錢 峰

（江蘇技術(shù)師范學(xué)院 藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，江蘇 常州 213001）

數(shù)碼相機(jī)的成像缺陷與應(yīng)對(duì)方法

錢 峰

（江蘇技術(shù)師范學(xué)院 藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，江蘇 常州 213001）

數(shù)碼相機(jī)逐漸普及，但由于數(shù)碼器件的物理特性和技術(shù)限制，目前數(shù)碼相機(jī)成像不可避免地還存在很多不足之處。著重對(duì)數(shù)碼相機(jī)的成像缺陷進(jìn)行研究和歸納，并提供應(yīng)對(duì)思路與方法。

數(shù)碼相機(jī)；成像缺陷；應(yīng)對(duì)方法

數(shù)碼相機(jī)的出現(xiàn)和逐步普及標(biāo)志著攝影技術(shù)向數(shù)字化新紀(jì)元的跨越式發(fā)展，人們的影像生活也由此得到了徹底改變。數(shù)碼相機(jī)拍攝直觀、節(jié)省資金，圖像便于制作，極具人性化和親和力，已然成為生活領(lǐng)域和專業(yè)領(lǐng)域的首選照相器材。然而，由于數(shù)碼器件的物理特性和技術(shù)限制，目前數(shù)碼相機(jī)成像不可避免地還存在很多不足之處，需要我們加以研究和應(yīng)對(duì)。

1.數(shù)碼相機(jī)的成像缺陷

1.1 寬容度較小

“寬容度”是銀鹽感光材料（膠片）非常重要的感光特性之一，它表述了銀鹽感光材料記錄可見(jiàn)光明暗變化的范圍和能力。數(shù)碼相機(jī)的感光原器件與傳統(tǒng)相機(jī)一樣也存在著感光寬容度的問(wèn)題，通常被稱為數(shù)碼相機(jī)的“動(dòng)態(tài)范圍”。動(dòng)態(tài)范圍越大，表明記錄影調(diào)的范圍就越大，拍攝出的圖像層次和色彩越豐富。

將寬容度對(duì)應(yīng)成光圈級(jí)數(shù)，黑白負(fù)片的寬容度大約是7～9級(jí)，彩色負(fù)片的寬容度大約是7級(jí)左右，彩色反轉(zhuǎn)片和數(shù)碼單反相機(jī)的寬容度則大約是5～6級(jí)（通常認(rèn)為數(shù)碼單反相機(jī)的寬容度是5級(jí)，許多軟件都將直方圖分成5個(gè)區(qū)域（圖1），實(shí)際上應(yīng)該是接近6級(jí)）。

根據(jù)測(cè)試，一般數(shù)碼單反相機(jī)高光過(guò)度不能超過(guò)2級(jí)，暗部不足不能低過(guò)3級(jí)。目前數(shù)碼相機(jī)感光器件的寬容度還不如膠片（彩色負(fù)片），尤其是中低檔數(shù)碼相機(jī)更是如此。

1.2 容易出現(xiàn)噪點(diǎn)

數(shù)碼相機(jī)的噪點(diǎn)（noise）也稱為噪聲、噪音，主要是指 CCD（CMOS）將光線作為接收信號(hào)接收并輸出的過(guò)程中所產(chǎn)生的圖像中的粗糙部分，也指圖像中不該出現(xiàn)的外來(lái)像素，通常由電子干擾產(chǎn)生?？雌饋?lái)就像圖像被弄臟了，布滿一些細(xì)小的糙點(diǎn)。我們平時(shí)所拍攝的數(shù)碼照片如果用個(gè)人電腦將其縮小以后再觀看，也許就注意不到。不過(guò)，如果將原圖像放大，那么就會(huì)出現(xiàn)本來(lái)沒(méi)有的顏色（假色），這種假色就是圖像噪點(diǎn)（圖2）。

圖1

圖2

1.3 容易產(chǎn)生摩爾紋

在數(shù)碼相機(jī)拍攝的景物中，如果有較密的紋理，照片中常常會(huì)出現(xiàn)莫名其妙的水波樣的條紋（圖 3）。這就是摩爾紋（moire patterns，即疊紋）。

數(shù)碼相機(jī)的 CCD（CMOS）感光器的感光單元具有一定的空間頻率，如果影像中的條紋的空間頻率與感光單元的空間頻率相近，就會(huì)有一些條紋正好落在感光單元上，而另一些落到兩個(gè)感光單元之間，形成差拍，產(chǎn)生摩爾紋。

圖4是兩組空間頻率略有差異的條紋，它們左端黑線位置相同，由于間隔不同，向右邊逐漸過(guò)渡，黑色線條就不能重合了。圖5將兩組條紋重疊，稍微拿遠(yuǎn)一點(diǎn)看，就可以看到典型的摩爾紋圖案了。

