Camera成像原理

数码相机和手机相机的成像原理在核心上是完全一致的，可以概括为 “将光线信号转化为数字信号” 的过程。
示意：光 ——>镜头——>microLens（聚光）——>Bayer Array（过滤得到像素）——>传感器——>光电转换——>模数转换——>Raw file——>ISP前置算法——>去马赛克——>ISP后置算法——>JPEG

成像四大步骤

第1步：捕捉光线 - “眼睛”
镜头：相当于相机的“眼角膜和晶状体”。它的作用是收集来自被摄物体的光线，并进行聚焦。镜头由多片透镜组成，可以矫正像差，确保成像清晰。

光圈：位于镜头内部，相当于“瞳孔”。它是一个可以变大变小的孔洞，控制着单位时间内进入相机的光量。

大光圈（F值小）：进光多，背景虚化强。

小光圈（F值大）：进光少，景深大，前后都清晰。

第2步：控制曝光时间 - “快门”
快门：相当于“眼皮”。它位于传感器前方，决定感光元件（传感器）暴露在光线下的时间长短。

快门速度：

高速快门（如1/1000秒）：能冻结瞬间，拍清运动物体。

低速快门（如1秒）：会记录下光线移动的轨迹，产生动态模糊，适合拍夜景、车流。

第3步：感光与转换 - “视网膜和视觉神经”
这是数码成像最核心的部分，图像传感器 在这里扮演关键角色。

感光：传感器上布满了几百万甚至上亿个微小的 “感光单元” ，可以将其想象成一个个收集光子的“小桶”。每个感光单元对应最终图像的一个像素。

滤波：传感器本身只能感受光的强弱（亮度），无法分辨颜色。为了获得彩色图像，每个感光单元的上方都覆盖了一个微小的 彩色滤镜，通常是 RGBG（红、绿、绿、蓝） 排列的“拜耳滤镜”。为什么绿色多？因为人眼对绿色最敏感。这样，每个像素点就只能记录一种颜色的亮度信息。

光电转换：感光单元在接收到光子后，会将其转换成微弱的 电子信号。光越强，产生的电子就越多。

数字化：这些模拟电子信号经过放大后，被一个叫做 “模数转换器” 的部件转换成计算机可以识别的 二进制数字信号（0和1）。

感光度（ISO） 在这里起作用：提高ISO本质上是放大传感器产生的电信号。但放大信号的同时也会放大固有的噪声，这就是为什么高ISO下照片噪点会变多。

第4步：处理与存储 - “大脑”
图像处理器：相当于相机的“大脑”。它接收来自传感器的原始数字数据（被称为 RAW格式），并执行一系列复杂的运算：

插值计算（去马赛克）：处理器根据每个像素点周围的红、绿、蓝信息，通过算法“猜”出这个像素点原本应有的完整颜色。例如，一个只记录红色的像素点，它的绿色和蓝色值是通过计算它周围绿色和蓝色像素点的值来推测的。

白平衡校正：修正不同光源下造成的颜色偏差，让白色物体看起来依然是白色。

锐化、降噪、色彩调整：根据相机或手机的算法，对图像进行优化，使其看起来更悦目。

压缩：将处理后的图像压缩成 JPEG 等通用格式以节省空间（除非你选择保存RAW文件）。

存储器：最终，处理完成的图像文件被写入内存卡（相机）或内部存储（手机）中保存。

ISP处理管道

a) 前置处理（在去马赛克之前）

这是为了修复传感器本身的缺陷，为去马赛克准备“干净”的数据。

缺陷像素校正：修复传感器上永久损坏或过热的像素点。

黑电平校准：减去传感器的基底噪声，确保纯黑场景输出为黑。

镜头阴影校正：初步校正镜头导致的画面四角变暗现象。（亮度）

b) 去马赛克

去马赛克是一种插值算法。它的目标是：根据每个像素周围邻居的颜色信息，推测出该像素缺失的另外两种颜色值，从而为每个像素生成完整的（R, G, B）三个数值。

因为传感器前的拜耳滤镜（Bayer Filter）让每个像素点只能捕获一种颜色。没有去马赛克，我们得到的就不是彩色照片，而是一张布满红、绿、蓝点的怪异图像。

c) 后置处理（在去马赛克之后）

一旦每个像素都有了完整的RGB信息，ISP就可以进行后续的色彩和色调调整。

白平衡：调整颜色，使白色物体在不同光源下依然显示为白色。

色彩校正矩阵：修正传感器色彩滤镜与标准人眼视觉之间的差异。

伽马校正与色彩空间转换：对颜色进行非线性调整，以符合人眼的感知，并转换为sRGB等标准色彩空间。

锐化与降噪：增强细节并抑制噪声。