攝像機(jī)成像原理概述

　　攝像機(jī)成像是將自然界中的光信號(hào)先轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并在芯片上對(duì)采集到的原始數(shù)字信號(hào)做一系列圖像處理，再通過圖像編碼、傳輸、解碼最終給用戶顯示的一整套系統(tǒng)。

　　由于攝像機(jī)系統(tǒng)的復(fù)雜性，各個(gè)環(huán)節(jié)相互影響，且最終呈現(xiàn)給用戶的圖像主觀性是比較強(qiáng)的。目前衡量圖像質(zhì)量的幾個(gè)重要的指標(biāo)分別是亮度、顏色、清晰度、對(duì)比度和噪聲等幾個(gè)方面。對(duì)于高清攝像機(jī)而言，清晰度的重要性是不言而喻的。本文主要講述了影響攝像機(jī)清晰度的幾個(gè)重要因素，主要有：光學(xué)器件、傳感器、圖像處理以及圖像編碼。

　　光學(xué)器件對(duì)清晰度影響

　　鏡頭光圈

　　根據(jù)凸透鏡折射原理，在成像面上會(huì)有一個(gè)焦點(diǎn)。在攝像機(jī)進(jìn)行拍攝時(shí)，調(diào)節(jié)相機(jī)鏡頭焦點(diǎn)，使距離相機(jī)一定距離的景物清晰成像的過程叫做對(duì)焦。因?yàn)?ldquo;清晰”并不是一種絕對(duì)的概念，所以對(duì)焦點(diǎn)前、后一定距離內(nèi)的景物的成像都可以是清晰的，這個(gè)前后范圍的總和就叫做景深。

　　一般只有那些像位置恰好在感光器件位置上面的物體可以清晰的成像，而更近和更遠(yuǎn)的物體在感光器件上面都會(huì)形成一個(gè)彌散光斑，就是虛化現(xiàn)象。這個(gè)彌散斑的增大是逐步的，而感光器件的分辨率也是有限的，因此當(dāng)彌散斑的大小比較小的時(shí)候，我們?nèi)匀豢梢哉J(rèn)為它是清晰的。彌散斑直徑是由通過鏡頭的最外面的光線決定的。如果遮擋外圍的光線，必然壓縮彌散斑的尺寸，這樣焦點(diǎn)前后成像的可分辨范圍就大。這就是光圈對(duì)于景深的作用原理。光圈越大，到達(dá)感光器件的光就更多，彌散斑就會(huì)更大，景深就小。

　　鏡頭焦距

　　對(duì)焦點(diǎn)越遠(yuǎn)，那么其成像越接近鏡頭，像接近鏡頭的時(shí)候，像之間的距離更小，從而彌散斑也更小，景深也會(huì)變大。故焦距最小，對(duì)焦點(diǎn)越遠(yuǎn)，景深越大。

　　濾光片

　　濾光片是一種光學(xué)低通濾波器OLPF。一般由多層石英片組成，表面鍍膜。目的是濾除摩爾紋(色斑干擾)以及濾除紅外線。除摩爾紋主要是濾除圖像中的高頻成分，故其對(duì)清晰度會(huì)有影響。

　　偏振鏡

　　光在與傳播方向垂直的平面上，可以向任意方向振動(dòng)。我們一般把光波電場(chǎng)振動(dòng)方向作為光波振動(dòng)方向。如果一束光線都在同一方向上振動(dòng)，就稱它們是偏振光，一般自然光在各個(gè)方向振動(dòng)是均勻分布的，是非偏振光。但是，光滑的非金屬表面(玻璃、水面等)在一定角度下反射形成的眩光是偏振光，偏振鏡主要是用來濾除偏振光的一種光學(xué)濾鏡。

　　傳感器對(duì)清晰度的影響

　　傳感感在攝像機(jī)系統(tǒng)中是非常重要的部分，它的主要功能是將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，它的性能直接決定了圖像質(zhì)量的好壞。影響清晰度的幾個(gè)主要方面是：分辨率、靶面大小以及寬動(dòng)態(tài)。

　　傳感器分辨率

　　傳感器分辨率越大，圖像越清晰，以下分別是300W像素分辨率和600W像素分辨率圖片。

　　傳感器靶面大小

　　一般同樣大小的分辨率傳感器，靶面大的傳感器在單位面積上像素點(diǎn)少，對(duì)圖像中的高頻成分區(qū)分度更高，故拍攝出來的圖像也更清晰。

　　寬動(dòng)態(tài)

　　寬動(dòng)態(tài)攝像機(jī)在某些寬動(dòng)態(tài)場(chǎng)景下發(fā)揮著重要作用，帶寬動(dòng)態(tài)功能的sensor能夠?qū)堤幒土撂幍募?xì)節(jié)部分都能還原出來，這彌補(bǔ)了線性sensor的不足。寬動(dòng)態(tài)sensor是將多幀曝光進(jìn)行融合后輸出，長(zhǎng)曝光幀保留暗處的細(xì)節(jié)、短曝光幀保留亮處的細(xì)節(jié)。

　　ISP對(duì)清晰度的影響

　　攝像機(jī)中的ISP處理模塊很多，也是一個(gè)非常重要的部分。其算法的優(yōu)劣直接影響圖像質(zhì)量。其中對(duì)清晰度影響的模塊主要有：曝光時(shí)間、壞點(diǎn)校正、降噪濾波、插值模塊、對(duì)比度增強(qiáng)模塊、邊緣增強(qiáng)模塊等。

