Camera Raw 原理淺析（1）
有關(guān)介紹 Camera Raw的書藉不少，網(wǎng)上的文章更是不勝其多。但是絕大多數(shù)都是介紹如何操作，如何使用各種調(diào)整工具，很少涉及原理和內(nèi)部一些深層次的問題，即使講到大都也只是泛泛其談，看了以后也不知其所以然。本文試圖對Camera Raw 做一些原理性的解析，涉及RAW格式，轉(zhuǎn)換過程等問題。而有關(guān)Camera Raw 的具體操作和使用方法均不在本文之列。
一、RAW 格式
數(shù)碼相機(jī)一般都可生成RAW和JPG兩種格式的圖像。下圖給出產(chǎn)生這兩種圖像的流程。
被攝物體的光，通過光電傳感器CCD或CMOS產(chǎn)生模擬量的電信號(hào)，放大后經(jīng)AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)為數(shù)值量，如果將這些數(shù)值量保存下來就是Raw圖像文件。如果將這些數(shù)值量作進(jìn)一步處理（去馬賽克、白平衡、Gamma校正、銳化去噪聲、壓縮等）就產(chǎn)生JPG圖像。由圖可見RAW文件中貯存的是未曽加工處理的原始數(shù)據(jù)，還有一些拍攝元數(shù)據(jù)（Metadata)即拍攝參數(shù)。所以嚴(yán)格講RAW只是數(shù)據(jù)文件不是圖像文件。在元數(shù)據(jù)中只有光圈、快門和ISO與生成RAW文件有關(guān)（如圖中所示）其它參數(shù)如白平衡、顏色空間，場景模式、優(yōu)化選項(xiàng)等都是在生成JPG文件時(shí)用到，與RAW文件無關(guān)，RAW文件中只是記錄下這些數(shù)據(jù)而已。
RAW文件沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)格式，這是因RAW文件處于數(shù)碼成像過程的層，與相機(jī)硬件有關(guān)，因此各個(gè)廠商都為自己相機(jī)制定RAW格式，盡管都比較類似，但互不相同，文件名也是有不同的后綴，如尼康RAW文件的后綴為NEF，佳能為CR2，索尼為ARW等。不同的格式對編寫RAW轉(zhuǎn)換程序會(huì)帶來一定麻煩，于是Adobe公司提出一種稱為DNG的格式，企圖作為RAW的標(biāo)準(zhǔn)，這是一種基于TIFF擴(kuò)展的文件格式，雖然有些廠家如徠卡，理光采用了DNG格式，但並未得到多數(shù)相機(jī)產(chǎn)家的認(rèn)可。不過現(xiàn)在已有不少圖像軟件都支持DNG格式，也有許多其它方面的DNG應(yīng)用軟件。用Adobe 的DNGconverter軟件可以將各種相機(jī)的RAW格式轉(zhuǎn)換為DNG格式。由于RAW文件記錄的是未曽加工的原始數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量都比較大，所以多數(shù)廠家對RAW文件做了壓縮，但都是無損壓縮。
二、RAW轉(zhuǎn)換軟件（RAWConverter）
RAW文件是未加工的原始數(shù)據(jù)，如果直接查看的話，看到的將是一幅沒有色彩且非常暗黑的圖像。RAW轉(zhuǎn)換軟件就是用來將RAW文件中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成可在輸出設(shè)備（如顯示器）上可看到的彩色圖像。常用的RAW轉(zhuǎn)換軟件如 Camera
大多數(shù)轉(zhuǎn)換軟件一般都有轉(zhuǎn)換和編輯兩種功能。轉(zhuǎn)換就是做基本的必須的轉(zhuǎn)換工作，將RAW轉(zhuǎn)換為彩色圖像。編輯就是在轉(zhuǎn)換過程中可對圖像進(jìn)行調(diào)整與編輯。其中的轉(zhuǎn)換功能往往不對用戶開放，即用戶看不到也無法干預(yù)，用戶看到的並能參與的只是編輯與調(diào)整,所以用戶使用的都是RAW轉(zhuǎn)換軟件的編輯功能。以Camera raw 為例，當(dāng)打開一個(gè)RAW文件時(shí)，用戶看到的是一幅已經(jīng)做了基本轉(zhuǎn)換的彩色圖像，用戶能做的大部分工作就是對該圖像的調(diào)整（如亮度，對比度，色調(diào)等）由于看不到完整的轉(zhuǎn)換過程，用戶往往會(huì)感到困惑，好像和用Photoshop調(diào)整JPG圖像差不多，但實(shí)質(zhì)上是完全不同的（在下面的文章中會(huì)有更多介紹）。