數(shù)碼攝影噪點(diǎn)淺析

1、數(shù)碼攝影噪點(diǎn)淺析     越來越多的專業(yè)攝影師和攝影愛好者使用數(shù)碼照相機(jī)進(jìn)行創(chuàng)作已經(jīng)是不爭(zhēng)的事實(shí)了。數(shù)碼攝影有它方便快捷、便于后期處理等優(yōu)勢(shì)，但也有諸多“先天不足”，其中圖像噪點(diǎn)恐怕是最受關(guān)注的問題之一。     所謂的噪點(diǎn)是指數(shù)碼圖像上與被攝體無(wú)關(guān)的雜點(diǎn)（雜色），來自于英文的Noise一詞，在其他學(xué)科里也稱為噪音。從表現(xiàn)形式上來看，噪點(diǎn)可以分為亮度噪點(diǎn)和色彩噪點(diǎn)兩種，如圖2所示。 圖1  完整照片        &

2、#160;        圖2  原圖局部，ISO 1600    從這幅例圖中我們看到，在大圖局部顯示下，圖像中出現(xiàn)了一些暗色斑（亮度噪點(diǎn)）及雜色斑（色彩噪點(diǎn)），在圖像暗部尤其明顯。     多數(shù)情況下，噪點(diǎn)使得圖像的解像力和色彩、質(zhì)感表現(xiàn)大打折扣，因此，降噪成為相機(jī)廠商和用戶普遍關(guān)心的問題。下文中我們將討論噪點(diǎn)的產(chǎn)生機(jī)制和消減方法，在此之前，我們還是回顧一下數(shù)碼成像的基本流程（圖3）。圖3  數(shù)碼成像的基本流程  

3、;  光線進(jìn)入數(shù)碼相機(jī)后在影像傳感器上成像。最常見的影像傳感器有CCD和CMOS兩種，它就相當(dāng)于傳統(tǒng)相機(jī)里的膠卷。由于傳感器的本質(zhì)是光電轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體，因此不可避免地存在暗電流，暗電流摻雜到有效信號(hào)中就成為噪聲。另外，曝光過程中傳感器會(huì)有一定的發(fā)熱，隨之產(chǎn)生的是熱噪聲。這二者都會(huì)以噪點(diǎn)的形式表現(xiàn)到最終圖像上。在日文里傳統(tǒng)相機(jī)被稱為“銀鹽相機(jī)”，因?yàn)槟z卷表面覆蓋著一層鹵素微粒，微粒的顆粒大小就決定了膠卷的感光度。顆粒細(xì)的感光慢，感光度低；反之顆粒粗的感光度高。這樣，我們通過換用不同的膠卷就可以得到不同的感光度。但是數(shù)碼相機(jī)的影像傳感器是不可更換的（注1），為了得到不同的感光度，它需要在信號(hào)

4、的A/D轉(zhuǎn)換時(shí)變換信號(hào)增益（Gain）。如果光線暗，就需要提高感光度即加大增益，這會(huì)降低信噪比，也就是增大了噪點(diǎn)。     數(shù)碼相機(jī)的影像傳感器由一個(gè)個(gè)像素（Pixel）組成，相當(dāng)于膠卷表面的銀鹽顆粒。像素可以把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，但它只能感知光強(qiáng)信息而不能識(shí)別色彩信息，因此通常的影像傳感器前都需要一塊色彩濾鏡。常用的色彩濾鏡是原色濾鏡，它表面的色彩矩陣如圖4所示。圖4  原色濾鏡的色彩矩陣排列    有了色彩濾鏡，影像傳感器就可以同時(shí)得到光強(qiáng)和色彩信息，但是單一像素只能感知一種色彩，而我們需要的是單一像素也能表現(xiàn)

