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圖像信號(hào)處理芯片設(shè)計(jì)原理----02 鏡頭陰影矯正

本系列主要介紹圖像信號(hào)處理器 (ISP, Image Signal Processor) 中各核心算法模塊的設(shè)計(jì)以及相關(guān)的前沿研究，以典型的相機(jī)成像系統(tǒng)為基礎(chǔ)，涉及的內(nèi)容包括各類缺陷校正，去馬賽克，去噪，3A算法（自動(dòng)對(duì)焦，自動(dòng)曝光，自動(dòng)白平衡），超分，HDR，風(fēng)格遷移等主題。

本文將分析鏡頭陰影成因，并介紹其矯正方法。

一個(gè)攝像頭的光學(xué)處理模塊主要包含以下幾部分，分別為鏡頭 (Lens)，紅外截止濾波片 (IR-cut Filter)，圖像傳感器 (Image Sensor) 和印刷電路板。其中，鏡頭、紅外截止濾波片和圖像傳感器是導(dǎo)致鏡頭陰影的主要部分。ISP中有專門的模塊去除鏡頭陰影，該模塊一般稱為鏡頭陰影校正 (Lens Shading Correction, LSC)。

鏡頭陰影簡(jiǎn)介及成因

鏡頭陰影 (Lens Shading) 主要分為2種：亮度陰影 (Luma Shading) 和色彩陰影 (Color Shading)。

01 亮度陰影

亮度陰影（光學(xué)上稱為漸暈，Vignetting）就是我們常說(shuō)的暗角，典型表現(xiàn)為圖像中心區(qū)域較亮，四周偏暗，如下圖1所示。

圖1

亮度陰影的成因主要有以下兩種：

機(jī)械陰影

鏡頭本身的機(jī)械結(jié)構(gòu)導(dǎo)致，稱為機(jī)械陰影 (Mechanical Shading)。鏡頭的各模塊在制作和組裝的過(guò)程中存在一定的工藝誤差，從而影響光線在鏡頭內(nèi)部的傳播。類似于光學(xué)中的漸暈現(xiàn)象，如下圖2所示，造成這種陰影的原因主要為遮光罩等機(jī)械結(jié)構(gòu)，較大角度進(jìn)入鏡頭的一些光線被鏡筒遮擋，這些光線進(jìn)入sensor時(shí)的亮度大幅衰減。

圖2

自然陰影

由鏡頭的光學(xué)特性引起，也稱為自然陰影（Natural Shading）。對(duì)于整個(gè)鏡頭，可將其視為一個(gè)凸透鏡。由于凸透鏡中心的聚光能力遠(yuǎn)大于其邊緣，從而導(dǎo)致Sensor中心的光線強(qiáng)度大于四周。此種現(xiàn)象也稱之為邊緣光照度衰減。表現(xiàn)為圖像中心亮、四周暗。圖像從中心向四周衰減的速率基本符合COSθ⁴法則。具體公式如下所示，I_o表示中心光強(qiáng)，θ表示入射光線與水平軸的夾角。

I = I_o* COSθ⁴

02 色度陰影

色彩陰影表現(xiàn)為圖像中心區(qū)域與四周顏色不一致，即圖像的四周或中心區(qū)域出現(xiàn)偏色，如下圖3所示。

圖3

色彩陰影的成因較為復(fù)雜，影響因素較多，以下做簡(jiǎn)要介紹。先簡(jiǎn)要介紹紅外截止濾波片的特性。紅外截止濾波片位于鏡頭和圖像傳感器之間。主要用于消除投射到Sensor上不必要的光線，防止Sensor產(chǎn)生偽色/波紋，從而提高色彩還原性。由于圖像傳感器上的RGB像素濾波片不能濾除紅外光和紫外光，因此需要使用另外的濾波片進(jìn)行濾除，否則會(huì)導(dǎo)致紅綠藍(lán)像素點(diǎn)的亮度值與人眼觀察到的亮度值存在較大的差異。色彩陰影成因主要有以下三點(diǎn)：