　　曝光時(shí)間

　　圖像傳感器完成光電轉(zhuǎn)換的過程是一個(gè)對(duì)時(shí)間積分的過程，在一定的時(shí)間間隔內(nèi)光電流通過積累成為電荷，再經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。這個(gè)積分時(shí)間長(zhǎng)度就是曝光時(shí)間。倘若這個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)有運(yùn)動(dòng)物體經(jīng)過，運(yùn)動(dòng)矢量發(fā)生了變化，在運(yùn)動(dòng)物體的周圍就會(huì)形成拖尾。曝光時(shí)間越長(zhǎng)，運(yùn)動(dòng)矢量越大，拖尾越明顯。

　　壞點(diǎn)校正

　　傳感器由于生產(chǎn)工藝的限制，在出廠前可能會(huì)有一些壞的像素點(diǎn)，在成像時(shí)會(huì)留下離散的、比較突兀(過暗或者過亮)的像素點(diǎn)。在ISP模塊里對(duì)其進(jìn)行校正時(shí)在消除壞點(diǎn)的同時(shí)，也會(huì)把畫面中的某些細(xì)節(jié)當(dāng)做壞點(diǎn)進(jìn)行處理，這樣就會(huì)降低清晰度。

　　降噪濾波

　　傳感器在將光信號(hào)量化成數(shù)字信號(hào)時(shí)會(huì)引入噪聲，尤其是當(dāng)光線比較弱和傳感器增益比較大時(shí)噪聲更明顯。隨后在各個(gè)ISP處理環(huán)節(jié)對(duì)圖像數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理時(shí)都有可能會(huì)引入噪聲。降噪濾波在信號(hào)處理上是一種低通濾波器，將圖像中的高頻成分過濾掉，但是在光線比較暗或者增益比較大時(shí)，降噪濾波對(duì)于噪點(diǎn)和細(xì)節(jié)之間無法做到完全區(qū)分，因此在濾除噪點(diǎn)的同時(shí)也會(huì)將部分細(xì)節(jié)抹平從而降低圖像清晰度。

　　插值模塊

　　我們所看到圖像每一個(gè)像素點(diǎn)是由RGB三通道顏色組成的。而傳感器在感光時(shí)生成的raw數(shù)據(jù)只對(duì)每一個(gè)像素點(diǎn)產(chǎn)生一種顏色通道信號(hào)，插值模塊是將raw數(shù)據(jù)上每一個(gè)像素點(diǎn)的單色轉(zhuǎn)換成RGB三色，這樣后續(xù)就可以在RGB色彩空間進(jìn)行顯示。如圖12所示，顯然這個(gè)模塊在ISP模塊中是一個(gè)非常重要的模塊，由于插值模塊在對(duì)當(dāng)前像素點(diǎn)的其它兩通道像素點(diǎn)進(jìn)行插值時(shí)需要參考周圍其它幾個(gè)通道的像素點(diǎn)值，故在圖像的高頻部分會(huì)影響圖像的清晰度。

　　對(duì)比度模塊

　　由于人眼對(duì)亮度信號(hào)特別敏感，一張圖像中暗處和亮度細(xì)節(jié)都比較突顯的時(shí)候，人眼就感覺畫面通透，清晰度比較高。對(duì)比度增強(qiáng)模塊就是將畫面中暗處和亮處的灰度值反差拉開，在保留暗處和亮處細(xì)節(jié)的同時(shí)，將圖像的邊緣部分起到增強(qiáng)清晰度的效果。

　　邊緣增強(qiáng)模塊

　　該模塊增強(qiáng)圖像邊緣部分細(xì)節(jié)，它主要是一種補(bǔ)償輪廓、突出邊緣信息以使圖像更為清晰的處理方法。銳化的目標(biāo)實(shí)質(zhì)上是要增強(qiáng)圖像中的高頻成分。它與降噪濾波是一個(gè)相對(duì)的處理過程。若圖像未做邊緣增強(qiáng)時(shí)，人眼看上去像邊緣部分不夠銳利，但是同時(shí)該模塊如果做的太強(qiáng)會(huì)對(duì)整體圖像引入新的噪聲。

　　圖像編碼對(duì)清晰度影響

　　對(duì)于高清攝像機(jī)而言，分辨率越高圖像信息量越大，這樣大量的圖像信息不利于傳輸和存儲(chǔ)，故需要將處理好的圖像信號(hào)做編碼壓縮。由于有信息的壓縮，所以圖像編碼對(duì)清晰度也會(huì)有損失。當(dāng)視頻中的碼流設(shè)置的越小，壓縮比越高，圖像清晰度損失的越多。

　　在高清攝像機(jī)圖像效果里面，尤其是在光線比較微弱的低照環(huán)境下拍攝時(shí)，清晰度和噪點(diǎn)兩者就比較難權(quán)衡，保留清晰度的同時(shí)噪點(diǎn)就會(huì)起來，否則噪點(diǎn)抹的太平滑清晰度就不夠了。我們可以通過采用更大光圈的鏡頭，切換濾光片，采用更好的降噪濾波方法來抑制噪點(diǎn)的同時(shí)保證清晰度，采用更高的碼流或者更好的編碼算法來減少清晰度的損失。