5、復(fù)合色彩，完成單一色彩到復(fù)合色彩轉(zhuǎn)換工作的是相機(jī)的圖像處理引擎。圖像處理引擎根據(jù)某特定像素周圍像素的色彩信息，插值計(jì)算出（實(shí)際上是模擬出）像素的色彩信息，顯然這個(gè)過程也會(huì)有誤差即噪點(diǎn)產(chǎn)生。插值算法是各數(shù)碼相機(jī)廠商的核心技術(shù)，它決定了生成圖像的色彩再現(xiàn)準(zhǔn)確度和噪點(diǎn)水平。     通過以上分析，噪點(diǎn)產(chǎn)生的主要環(huán)節(jié)就已經(jīng)很清楚了：     1. 影像傳感器     這是噪點(diǎn)的最直接來源。除了固有的暗電流和熱噪聲，影像傳感器的結(jié)構(gòu)、特性及制造工藝水平也會(huì)影響噪點(diǎn)表現(xiàn)，因此這也是各大相

6、機(jī)廠商競(jìng)相角逐的領(lǐng)地。目前除了最常見的CCD和CMOS之外，富士公司的蜂巢狀CCD和佛文（Foven）公司的X3影像傳感器以及奧林巴斯的E-330上裝載的Live MOS都在一定程度上實(shí)現(xiàn)了技術(shù)的突破，在噪點(diǎn)控制水平上也有了提升。     2. A/D轉(zhuǎn)換     影像傳感器得到的是模擬信號(hào)，要經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)才能進(jìn)一步生成圖像。模擬信號(hào)在傳輸、處理過程中都會(huì)有誤差反映到圖像中就是誤信號(hào)即噪點(diǎn)。因此在模擬信號(hào)階段，優(yōu)化的處理方法會(huì)降低噪點(diǎn)。比如尼康最近的幾款數(shù)碼單反相機(jī)，都在模擬信號(hào)階段進(jìn)行了信號(hào)優(yōu)化處理以

7、提高畫質(zhì)和噪點(diǎn)水平，相信是很有效果的。     3. 圖像生成演算     模數(shù)轉(zhuǎn)換后的信號(hào)要生成圖像，不僅需要插值演算生成色彩信息，而且還要進(jìn)行色相調(diào)整、對(duì)比度調(diào)整、降噪等等處理，處理精度差別也會(huì)帶來不同的噪點(diǎn)。理想的演算方法是既能最大限度還原細(xì)節(jié)又不會(huì)“無(wú)中生有”產(chǎn)生偽信號(hào)即噪點(diǎn)。     此外，對(duì)于前面一定的輸入信號(hào)而言，要最大限度保留細(xì)節(jié)。這意味著增加銳化程度和降噪本身是矛盾的，圖像處理引擎在處理這樣的問題時(shí)只能根據(jù)預(yù)定的算法進(jìn)行“千篇一律”的處理，這顯然不是很理想的

8、。后文中還將深入討論此問題。關(guān)于噪點(diǎn)產(chǎn)生機(jī)制的更詳細(xì)分析，是電子工程師的任務(wù)，本文不做更深入的探討。對(duì)于攝影師而言，更關(guān)心的是實(shí)際操作中的噪點(diǎn)問題，對(duì)此在一些看法上，一直以來存在不少爭(zhēng)論，筆者在此也想談?wù)勛约旱目捶ā?#160;    1. 相機(jī)內(nèi)圖像處理引擎和電腦解像軟件處理噪點(diǎn)的優(yōu)劣問題     為了便于交流使用，圖像格式一般要求用JPEG或者是TIFF，它們可以通過相機(jī)內(nèi)圖像處理引擎得到。RAW格式不經(jīng)過圖像處理引擎，需要我們用電腦軟件處理后才能得到JPEG或TIFF文件。目前各相機(jī)廠商的RAW格式大都使用自己獨(dú)特的編

9、碼方法，也配套有相應(yīng)的RAW解像軟件。那到底是相機(jī)內(nèi)圖像處理引擎還是解像軟件對(duì)噪點(diǎn)控制好些呢？我們先來看一個(gè)例子。a                         b圖5  相機(jī)內(nèi)圖像處理引擎和電腦軟件處理局部效果對(duì)比a為相機(jī)處理的JPEG，b為電腦RAW轉(zhuǎn)JPEG    圖5用奧林巴斯E-300拍攝，ISO1600，使用RAW+JPEG圖像模式，RAW文件用奧林巴斯的RAW解像軟件Olympus Studio解像，作為比較的基準(zhǔn)，RAW解像時(shí)銳度調(diào)到和JPEG格式同等水平，并進(jìn)行了一定程度的去偽色處理。