数码摄影噪点浅析

数码摄影噪点浅析越来越多的专业摄影师和摄影爱好者使用数码照相机进行创作已经是不争的事实了。数码摄影有它方便快捷、便于后期处理等优势，但也有诸多“先天不足”，其中图像噪点恐怕是最受关注的问题之一。所谓的噪点是指数码图像上与被摄体无关的杂点（杂色），来自于英文的Noise一词，在其他学科里也称为噪音。从表现形式上来看，噪点可以分为亮度噪点和色彩噪点两种，如图2所示。图1完整照片图2原图局部，ISO1600从这幅例图中我们看到，在大图局部显示下，图像中出现了一些暗色斑（亮度噪点）及杂色斑（色彩噪点），在图像暗部尤其明显。多数情况下，噪点使得图像的解像力和色彩、质感表现大打折扣，因此，降噪成为相机厂商和用户普遍关心的问题。下文中我们将讨论噪点的产生机制和消减方法，在此之前，我们还是回顾一下数码成像的基本流程（图3）。图3数码成像的基本流程光线进入数码相机后在影像传感器上成像。最常见的影像传感器有CCD和CMOS两种，它就相当于传统相机里的胶卷。由于传感器的本质是光电转换半导体，因此不可避免地存在暗电流，暗电流掺杂到有效信号中就成为噪声。另外，曝光过程中传感器会有一定的发热，随之产生的是热噪声。这二者都会以噪点的形式表现到最终图像上。在日文里传统相机被称为“银盐相机”，因为胶卷表面覆盖着一层卤素微粒，微粒的颗粒大小就决定了胶卷的感光度。颗粒细的感光慢，感光度低；反之颗粒粗的感光度高。这样，我们通过换用不同的胶卷就可以得到不同的感光度。但是数码相机的影像传感器是不可更换的（注1），为了得到不同的感光度，它需要在信号的A/D转换时变换信号增益（Gain）。如果光线暗，就需要提高感光度即加大增益，这会降低信噪比，也就是增大了噪点。数码相机的影像传感器由一个个像素（Pixel）组成，相当于胶卷表面的银盐颗粒。像素可以把光信号转换成电信号，但它只能感知光强信息而不能识别色彩信息，因此通常的影像传感器前都需要一块色彩滤镜。常用的色彩滤镜是原色滤镜，它表面的色彩矩阵如图4所示。图4原色滤镜的色彩矩阵排列有了色彩滤镜，影像传感器就可以同时得到光强和色彩信息，但是单一像素只能感知一种色彩，而我们需要的是单一像素也能表现复合色彩，完成单一色彩到复合色彩转换工作的是相机的图像处理引擎。图像处理引擎根据某特定像素周围像素的色彩信息，插值计算出（实际上是模拟出）像素的色彩信息，显然这个过程也会有误差即噪点产生。插值算法是各数码相机厂商的核心技术，它决定了生成图像的色彩再现准确度和噪点水平。通过以上分析，噪点产生的主要环节就已经很清楚了：1.影像传感器这是噪点的最直接来源。除了固有的暗电流和热噪声，影像传感器的结构、特性及制造工艺水平也会影响噪点表现，因此这也是各大相机厂商竞相角逐的领地。目前除了最常见的CCD和CMOS之外，富士公司的蜂巢状CCD和佛文（Foven）公司的X3影像传感器以及奥林巴斯的E-330上装载的LiveMOS都在一定程度上实现了技术的突破，在噪点控制水平上也有了提升。2.A/D转换影像传感器得到的是模拟信号，要经过A/D转换成数字信号才能进一步生成图像。模拟信号在传输、处理过程中都会有误差—反映到图像中就是误信号即噪点。因此在模拟信号阶段，优化的处理方法会降低噪点。比如尼康最近的几款数码单反相机，都在模拟信号阶段进行了信号优化处理以提高画质和噪点水平，相信是很有效果的。3.图像生成演算模数转换后的信号要生成图像，不仅需要插值演算生成色彩信息，而且还要进行色相调整、对比度调整、降噪等等处理，处理精度差别也会带来不同的噪点。理想的演算方法是既能最大限度还原细节又不会“无中生有”—产生伪信号即噪点。此外，对于前面一定的输入信号而言，要最大限度保留细节。这意味着增加锐化程度和降噪本身是矛盾的，图像处理引擎在处理这样的问题时只能根据预定的算法进行“千篇一律”的处理，这显然不是很理想的。后文中还将深入讨论此问题。关于噪点产生机制的更详细分析，是电子工程师的任务，本文不做更深入的探讨。对于摄影师而言，更关心的是实际操作中的噪点问题，对此在一些看法上，一直以来存在不少争论，笔者在此也想谈谈自己的看法。1.相机内图像处理引擎和电脑解像软件处理噪点的优劣问题为了便于交流使用，图像格式一般要求用JPEG或者是TIFF，它们可以通过相机内图像处理引擎得到。RAW格式不经过图像处理引擎，需要我们用电脑软件处理后才能得到JPEG或TIFF文件。目前各相机厂商的RAW格式大都使用自己独特的编码方法，也配套有相应的RAW解像软件。那到底是相机内图像处理引擎还是解像软件对噪点控制好些呢？我们先来看一个例子。ab图5相机内图像处理引擎和电脑软件处理局部效果对比a为相机处理的JPEG，b为电脑RAW转JPEG图5用奥林巴斯E-300拍摄，ISO1600，使用RAW+JPEG图像模式，RAW文件用奥林巴斯的RAW解像软件OlympusStudio解像，作为比较的基准，RAW解像时锐度调到和JPEG格式同等水平，并进行了一定程度的去伪色处理。从这个对比看到，在同等锐度下，RAW解像得到的JPEG图像噪点得到了更好的控制。各相机厂商都宣称图像处理引擎会有各种“智能”的降噪算法，能在降噪时最大限度保留图像细节，但实际上，再“智能”的东西也比不上人脑：……