数码相机的成像缺陷与应对方法

钱 峰

（江苏技术师范学院 艺术设计学院，江苏 常州 213001）

数码相机的成像缺陷与应对方法

钱 峰

（江苏技术师范学院 艺术设计学院，江苏 常州 213001）

数码相机逐渐普及，但由于数码器件的物理特性和技术限制，目前数码相机成像不可避免地还存在很多不足之处。着重对数码相机的成像缺陷进行研究和归纳，并提供应对思路与方法。

数码相机；成像缺陷；应对方法

数码相机的出现和逐步普及标志着摄影技术向数字化新纪元的跨越式发展，人们的影像生活也由此得到了彻底改变。数码相机拍摄直观、节省资金，图像便于制作，极具人性化和亲和力，已然成为生活领域和专业领域的首选照相器材。然而，由于数码器件的物理特性和技术限制，目前数码相机成像不可避免地还存在很多不足之处，需要我们加以研究和应对。

1.数码相机的成像缺陷

1.1 宽容度较小

“宽容度”是银盐感光材料（胶片）非常重要的感光特性之一，它表述了银盐感光材料记录可见光明暗变化的范围和能力。数码相机的感光原器件与传统相机一样也存在着感光宽容度的问题，通常被称为数码相机的“动态范围”。动态范围越大，表明记录影调的范围就越大，拍摄出的图像层次和色彩越丰富。

将宽容度对应成光圈级数，黑白负片的宽容度大约是7～9级，彩色负片的宽容度大约是7级左右，彩色反转片和数码单反相机的宽容度则大约是5～6级（通常认为数码单反相机的宽容度是5级，许多软件都将直方图分成5个区域（图1），实际上应该是接近6级）。

根据测试，一般数码单反相机高光过度不能超过2级，暗部不足不能低过3级。目前数码相机感光器件的宽容度还不如胶片（彩色负片），尤其是中低档数码相机更是如此。

1.2 容易出现噪点

数码相机的噪点（noise）也称为噪声、噪音，主要是指 CCD（CMOS）将光线作为接收信号接收并输出的过程中所产生的图像中的粗糙部分，也指图像中不该出现的外来像素，通常由电子干扰产生。看起来就像图像被弄脏了，布满一些细小的糙点。我们平时所拍摄的数码照片如果用个人电脑将其缩小以后再观看，也许就注意不到。不过，如果将原图像放大，那么就会出现本来没有的颜色（假色），这种假色就是图像噪点（图2）。

图1

图2

1.3 容易产生摩尔纹

在数码相机拍摄的景物中，如果有较密的纹理，照片中常常会出现莫名其妙的水波样的条纹（图 3）。这就是摩尔纹（moire patterns，即叠纹）。

数码相机的 CCD（CMOS）感光器的感光单元具有一定的空间频率，如果影像中的条纹的空间频率与感光单元的空间频率相近，就会有一些条纹正好落在感光单元上，而另一些落到两个感光单元之间，形成差拍，产生摩尔纹。

图4是两组空间频率略有差异的条纹，它们左端黑线位置相同，由于间隔不同，向右边逐渐过渡，黑色线条就不能重合了。图5将两组条纹重叠，稍微拿远一点看，就可以看到典型的摩尔纹图案了。

图3

图4

图5

数码相机拍摄的照片中产生摩尔纹的原理与上例相似，如果我们将其中的一组条纹看作感光单元、另一组看作影像中的条纹，感光单元上的信号会周期性地变化，形成摩尔纹。绝大多数数码相机的感光单元是三、四种颜色交替排列的，这种情况下就会产生彩色摩尔纹。传统相机使用胶片记录影像的过程中不存在规律分布的像素，也就没有固定的空间频率，所以也就不会出现摩尔纹。

1.4 容易形成紫边

紫边（Purple Fringing）现象是指数码相机拍摄高反差、强逆光景物的照片中，在高光与低光部位交界处出现紫色（多数情况下是紫色，有时也可能是其他颜色）镶边的现象（图6）。几乎绝大部分的数码相机包括昂贵的数码单反相机或多或少都存在这个问题，差别只是程度问题，有的格外严重，有的程度稍轻。

产生紫边现象的主要原因有两点：衍射（Diffraction）、Mosaic遮罩滤镜式CCD/CMOS的色彩插值。

衍射（Diffraction）是一种光波的基本特性。光线是一种波，有一定的波长，当光线通过一些小孔或者窄缝时，产生偏离直线传播，在物体的边缘出现光波分散现象，出现彩色条纹（单色光照射时出现明暗相间的单色条纹）（图7）。由此可知，当强光通过高反差、强逆光景物边缘时，产生了衍射现象（颜色化边），然后经过镜头在数码相机的CCD/CMOS上成像。