雖然RAW轉(zhuǎn)換軟件一般都不提供如何轉(zhuǎn)換的細(xì)節(jié)，但還是可以用一些更底層的軟件如dcraw和matlab 來實(shí)現(xiàn)和分析這些過程。其中dcraw是一款命令行的RAW轉(zhuǎn)換軟件，即通過一條條命令來做某項(xiàng)工作，使用不很方便，但是相當(dāng)靈活，可以逐步跟蹤解析轉(zhuǎn)換的過程。據(jù)稱很多RAW轉(zhuǎn)換軟件包括Camera raw 在程序中都有調(diào)用dcraw的功能。而Matlab則是一款集數(shù)值計(jì)算、符號(hào)計(jì)算和圖形功能的編程工具。語法簡單，使用方便，可以通過編程了解RAW數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的過程。本文不準(zhǔn)備介紹這兩款軟件，只是在文中會(huì)提到一些有關(guān)的命令。
三、RAW轉(zhuǎn)換流程
下面先介紹轉(zhuǎn)換功能。各種轉(zhuǎn)換軟件，盡管在功能和使用上有諸多不同，但在原理上基本一樣的。其轉(zhuǎn)換流程也基本相同，主要包括下涂中的五個(gè)步驟
首先還需了解CCD/CMOS傳感器是如何記錄顏色的。
1）傳感器像素的顏色分佈
用RGB三色生成圖像的相機(jī)按理應(yīng)該有三層傳感器，通過濾鏡每層分別記錄三種顏色的亮度。但為了簡化工藝和降低成本，當(dāng)前數(shù)碼相機(jī)絕大多數(shù)只用一層傳感器。通過RGB濾鏡將三種顏色記錄在一層傳感器上，由于人眼對綠色更為敏感，所以使綠色像素是紅藍(lán)像素的二倍，形成交替的紅綠行和綠藍(lán)行，如下圖所示。這樣的顏色分佈稱為Bayer模式，一般用左上角四個(gè)像素的排序來命名，如圖所示為RGGB模式，
此外還可以有BGGR、GRBG和GBRG共四種模式。每個(gè)像素都是表示某一顏色的亮度（灰度）。RAW文件所記錄的數(shù)據(jù)就是這些像素亮度的值。因此原始RAW文件表示的是沒有色彩的灰度圖像。一般的RAW轉(zhuǎn)換軟件都不能查看原始的RAW文件。若用下面的dcraw命令
將RAW文件不做任何處理轉(zhuǎn)換為16位的tiff文件。多種圖像軟件（如PS，ACDSee等）都能查看tiff文件。下圖就是用Nikon相機(jī)同時(shí)拍攝JPG與RAW的兩張照片，并將RAW不加處理的轉(zhuǎn)為TIFF，可以看出原始的RAW圖像是沒有色彩而且是非常暗黑。
2）校正黑色電平（Substract black）
上圖看到原始的RAW圖像非常暗黒，一方面是由于傳感器中記錄的是還未經(jīng)Gamma校正的線性數(shù)據(jù)。更主要的還是數(shù)碼相機(jī)中標(biāo)志黑色電平有一正的偏移量，RAW數(shù)據(jù)是疊加在這偏移量上，所以看起來非常暗。因此RAW轉(zhuǎn)換的第一步就是校正黑色電平，從RAW數(shù)據(jù)中減去該黑色偏移量，使數(shù)值0為黑色電平。用下面的dcraw命令
可以減去黑色偏移量。下圖為校正后的圖像，可以看出比圖3已明亮許多，但還是仍然偏暗，這是因?yàn)檫€未做Gamma校正。
在圖的下方是將黃色和藍(lán)色的局部放大到1600%，可以看到Bayer模式下紅綠藍(lán)像素的分布及其亮度，黃色區(qū)域是紅綠的合成，所以藍(lán)像素的亮度為0（黑色），而紅綠像素的亮度相近。藍(lán)色區(qū)域比較暗，所以藍(lán)像素不是太亮并參雜些綠色，而紅像素亮度為0。
3）白平衡
調(diào)節(jié)白平就是使在不同光源下拍攝的景物不產(chǎn)生色偏，即白（灰）色物體在不同光源下拍得的都是白（灰）色。但更廣義的講白平衡還包括對傳感器的校正。由于傳感器對不同波長的光譜色響應(yīng)不同，即使在白光下拍攝白（灰）色物體，傳感器中紅綠藍(lán)三像素獲得的強(qiáng)度是不同的，也就是白（灰）色物體不呈白（灰）色，一般來說都是綠色偏強(qiáng)，紅藍(lán)色偏弱，這種由傳感器產(chǎn)生的色偏也需由白平衡來校正。調(diào)節(jié)白平衡就是將紅綠藍(lán)乘上不同的系數(shù)，使白（灰）色景物的紅綠藍(lán)三色的強(qiáng)度相等。白平衡是否正確會(huì)影響到后續(xù)的工作，所以調(diào)整白平衡都放在轉(zhuǎn)換過程的前端。一般是預(yù)設(shè)幾個(gè)色溫的白平參數(shù)（即紅綠藍(lán)三色的調(diào)整系數(shù)），用插入法求得所需色溫的參數(shù)。白平衡與相機(jī)有關(guān)，不同相機(jī)即使在相同色溫下，白平衡的調(diào)整系數(shù)也是不同的。所以在RAW轉(zhuǎn)換軟件中都存有各種相機(jī)的白平衡調(diào)整系數(shù)。并指定用哪種色溫作為默認(rèn)值。在cameraraw中用拍攝時(shí)相機(jī)設(shè)置的白平衡（色溫）作為白平衡的默認(rèn)值,即初始值。在以后調(diào)整時(shí)可以更改。
