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篇名: [技術文章]照相手機影像處理揭
作者: -夢中情人-	日期: 2009.08.09　　天氣: 　心情:

在照相手機每張照片的背後，都有大量的電子/光學/機械處理過程。而用戶通常不留意這些處理程序，因為它們靜悄悄且不為人注意地進行著。本文討論在照相手機內用CMOS感測器產生優異影像所面臨的各種挑戰。

傳統相機是透過一個光學系統採集的光照射在一段底片上，當底片經過曝光及化學沖洗過程後才形成影像。而在數位相機中，光依然是穿過一個具有多元件鏡頭和鏡頭筒的光學系統，不過此時這些光是照射在一個感測器行陣列上，該感測器陣列由幾百萬個微小影像元素－即畫素組成。圖1為數位相機機械示意圖。

當光照射到該畫素陣列上，穿過一個色彩濾波器陣列，並確保只有藍色、紅色或綠色光真正到達適當的畫素上。在每個畫素上產生一個類比訊號，再經過一個ADC被變換成一個數位訊號。該訊號隨後穿過一個被稱為影像管道(即I-Pipe)的元件，該元件由一系列使訊號看起來像一幅真實照片的電子濾波器構成。

圖1：一個數位相機的機械示意圖，其光學系統和一個常規底片相機的光學系統基本一致。

I-Pipe負責調整白平衡和色彩，並消除由拍照方法本身導入的某些異常。這些異常包括鏡頭陰影、幾何失真、偏離鏡頭中心的照片失焦模糊和數位感測器噪音。安華高科技的I-Pipe還能把該影像壓縮成JPEG格式，以便產生可迅速寫入儲存媒介的小容量壓縮影像。

一個吸收性或反射性紅外線濾波器可用來阻止780奈米以上的紅外線輻射，而只讓光譜的可見光部份通過。這確保影像感測器只關注人眼將看到的東西，並對色彩的完整度進行最佳化。如果不以這種方式截斷紅外線光，它就可能引起模糊並降低鏡頭所拍影像的解析度。

一個微鏡頭還用來預處理下落光，以便這些光被盡可能地折射進垂直方向的畫素中。該微鏡頭提高了該畫素的感光度，它通常位於色彩濾波陣列的正上方。

色彩濾波器陣列

光電二極體對亮度很敏感但對色彩不敏感。因此必須採用某種機制，透過人工調整使其對特定的色彩敏感，以便在人眼前展現這些色彩。一個色彩濾波器陣列可用來確保每個感測器畫素接收到的只是一種顏色的光，如標準的紅色、藍色或綠色。

圖2：人眼對綠色的敏感度是對紅色和藍色的兩倍。Bayer色彩濾波器採用一行藍色和綠色濾波器與一行紅色和綠色濾波器相互交替，使得綠色畫素是藍色、紅色畫素的兩倍。

有多種不同的模式適用於色彩濾波器陣列。基於人眼感覺顏色的方式，以及人眼對綠色的敏感度是對紅色和藍色敏感度的兩倍這個事實，意味著為了模仿人眼感覺，相機需要更多的綠色畫素。在圖2的Bayer模式中，一行藍色和綠色濾波器與一行紅色和綠色濾波器相互交替，其結果是所具有的綠色畫素比藍色和紅色多出一倍。Bayer濾波器的原始輸出是由不同亮度的藍色、綠色和紅色畫素組成的馬賽克圖，其亮度變化取決於照射在一個特定畫素上的光亮度。

當該色彩濾波器陣列產生一個影像時，四個獨立的畫素將決定單一畫素的顏色。這形成一個看起來不像真實影像的分離色彩馬賽克圖。可透過一種去馬賽克效應演算法，並利用目標畫素最靠近之若干畫素顏色值的平均來接近目標畫素的真正顏色。如果不加以修飾，則日光燈下拍攝的一張圖片也許看起來太綠，而日落時戶外拍攝的一張圖片也許看起來就會有些偏橙色。自動白平衡(AWB)修正將確保影像中的白色對觀看者來說看起來是真正的白色。