图6

图7

分析现在的CCD/CMOS（除了Foveon X3 CMOS）都是 Mosaic遮罩式，CCD/CMOS本身不感知色彩，透过CCD/CMOS每个象素前面的RGB（或者CYGM）滤镜，一个象素只测R、G、B其中一种原色的密度，再由相机内部软件进行彩色化插值处理，利用周边象素信息“猜测”插值出其他颜色。产生紫边的关键点就在这个彩色插值过程中。这个插值过程并不可能完全反映真实的色彩分布（就紫边而言就是那部分边缘产生的衍射部分），相机里的算法只能通过周边的象素“推测”出真正的全色分布，这也造成了边缘不清晰、色彩干扰等一系列问题。由于 Mosaic遮罩式CCD/CMOS滤镜排列方式的缺陷，在彩色化插值运算中最容易推测出来的就是洋红（就是大部分紫边的主色），也就产生了刺眼的紫边。

因此，紫边是由于高反差、强逆光物体边缘产生光学衍射，加上CCD/CMOS在色彩插值时的固有缺陷造成的。传统相机并不会出现这个问题，甚至便宜至几十元使用有机玻璃作为镜头的一次性相机也不会出现这个问题，紫边只出现在使用单CCD/CMOS的数码相机和中低档民用数码摄像机上。

2.应对方法

2.1 降低场景反差，用足数码相机宽容度

我们在使用数码相机时应注意不要选择阳光直射、光线反差较大的景物拍摄。必要时应使用反光板或闪光灯对被摄对象进行补光，以降低光比。在测光时尽量选用点测光，直接对明亮的主体进行测光和曝光，以减少或避免主要景物的亮部失去层次，得到上佳的影调表现。

另外，我们还可以根据场景的亮部、中间调、暗部分别采用不同的曝光组合各拍一张照片，后期在Photoshop图像处理软件中通过“Merge to HDR”功能合成较大动态范围的照片。但这种方法只适合拍摄静态场景时使用。

2.2 全面考虑、优化设置，多途径消灭噪点

（1）在可能的情况下，尽量使用较小的 ISO感光度设置，必要时使用三脚架。

（2）尽可能准确测光、精确曝光，在确保亮部不过曝的前提下尽量杜绝整体曝光不足。

（3）尽量避免拍摄有较多暗部或阴影的景物，在可能的情况下可对暗部进行必要的补光。

（4）在存储卡空间允许的情况下，尽可能使用RAW格式或TIFF格式拍摄，用JPG格式拍摄时，尽可能选择较小的压缩率。

（5）尽量不要选择相机自带的高对比、高锐度选项。

（6）部分数码相机中配备了“降噪”功能，在容易产生噪点的情况下拍摄时，可启动该功能。

（7）从原理上来说，相对像素数量而言，CCD（CMOS）尺寸较小的机型容易产生图像噪点。由于 CCD（CMOS）正在变得越来越先进，虽然不能一概而论，但是在同一时期亮相的机型虽然像素接近，但如果 CCD（CMOS）尺寸小的话，往往容易产生图像噪点。所以，在像素量相同或相近的情况下，尽量购买、使用 CCD（CMOS）尺寸较大的机型。

虽然后期可以在 Photoshop等图像处理软件中进行处理，达到改善、消除图像噪点的目的。但与此同时，也在一定程度上对图片质量造成了影响。所以，应尽量在拍摄过程中将噪点控制到最少，最大限度地提升图片质量。

数码相机的宽容度、感光度和噪点与单个像素的面积有关。因此，现在衡量数码相机的性能时都会提到CCD/CMOS面积大小，当然是越大越好。因为CCD/CMOS面积越大，在相同分辨率（相同像素数）时，大CCD/CMOS的数码相机单个像素的面积更大，像素间距也更大，这样单体像素受到更饱满的光照，同时像素间干扰减少，数码相机的动态范围（宽容度）就更大、感光度更高、噪点更少，成像质量更好。

2.3 寻找最佳光线和角度，尽量避免摩尔纹的产生

我们可以选取不同的拍摄角度（室外）或尝试变换光线方向（室内），尽量避开容易产生摩尔纹的角度和光线，多拍摄几张照片备选，进而将摩尔纹产生的可能性控制在最小。

很多时候摩尔纹是没有办法完全避免的，对于已经出现摩尔纹的照片，我们也可以使用专用的软件来消除（如Phase One软件）。

现在，为了减弱摩尔纹，一些高档数码相机中安装有用来滤除影像中较高空间频率部分的低通滤波器，但这同时也降低了图像的锐度。我们也可以购买这样的数码相机来使用。

2.4 避开强逆光，改善紫边现象

在拍摄时就要尽量注意避免高反差强逆光情况，如果实在无法避免，则应该适当地打开闪光灯进行补光以降低反差。此外，在后期通过Photoshop图像处理软件“镜头校正”滤镜中的“色差”调整功能也可以改善或去除图片中的紫边。

[1] 刘榜. 美国纽约摄影学院摄影教材[M]. 北京：中国摄影出版社，2005.

[2] 刘灿国. 数字摄影[M]. 杭州：浙江摄影出版社，2006.

[3] 冯汉纪. 后数码时代的摄影[M]. 杭州：浙江摄影出版社，2004.

[4] Scott Kelby.The Photoshop CS Book for Digital Photographers. 北京：人民邮电出版社，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

J4

A

1008-7427（2010）03-0099-02

2009-12-12

作者系江苏技术师范学院艺术设计学院高级摄影师。