色彩篇（一）

1         前言

做为拍照手机的核心模块之一，camera sensor效果的调整，涉及到众多的参数，如果对基本的光学原理及sensor软/硬件对图像处理的原理能有深入的理解和把握的话，对我们的工作将会起到事半功倍的效果。否则，缺乏了理论的指导，只能是凭感觉和经验去碰，往往无法准确的把握问题的关键，不能掌握sensor调试的核心技术，无法根本的解决问题。 所以，这里笔者结合自己出于对摄影的爱好所学习的一些图像处理相关的原理，试图通过分析一些与Sensor图像处理相关的因素，和大家分享一下自己的一些理解，共同探讨，共同学习进步。 2         色彩感应及校正 2.1        原理 人眼对色彩的识别，是基于人眼对光线存在三种不同的感应单元，不同的感应单元对不同波段的光有不同的响应曲线的原理，通过大脑的合成得到色彩的感知。 一般来说，我们可以通俗的用RGB三基色的概念来理解颜色的分解和合成。   理论上，如果人眼和sensor对光谱的色光的响应，在光谱上的体现如下的话，基本上对三色光的响应，相互之间不会发生影响，没有所谓的交叉效应。  

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该色彩校正的运算通常是由sensor模块集成或后端的ISP完成，软件通过修改相关寄存器得到正确的校正结果。值得注意的一点是，由于RGB -> YUV的转换也是通过一个3*3的变换矩阵来实现的，所以有时候这两个矩阵在ISP处理的过程中会合并在一起，通过一次矩阵运算操作完成色彩的校正和颜色空间的转换。 3         颜色空间 3.1        分类 实际上颜色的描述是非常复杂的，比如RGB三基色加光系统就不能涵盖所有可能的颜色，出于各种色彩表达，以及色彩变换和软硬件应用的需求，存在各种各样的颜色模型及色彩空间的表达方式。这些颜色模型，根据不同的划分标准，可以按不同的原则划分为不同的类别。

从公式中，我们关键要理解的一点是，UV 信 实际上就是蓝色差信 和红色差信 ，进而言之，实际上一定程度上间接的代表了蓝色和红色的强度，理解这一点对于我们理解各种颜色变换处理的过程会有很大的帮助。

色彩篇（二）

1.1        白平衡 1.1.1          色温 色温的定义：将黑体从绝对零度开始加温，温度每升高一度称为1开氏度(用字母K来表示)，当温度升高到一定程度时候，黑体便辐射出可见光，其光谱成份以及给人的感觉也会着温度的不断升高发生相应的变化。于是，就把黑体辐射一定色光的温度定为发射相同色光光源的色温。

  1.1.1          色温变化时的色彩校正 所以从理论上可以看出，随着色温的升高，要对色温进行较正，否则，物体在这样的光线条件下所表现出来的颜色就会偏离其正常的颜色，因此需要降低sensor对红色的增益，增加sersor对蓝光的增益。同时在调整参数时一定程度上要考虑到整体亮度的要保持大致的不变，即以YUV来衡量时，Y值要基本保持不变，理论上认为可以参考RGB->YUV变换公式中，RGB三分量对Y值的贡献，从而确定RGAIN和BGAIN的变化的比例关系。但实际情况比这还要复杂一些，要考虑到不同sensor对R,B的感光的交叉影响和非线性，所以最佳值可能和理论值会有一些偏差。 1.1.2          自动白平衡原理 1.1.2.1        原理 自动白平衡是基于假设场景的色彩的平均值落在一个特定的范围内，如果测量得到结果偏离该范围，则调整对应参数，校正直到其均值落入指定范围。该处理过程可能基于YUV空间，也可能基于RGB空间来进行。对于Sensor来说，通常的处理方式是通过校正R/B增益，使得UV值落在一个指定的范围内。从而实现自动白平衡。   1.1.2.2        特殊情况的处理 在自动白平衡中，容易遇到的问题是，如果拍摄的场景，排除光线色温的影响，其本身颜色就是偏离平均颜色值的，比如大面积的偏向某种颜色的图案如：草地，红旗，蓝天等等，这时候，强制白平衡将其平均颜色调整到灰色附近，图像颜色就会严重失真。 因此，通常的做法是：在处理自动白平衡时，除了做为目标结果的预期颜色范围外，另外再设置一对源图像的颜色范围阙值，如果未经处理的图像其颜色均值超出了该阙值的话，根本就不对其做自动白平衡处理。由此保证了上述特殊情况的正确处理。 可见，这两对阙值的确定对于自动白平衡的效果起着关键性的作用。 1.1.3          某平台的例子 英文代码              中文界面       色温       色温       RGAIN, GGAIN,   BGAIN cloud           阴天        7500k   0x1D4C, 0x00CD, 0x0085, 0x0080 daylight        日光        6500k   0x1964, 0x00A3, 0x0080, 0x0088 INCANDESCENCE   白热光    5000k   0x1388, 0x00A5, 0x0080, 0x0088 FLUORESCENT     日光灯      4400k   0x1130, 0x0098, 0x0080, 0x00A8 TUNGSTEN        钨丝灯      2800k   0x0AF0, 0x0080, 0x0081, 0x00A4   可以看到随着色温的升高，其变化规律基本符合上节中的理论分析。不过这里多数参数与理论值都有一些偏差，其中日光灯的色温参数设置与理论值有较大的偏差，实际效果也证明该日光灯的参数设置使得在家用日光灯环境下拍摄得到的照片颜色偏蓝。修改其参数后实拍效果明显改善。（再查一些资料可以看到通常会有两种荧光灯色温 4000 和 5000K，目前我所接触到的应该是5000K居多） 1.1.4          调试和验证