4）去馬賽克（demosaicing)
RAW文件是將紅綠藍(lán)記錄在同一層上，所以是灰度圖像。耍獲得彩色圖像必須將紅綠藍(lán)色分離，生成RGB三個(gè)通道。但分離后圖層中像素有空缺，需用插入法計(jì)算出空缺像素的值，再將三通道合成為彩色圖像。這一過程稱為去馬賽克（demosaicing），如下圖所示。
去馬賽克的算法很多，一般都是根據(jù)周邊的像素計(jì)算出空白像素的值，如下圖所示。
有的轉(zhuǎn)換軟件如RawTherapee允許在轉(zhuǎn)換過程中選擇用哪種算法，但Camera raw沒有選擇，只有一種固定的算法。去馬賽克后便能看到彩色的圖像。下面是用命令
校正黑色電平，調(diào)整白平衡以及去馬賽克后的圖像，已經(jīng)是彩色圖像了，由于還未做Gamma校正，所以圖像還有點(diǎn)暗。
5）轉(zhuǎn)換顏色空間
各種相機(jī)都有自己的顏色空間，這是由于采用的RGB濾鏡各不相同所致，例如純紅的數(shù)值都是255，0，0，怛不同相機(jī)表現(xiàn)出不同的顏色，因此就需要將其轉(zhuǎn)換為某種標(biāo)準(zhǔn)的顏色空間。顏色空間的轉(zhuǎn)換有不同的算法，Camera raw 采用的是先將相機(jī)的顏色空間轉(zhuǎn)換到大色域XYZ空間作為中介，再從中介空間轉(zhuǎn)換到目的顏色空間。然而目的空間也只是一個(gè)過渡的中間空間，Camera raw還需在此空間下做大量的調(diào)整與編輯，也需要有較大的色域，所以Camera raw 選用的是prophoto RGB空間。于是這一步的工作是先將相機(jī)顏色空間轉(zhuǎn)為XYZ空間，再將XYZ轉(zhuǎn)為prophotoRGB空間。轉(zhuǎn)換的方法一般是通過一個(gè)3x3的顏色矩陣。從XYZ轉(zhuǎn)為prophotoRGB，由于源和目的都是有規(guī)范的，所以轉(zhuǎn)換的方法也是明確和固定的。但從相機(jī)顏色空間轉(zhuǎn)到XYZ是與相機(jī)有關(guān)，需要有該相機(jī)相關(guān)的顏色矩陣。凡是Camera raw支持的相機(jī)，在其軟件中都會(huì)有相應(yīng)的數(shù)據(jù)，用戶也可通過相機(jī)配置文件來修改這些數(shù)據(jù)。
6）Gamma 校正
原始的RAW數(shù)據(jù)是線性的，即像素階值的大小與光線的強(qiáng)弱成正比。線性數(shù)據(jù)在調(diào)整時(shí)比較方便，所以在調(diào)整過程中都用線性數(shù)據(jù)。但人眼對光線的感知是非線性的，圖像看起來比較暗，所以在轉(zhuǎn)換的最后需要按照人眼感知特點(diǎn)做非線性的Gamma校正，如下圖所示。
在Camera raw 中Gamma校正的默認(rèn)值為2.2。用戶可以通過相機(jī)配置文件來修改。至此RAW轉(zhuǎn)換過程已完成，其中可能還有一些去噪銳化等少量工作。這時(shí)窗口中會(huì)顯示出轉(zhuǎn)換結(jié)束后的圖像（如下圖所示）。與同時(shí)拍攝的JPG圖像基本相似。
整個(gè)轉(zhuǎn)換過程就是從Camera raw 打開一幅RAW圖像到窗口中岀現(xiàn)彩色圖像的過程。在轉(zhuǎn)換過程中用戶是能干預(yù)的，但在轉(zhuǎn)換結(jié)束后，用戶可以調(diào)整轉(zhuǎn)換過程中用到的參數(shù)使其改變轉(zhuǎn)換的結(jié)果，（如修改白平衡參數(shù)）。
RAW數(shù)據(jù)經(jīng)轉(zhuǎn)換后建立了一個(gè)具有較大色域的prophoto RGB 顏色空間，16位深度和線性圖像的中間空間。是一個(gè)有很大調(diào)整余地的空間。接下來的調(diào)整與編輯工作絕大多數(shù)都在該空間中進(jìn)行。
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