圖3

圖4

圖5

數(shù)碼相機(jī)拍攝的照片中產(chǎn)生摩爾紋的原理與上例相似，如果我們將其中的一組條紋看作感光單元、另一組看作影像中的條紋，感光單元上的信號(hào)會(huì)周期性地變化，形成摩爾紋。絕大多數(shù)數(shù)碼相機(jī)的感光單元是三、四種顏色交替排列的，這種情況下就會(huì)產(chǎn)生彩色摩爾紋。傳統(tǒng)相機(jī)使用膠片記錄影像的過(guò)程中不存在規(guī)律分布的像素，也就沒(méi)有固定的空間頻率，所以也就不會(huì)出現(xiàn)摩爾紋。

1.4 容易形成紫邊

紫邊（Purple Fringing）現(xiàn)象是指數(shù)碼相機(jī)拍攝高反差、強(qiáng)逆光景物的照片中，在高光與低光部位交界處出現(xiàn)紫色（多數(shù)情況下是紫色，有時(shí)也可能是其他顏色）鑲邊的現(xiàn)象（圖6）。幾乎絕大部分的數(shù)碼相機(jī)包括昂貴的數(shù)碼單反相機(jī)或多或少都存在這個(gè)問(wèn)題，差別只是程度問(wèn)題，有的格外嚴(yán)重，有的程度稍輕。

產(chǎn)生紫邊現(xiàn)象的主要原因有兩點(diǎn)：衍射（Diffraction）、Mosaic遮罩濾鏡式CCD/CMOS的色彩插值。

衍射（Diffraction）是一種光波的基本特性。光線是一種波，有一定的波長(zhǎng)，當(dāng)光線通過(guò)一些小孔或者窄縫時(shí)，產(chǎn)生偏離直線傳播，在物體的邊緣出現(xiàn)光波分散現(xiàn)象，出現(xiàn)彩色條紋（單色光照射時(shí)出現(xiàn)明暗相間的單色條紋）（圖7）。由此可知，當(dāng)強(qiáng)光通過(guò)高反差、強(qiáng)逆光景物邊緣時(shí)，產(chǎn)生了衍射現(xiàn)象（顏色化邊），然后經(jīng)過(guò)鏡頭在數(shù)碼相機(jī)的CCD/CMOS上成像。

圖6

圖7

分析現(xiàn)在的CCD/CMOS（除了Foveon X3 CMOS）都是 Mosaic遮罩式，CCD/CMOS本身不感知色彩，透過(guò)CCD/CMOS每個(gè)象素前面的RGB（或者CYGM）濾鏡，一個(gè)象素只測(cè)R、G、B其中一種原色的密度，再由相機(jī)內(nèi)部軟件進(jìn)行彩色化插值處理，利用周邊象素信息“猜測(cè)”插值出其他顏色。產(chǎn)生紫邊的關(guān)鍵點(diǎn)就在這個(gè)彩色插值過(guò)程中。這個(gè)插值過(guò)程并不可能完全反映真實(shí)的色彩分布（就紫邊而言就是那部分邊緣產(chǎn)生的衍射部分），相機(jī)里的算法只能通過(guò)周邊的象素“推測(cè)”出真正的全色分布，這也造成了邊緣不清晰、色彩干擾等一系列問(wèn)題。由于 Mosaic遮罩式CCD/CMOS濾鏡排列方式的缺陷，在彩色化插值運(yùn)算中最容易推測(cè)出來(lái)的就是洋紅（就是大部分紫邊的主色），也就產(chǎn)生了刺眼的紫邊。

因此，紫邊是由于高反差、強(qiáng)逆光物體邊緣產(chǎn)生光學(xué)衍射，加上CCD/CMOS在色彩插值時(shí)的固有缺陷造成的。傳統(tǒng)相機(jī)并不會(huì)出現(xiàn)這個(gè)問(wèn)題，甚至便宜至幾十元使用有機(jī)玻璃作為鏡頭的一次性相機(jī)也不會(huì)出現(xiàn)這個(gè)問(wèn)題，紫邊只出現(xiàn)在使用單CCD/CMOS的數(shù)碼相機(jī)和中低檔民用數(shù)碼攝像機(jī)上。

2.應(yīng)對(duì)方法

2.1 降低場(chǎng)景反差，用足數(shù)碼相機(jī)寬容度

我們?cè)谑褂脭?shù)碼相機(jī)時(shí)應(yīng)注意不要選擇陽(yáng)光直射、光線反差較大的景物拍攝。必要時(shí)應(yīng)使用反光板或閃光燈對(duì)被攝對(duì)象進(jìn)行補(bǔ)光，以降低光比。在測(cè)光時(shí)盡量選用點(diǎn)測(cè)光，直接對(duì)明亮的主體進(jìn)行測(cè)光和曝光，以減少或避免主要景物的亮部失去層次，得到上佳的影調(diào)表現(xiàn)。

另外，我們還可以根據(jù)場(chǎng)景的亮部、中間調(diào)、暗部分別采用不同的曝光組合各拍一張照片，后期在Photoshop圖像處理軟件中通過(guò)“Merge to HDR”功能合成較大動(dòng)態(tài)范圍的照片。但這種方法只適合拍攝靜態(tài)場(chǎng)景時(shí)使用。

2.2 全面考慮、優(yōu)化設(shè)置，多途徑消滅噪點(diǎn)

