鹰眼视图——数码相机是如何成像的（精简版）

 对于没有接触过数码成像这块的朋友来说，简单的了解一下数码相机的成像原理是很有必要的，下面就将我的搜集的一些简单的介绍一下。

传统相机利用感光剂在光照下的化学反应实现对图像的记录。例如氯化银，当光线照射氯化银，后者会分解成纯银和氯气，金属银颗粒呈现黑色。因此，底片颜色越深代表光线越强，颜色越浅代表光线越弱。黑白照片就是这样拍出来。

彩色相机是在黑白相机的基础上通过对红、绿、蓝进行滤光，形成三张底片，然后将三张底片合成之后完成的。

 数码相机与传统相机的最大不同是使用传感器CCD或者CMOS取代了感光剂，利用AD转换，实现对光信号转换为电信号。

      图像传感器将光线转化成电流，光线越亮，电流的数值就越大；光线越暗，电流的数值就越小。所以，如果用0到255的范围，表示光线的亮度，最亮的光线是白光，数值是十六进制的FF，最暗的光线是黑光（没有光），数值是十六进制的00。
      图像传感器的表面，分成若干个捕捉点，每个点都会产生一个数值，表示该点感受到的光线亮度，这就叫做"像素"。像素越多，图像细节就越丰富。如果一台相机的像素是1600x1200，就说明图像传感器横向有1600个捕捉点，纵向有1200个，合计192万个。

     但是如果只是感受光强，只能记录图片的灰度值，如何记录颜色。我们可以回想一下，传统的黑白相机是如何进化到彩色相机的，采用三原色过滤最后合成的方式。数码相机也可以沿用这样的思路，但是需要三块传感器，成本太高，无法实用。

1974年，柯达公司的工程师布赖斯·拜尔提出了一个全新方案，只用一块图像传感器，就解决了颜色的识别。他的做法是在图像传感器前面，设置一个滤光层（Color filter array），上面布满了滤光点，与下层的像素一一对应。也就是说，如果传感器是1600x1200像素，那么它的上层就有1600x1200个滤光点。
     每个滤光点只能通过红、绿、蓝之中的一种颜色，这意味着在它下层的像素点只可能有四种颜色：红、绿、蓝、黑（表示没有任何光通过）。

接下来的问题就是，如果一个像素只可能有四种颜色，那么怎么能拍出彩色照片呢？这就是布赖斯·拜尔聪明的地方，前面说了，每个滤光点周围有规律地分布其他颜色的滤光点，那么就有可能结合它们的值，判断出光线本来的颜色。以黄光为例，它由红光和绿光混合而成，那么通过滤光层以后，红点和绿点下面的像素都会有值，但是蓝点下面的像素没有值，因此看一个像素周围的颜色分布----有红色和绿色，但是没有蓝色----就可以推测出来这个像素点的本来颜色应该是黄色

所以，拜耳所用的方法是已牺牲成本的方式来降低了成本。好在计算结果相当准确，这种做法得到了广泛应用。

    高级的数码相机，还提供未经算法处理的原始马赛克图像，这就是raw格式（raw image format）。计算的过程成为“去马赛克”，如下图。

   上图 这种计算颜色的方法，就叫做"去马赛克"（demosaicing）。上图的下半部分是图像传感器生成的"马赛克"图像，所有的像素只有红、绿、蓝、黑四种颜色；上半部分是"去马赛克"后的效果，这是用算法处理的结果。