精美影像背后的技術(shù)玄機(jī)
影像是如何生成的？
在使用普通的傳統(tǒng)相機(jī)時(shí),光學(xué)系統(tǒng)把捕捉到的光打在膠卷上,隨后人們就可以通過一個(gè)化學(xué)過程對其進(jìn)行曝光和沖洗。而在使用數(shù)碼相機(jī)或攝影手機(jī)時(shí),光仍然要通過由多個(gè)單元鏡頭和一個(gè)鏡桶組成的光學(xué)系統(tǒng),不同的是,現(xiàn)在光是打在由行和列組成的數(shù)字傳感器陣列上,這一陣列由幾百萬個(gè)微小像素組成。例如,1280 1024像素的傳感器為1.3 mp（百萬像素） 傳感器。圖1為帶有三個(gè)單元鏡頭的定焦攝像手機(jī)示例。
當(dāng)光打在像素陣列上之前,它要通過彩色濾光片,確保只有紅、綠或藍(lán)色光到達(dá)每個(gè)像素上。光打在每個(gè)像素上,首先生成一個(gè)模擬信號,該模擬信號再通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器（adc）轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號。這一數(shù)字信號然后被發(fā)送到稱之為成像管道（image pipe 或i-pipe）的地方。成像管道由一系列過濾處理器組成,經(jīng)過過濾處理器處理后會使影像信號看起來更加逼真。
成像管道可調(diào)節(jié)白平衡和顏色,并用“捕獲方式”改變圖片所帶的某些異常情況,例如：鏡頭陰影、影像幾何變形、偏離鏡頭中心時(shí)圖片清晰度下降以及數(shù)字傳感器噪聲。處理器或成像管道也可以壓縮影像,使用jpeg格式生成可以快速寫入存儲介質(zhì)的影像,這一壓縮影像文件較小,但很精確。臨時(shí)存儲區(qū)也稱為緩沖區(qū),圖片在被壓縮以實(shí)現(xiàn)最終存儲之前保存在緩沖區(qū)里。攝像手機(jī)中使用的基本功能模塊有鏡頭、圖像傳感器、post processing、存儲器等。
光線預(yù)處理
紅外線濾鏡的作用是擋住超過780nm的紅外線并使光譜的可見光部分通過,從而確保傳感器僅聚焦于肉眼所看到的事物,并優(yōu)化色彩整合。這就好像在音響設(shè)備中,對大于22khz的聲音不做處理一樣,因?yàn)槿藗兏韭牪坏竭@些聲音,所以音響組件根本不需要對這些會降低效率或使可聽到的聲音失真的超量信息進(jìn)行處理。如果不以這種方式將紅外線擋住,這些紅外線會使影像變得模糊不清,并會降低鏡頭所形成影像的清晰度。紅外濾鏡分為吸收型和反射型兩種。
在這個(gè)過程中,還使用了顯微透鏡對昏暗的光線進(jìn)行預(yù)處理,使光線以盡可能垂直的方向準(zhǔn)確折射成像。顯微透鏡可以增強(qiáng)像素的光學(xué)靈敏度,通常位于色彩濾鏡陣列（cfa）之上。
色彩濾鏡陣列——bayer濾鏡
光電二極管只能感應(yīng)光線亮度,不能感應(yīng)色彩信息。因此,必須使用某種機(jī)制以人工的方式增強(qiáng)它對不同色彩的靈敏度,從而向人眼呈現(xiàn)不同的顏色。色彩濾鏡陣列的作用是確保每個(gè)傳感器像素只會收到一種顏色的光：通常是紅、綠、藍(lán)三種顏色。色彩濾鏡陣列可以使用不同的模式。由于人眼感應(yīng)色彩的方式和人眼對綠色的靈敏度是其對紅色和藍(lán)色靈敏度的兩倍這一事實(shí),要模仿人眼的感應(yīng)方式,相機(jī)需要使用更多的綠色像素來表現(xiàn)會被人們認(rèn)為是正確顏色的影像。
bayer 模式交替使用一組紅色和綠色濾鏡以及一組綠色和藍(lán)色濾鏡,其中綠色像素的總數(shù)為紅色和藍(lán)色像素之和。用bayer濾鏡制作的原始輸出是紅、藍(lán)、綠三種顏色像素的相互鑲嵌,但各種顏色像素的強(qiáng)度不同,這主要取決于光線照在某一特定像素上的角度。圖2所示為數(shù)碼相機(jī)中顯微透鏡和濾鏡結(jié)構(gòu)與傳感器陣列結(jié)合使用的方式。
demosaicing算法