（1）在可能的情況下，盡量使用較小的 ISO感光度設(shè)置，必要時(shí)使用三腳架。

（2）盡可能準(zhǔn)確測(cè)光、精確曝光，在確保亮部不過(guò)曝的前提下盡量杜絕整體曝光不足。

（3）盡量避免拍攝有較多暗部或陰影的景物，在可能的情況下可對(duì)暗部進(jìn)行必要的補(bǔ)光。

（4）在存儲(chǔ)卡空間允許的情況下，盡可能使用RAW格式或TIFF格式拍攝，用JPG格式拍攝時(shí)，盡可能選擇較小的壓縮率。

（5）盡量不要選擇相機(jī)自帶的高對(duì)比、高銳度選項(xiàng)。

（6）部分?jǐn)?shù)碼相機(jī)中配備了“降噪”功能，在容易產(chǎn)生噪點(diǎn)的情況下拍攝時(shí)，可啟動(dòng)該功能。

（7）從原理上來(lái)說(shuō)，相對(duì)像素?cái)?shù)量而言，CCD（CMOS）尺寸較小的機(jī)型容易產(chǎn)生圖像噪點(diǎn)。由于 CCD（CMOS）正在變得越來(lái)越先進(jìn)，雖然不能一概而論，但是在同一時(shí)期亮相的機(jī)型雖然像素接近，但如果 CCD（CMOS）尺寸小的話，往往容易產(chǎn)生圖像噪點(diǎn)。所以，在像素量相同或相近的情況下，盡量購(gòu)買、使用 CCD（CMOS）尺寸較大的機(jī)型。

雖然后期可以在 Photoshop等圖像處理軟件中進(jìn)行處理，達(dá)到改善、消除圖像噪點(diǎn)的目的。但與此同時(shí)，也在一定程度上對(duì)圖片質(zhì)量造成了影響。所以，應(yīng)盡量在拍攝過(guò)程中將噪點(diǎn)控制到最少，最大限度地提升圖片質(zhì)量。

數(shù)碼相機(jī)的寬容度、感光度和噪點(diǎn)與單個(gè)像素的面積有關(guān)。因此，現(xiàn)在衡量數(shù)碼相機(jī)的性能時(shí)都會(huì)提到CCD/CMOS面積大小，當(dāng)然是越大越好。因?yàn)镃CD/CMOS面積越大，在相同分辨率（相同像素?cái)?shù)）時(shí)，大CCD/CMOS的數(shù)碼相機(jī)單個(gè)像素的面積更大，像素間距也更大，這樣單體像素受到更飽滿的光照，同時(shí)像素間干擾減少，數(shù)碼相機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍（寬容度）就更大、感光度更高、噪點(diǎn)更少，成像質(zhì)量更好。

2.3 尋找最佳光線和角度，盡量避免摩爾紋的產(chǎn)生

我們可以選取不同的拍攝角度（室外）或嘗試變換光線方向（室內(nèi)），盡量避開容易產(chǎn)生摩爾紋的角度和光線，多拍攝幾張照片備選，進(jìn)而將摩爾紋產(chǎn)生的可能性控制在最小。

很多時(shí)候摩爾紋是沒(méi)有辦法完全避免的，對(duì)于已經(jīng)出現(xiàn)摩爾紋的照片，我們也可以使用專用的軟件來(lái)消除（如Phase One軟件）。

現(xiàn)在，為了減弱摩爾紋，一些高檔數(shù)碼相機(jī)中安裝有用來(lái)濾除影像中較高空間頻率部分的低通濾波器，但這同時(shí)也降低了圖像的銳度。我們也可以購(gòu)買這樣的數(shù)碼相機(jī)來(lái)使用。

2.4 避開強(qiáng)逆光，改善紫邊現(xiàn)象

在拍攝時(shí)就要盡量注意避免高反差強(qiáng)逆光情況，如果實(shí)在無(wú)法避免，則應(yīng)該適當(dāng)?shù)卮蜷_閃光燈進(jìn)行補(bǔ)光以降低反差。此外，在后期通過(guò)Photoshop圖像處理軟件“鏡頭校正”濾鏡中的“色差”調(diào)整功能也可以改善或去除圖片中的紫邊。

[1] 劉榜. 美國(guó)紐約攝影學(xué)院攝影教材[M]. 北京：中國(guó)攝影出版社，2005.

[2] 劉燦國(guó). 數(shù)字?jǐn)z影[M]. 杭州：浙江攝影出版社，2006.

[3] 馮漢紀(jì). 后數(shù)碼時(shí)代的攝影[M]. 杭州：浙江攝影出版社，2004.

[4] Scott Kelby.The Photoshop CS Book for Digital Photographers. 北京：人民郵電出版社，2004.

Imaging Defects of Digital Camera and Recommended Solutions

QIAN feng

With the increasing adoption of digital cameras, the defects of current digital camera images are founded inevitably owning to the physical and technical limitations from digital devices. For that reason, this research is focusing on looking for the defects in digital camera imaging, and trying to provide recommended solutions.

Digital Camera; Imaging Defects; Recommended Solutions

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1008-7427（2010）03-0099-02

2009-12-12

作者系江蘇技術(shù)師范學(xué)院藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院高級(jí)攝影師。