對比度可以改善圖像效果,從而改善所感知的圖像的豐滿度和色彩質(zhì)量。安捷倫公司在其CMOS圖像傳感器內(nèi)采用了一種名為自適應(yīng)色彩調(diào)和映射的技術(shù),通過擴(kuò)展動(dòng)態(tài)范圍來產(chǎn)生更真實(shí)、更豐富的色彩。邊緣圖像采用自適應(yīng)色彩調(diào)和映射技術(shù),通過自動(dòng)調(diào)整色彩調(diào)和映射來改善亮度和對比度。這一技術(shù)提高了明暗區(qū)域的對比度,修補(bǔ)欠曝光和過曝光的圖像,從而產(chǎn)生更明亮逼真的色彩重現(xiàn)。 完整的成像系統(tǒng) 在一個(gè)完整的成像系統(tǒng)(圖4)中,可以看到I-Pipe圖像處理的各個(gè)階段。即在圖像輸出到顯示器或存儲(chǔ)到存儲(chǔ)器之前,圖像信號(hào)必須經(jīng)過凈化、成形和放大處理。 作者：Feisal Mosleh 來源：電子工程專輯 | 
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