紅外截止濾波片

紅外截止濾波片（IR-Cut Filter）引入。普通的IR-Cut Filter為干涉型紅外截止濾波片，在可見光區(qū)域有較高的透過(guò)率，存在較低反射率，而在紅外區(qū)域正好相反，反射率較高，透過(guò)率很低。成角度拍攝照片時(shí)，紅外光在IR膜上會(huì)有較大反射，經(jīng)過(guò)多次反射后，被Sensor接收從而改變圖像R通道的值，引起圖像偏色問(wèn)題。

色散現(xiàn)象

鏡頭本身的光學(xué)特性（色散現(xiàn)象），如下圖4所示，同一介質(zhì)對(duì)不同波長(zhǎng)光線的折射率不同，Sensor感受到光的位置會(huì)發(fā)生偏差。

圖4

主光線角

由Sensor上微透鏡的CRA (Chief Ray Angle，主光線角)與Lens的CRA不匹配導(dǎo)致。鏡頭的主光線角與傳感器不匹配，會(huì)使傳感器的像素出現(xiàn)在光檢測(cè)區(qū)域周圍，致使像素曝光不足，亮度不夠。Lens CRA與Sensor CRA一般相差在3°范圍內(nèi)，Lens CRA大于Sensor CRA時(shí)容易出現(xiàn)色彩陰影。

Lens CRA：從鏡頭的傳感器一側(cè)，可以聚焦到像素上的光線的最大角度。

Sensor CRA：Sensor上微透鏡在保證像素感光效能為中心80%的前提下，能糾正的最大光路角度。

鏡頭陰影矯正方法介紹

鏡頭陰影校正的過(guò)程如下圖所示?？梢钥吹接捎阽R頭陰影的影響，圖像亮度從中心向四周衰減，因此可以擬合一條校正曲線，根據(jù)像素點(diǎn)在曲線所處位置，從校正曲線上獲得增益值，對(duì)像素點(diǎn)進(jìn)行校正。

圖5

常用的鏡頭陰影校正方法有三種，下面簡(jiǎn)要介紹。

同心圓法

鏡頭陰影從圖像中心到四周越來(lái)越嚴(yán)重，且基本是呈現(xiàn)中心對(duì)稱的，根據(jù)鏡頭陰影的這個(gè)特點(diǎn)，提出了一種鏡頭陰影校正方法，即根據(jù)各像素點(diǎn)與圖像中心的距離R計(jì)算出一個(gè)校正系數(shù)。如下圖所示，該方法簡(jiǎn)單、復(fù)雜度低、占用內(nèi)存少，但是鏡頭裝配過(guò)程復(fù)雜，不存在這種完全對(duì)稱的情況，因此，該方法鏡頭陰影校正的效果一般欠佳，不具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

圖6

網(wǎng)格法

鏡頭陰影的漸變曲率從中心到邊緣逐漸增大，增益曲線表現(xiàn)為中心疏，邊緣密。因此將圖像劃分成中間疏、四周密的網(wǎng)格，每個(gè)塊內(nèi)有不同的增益。位于每個(gè)塊內(nèi)的像素點(diǎn)認(rèn)為具有相同的增益值有相同的增益。網(wǎng)格法如下圖6所示，該方法能適應(yīng)不同的鏡頭模組，陰影校正效果較好。

圖7

改進(jìn)的網(wǎng)格法

網(wǎng)格法雖然適應(yīng)性較好，但是每塊網(wǎng)格內(nèi)具有相同的增益值，陰影校正的精度較差。在網(wǎng)格法的基礎(chǔ)上做出了改進(jìn)，引入了插值的思想。將圖像等分成塊，測(cè)出塊四個(gè)頂點(diǎn)的增益值，落在塊內(nèi)部像素點(diǎn)的增益值根據(jù)四個(gè)頂點(diǎn)的增益值插值得出。改進(jìn)的網(wǎng)格法如下圖所示，可以適應(yīng)非對(duì)稱的模組情況，對(duì)陰影的校正效果更好，精度更高，缺點(diǎn)主要為計(jì)算量大、所占內(nèi)存多。