具体参数的调整，应该在灯箱环境下，使用各种已知色温的标准光源对标准色卡拍摄，在Pc机上由取色工具测量得到其与标准色板的RGB分量上的色彩偏差，相应的调整各分量增益的比例关系。为了更精确的得到结果，曝光量增益的设置在此之前应该相对准确的校正过。

色彩篇（三）

颜色相关特效处理

1.1        grayscale （灰阶） 灰阶图的效果就是将彩色图片转换为黑白图片。 1.2        理论 理论上，在YUV空间，将UV分量丢弃，只保留Y分量，这样就可以得到黑白图像，这也是彩色电式机信 能兼容黑白电视机的原理。如下图理论上Y值一样的颜色（右边是用acdsee转成灰度图的效果），在grayscale模式下看应该是一样的颜色。

亮度及曝光控制篇

1.1        亮度感应及曝光 1.1.1          感光宽容度 从最明亮到最黑暗，假设人眼能够看到一定的范围，那么胶片（或CCD等电子感光器件）所能表现的远比人眼看到的范围小的多，而这个有限的范围就是感光宽容度。 人眼的感光宽容度比胶片要高很多，而胶片的感光宽容度要比数码相机的ccd高出很多！了解这个概念之后，我们就不难了解，为什么在逆光的条件下，人眼能看清背光的建筑物以及耀眼的天空云彩。而一旦拍摄出来，要么就是云彩颜色绚烂而建筑物变成了黑糊糊的剪影，要么就是建筑物色彩细节清楚而原本美丽的云彩却成了白色的一片 再看人眼的结构，有瞳孔可以控制通光量，有杆状感光细胞和椎状感光细胞以适应不同的光强，可见即使人眼有着很高的感光宽容度，依然有亮度调节系统，以适应光强变化。 那么对于camera sensor来说，正确的曝光就更为重要了！ 1.1.2          自动曝光和18%灰 对于sensor来说，又是如何来判断曝光是否正确呢准的做法就是在YUV空间计算当前图像的Y值的均值。调节各种曝光参数设定（自动或手动），使得该均值落在一个目标值附近的时候，就认为得到了正确的曝光。 那么如何确定这个Y的均值，以及如何调整参数使得sensor能够将当前图像的亮度调整到这个范围呢 这就涉及到一个概念 18%灰，一般认为室内室外的景物，在通常的情况下，其平均的反光系数大约为18%，而色彩均值，如前所述，可以认为是一种中灰的色调。这样，可以通过对反光率为18%的灰板拍摄，调整曝光参数，使其颜色接近为中等亮度的灰色（Y值为128）。然后，对于通常的景物，就能自动的得到正确的曝光了。

校正的函数可以表示为 ‘>1，通常对于Window的输出显示系统，gamma值为2.2，而对于苹果的输出显示系统和打印系统来说，gamma值为1.8。

实际上，sensor在做gamma校正的时候，通常也一并作了从raw格式的10bit的数据到8bit数据的转换，所以这时候的公式可以表示为           对比度

对比度的调整在一定程度上说，其实也就是对gamma曲线的调整，增大对比度就是提高Gamma值。对于图像处理来说，也有在硬件gamma校正后，单独由软件再进行一次类似的幂函数变换来调整对比度。 1.1.6          曝光参数的调整 曝光强度的调整，可以通过改变曝光时间，也可以通过改变亮度增益AG来实现。 曝光时间受到桢频的限制，比如摄像时要求15帧每秒的话，这时候曝光时间最长就不能超过1/15s，可能还有别的条件限制，实际的曝光时间还要短，在光线弱的情况下，单独调整曝光时间就无法满足帧频的需要了。 这时候还可以调整增益AG，来控制曝光的增益，降低曝光时间。但是，这样做的缺点是以牺牲图像质量为代价的，AG的增强，伴随的必然是信噪比的降低，图像噪声的增强。 所以，以图像质量为优先考虑的时候，曝光参数的调节通常是优先考虑调节曝光时间，其次在考虑曝光增益。当然曝光时间也不能过长以免由于抖动造成图像的模糊，而在拍摄运动场景时，对曝光时间的要求就更高了。

抗噪、变焦、频闪篇

1.1        抗噪处理

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