在CMOS或CCD感測器中，有幾個噪音源會加到影像上，必須將它們去除或者至少是削弱。這些噪音源分別是：

1. 固定模式噪音，它在每張圖片中產生相同的噪音模式。減弱這個固定模式噪音的方法是透過相機取得一個‘暗曝光’讀數(即沒有光照下的曝光)，並隨後減去一個正常曝光值。該暗狀態的輸出電流是沒有光照條件下產生的平均輸出電流，並將包含光電二極體的漏電流。

圖3：一個微鏡頭用於把進入畫素的光線盡可能折射到垂直方向上。較高階的感測器採用一個輔助的微鏡頭把這個光再次彎曲，進一步下移畫素，因而把進入鄰近畫素並引起串擾噪音的機率降到最低。

2. 隨機噪音，它可能由環境溫度變化引起。較高的溫度通常會引起更多的電子離開其軌道並在感測器中產生隨機噪音訊號。感測器電路的散熱使其進一步惡化。如果夏天時把手機相機放在一輛汽車中，那麼它所拍照片的噪音將比在一個帶空調建築物內所拍照片的噪音高得多。

3. 畫素串擾，在進入一個畫素的光跑到一個鄰近畫素時，就會產生一片‘混濁’，如當一個紅色畫素使其紅光進入一個鄰近的藍色畫素時，就會導致藍色畫素中的訊號不正常地增強，而紅色畫素中的訊號的影像資訊則會丟失。高階感測器採用一個輔助的微鏡頭把這個光再次彎曲，進一步下移畫素，因而把進入鄰近畫素並引起串擾噪音的機率降到最低。

畫素的個數只是資訊捕捉能力的一種衡量標準。一般來說，一個較大畫素的訊息噪音比會比一個較小畫素的要高，因為它有更多的面積來採集光，因而捕捉到更多的光子，而相對於所存在的總噪音所產生的有用訊號更大。

敏捷的缺陷修正

在一個感測器上總會有一些畫素不符合製程，它們存在著光學瑕疵和電氣缺陷。這可能導致視覺效果的不理想，並引起對入射光的不一致或非線性響應。

I-Pipe確定一個畫素是否有缺陷的做法是測量其輸出，然後將它與鄰近幾個畫素的平均值進行對比。如果差值大於一個特定的容限，那麼該畫素就‘標記’成缺陷畫素，其輸出就不再有效。在目標畫素位置的缺陷畫素輸出值可透過鄰近各畫素的輸出值進行內插獲得，然後對其求平均，作為該缺陷目標畫素的替代輸出。

圖4：一個完整成像系統的結構圖，圖中顯示了對來自影像感測器原始輸出所採取的各種形式處理。

目前我們已經明白光線是如何穿過一個光學鏡頭、一個Bayer陣列以及一個或多個微鏡頭。隨後透過去馬賽克效應、內插、抗暈影、缺陷修正等技術重新產生一個人們熟悉的影像。要完成這麼多‘非自然的’電子動作將導致最終影像的解析度比原有的要差。而原有的更逼真的解析度可以透過給輸出並加入一部份高通訊號(即只有高頻)來獲得。噪音銳化可以減少或增加，這取決於實際加入的高頻訊號量。

暈影是由於鏡頭和鏡頭筒的緣故在圖片邊沿產生的陰影或黑影。暈影修正技術透過把邊角的亮度比修正到圖片中心處的亮度比，彌補了這個缺陷。

而在改善影像的後處理增強功能部份，透過提高明暗區域的對比度可以改善影像效果，因而改善所感知的影像的豐滿度和色彩品質。安華高科技在其CMOS影像感測器內採用了一種名為自適應色彩調和映射的技術，透過擴展動態範圍來產生真實色彩。其邊緣影像採用自適應色彩調和映射技術，並透過自動調整色彩調和映射來改善亮度和對比度。這一技術提高了明暗區域的對比度，修補欠曝光和過曝光的影像，因而產生更逼真的色彩重現。

在一個完整的成像系統(圖4)中，可以看到I-Pipe影像處理的各個階段。即在影像輸出到顯示器或儲存到記憶體之前，影像訊號必須經過淨化、成形和放大處理。

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