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相机如何成像

当光线进入镜头，落在传感器上，传感器被数百万个光点覆盖，这些光点将光波的不同级别转换为数字信号。这些电流的微小变化是现代传感器产生图像的原因。

在当今最常见的传感器中，CMOS是一个放大器，它连接在每个摄影点上，通过切割或增加电压来调整每个像素的输出，使图像分别变暗或变亮。用户可以通过调整增益或ISO来实现这一点，读取来自传感器的数据并重置像素电荷。

一旦传感器信息被读取，数据就会经过一个模数转换器，在这里，每个像素的电压变化都转化为二进制值。此外，像素位置和其他用户定义的相机设置在相机存储设备中被保存为元数据。

信噪比

大部分噪点来自传感器或模数转换。

需要说明一点，当我们在谈论噪点时，通常指的是数字影像系统中的噪点，一般不包括高感胶片在成像时所产生的胶片颗粒，后者主要为卤化银一类物质。两者在外形上虽有几分相似，但本质上是两回事。

想要更好地认识噪点，我们有必要理解另一个与噪点息息相关的重要概念——信噪比。

所谓信噪比，是指信号与噪声的强度比值。在电子通信系统中，它是衡量信号强度相对噪声强度的一种常用方式。广义上而言，信号就是我们所需要的、有价值的信息，噪声则是我们所摒弃的、对信号传输有害的杂质。信噪比越高，意味着系统中传输的信息越纯净，对信号的提取和解码越有利。

图为相机在高、低信噪比两种情境下的三维成像对比示意图：

一般情况下，越是高端的数码相机，其信噪比越高，成像噪点越少，画质也越高。

传感器的影响

关于相机芯片运行的原理。光线的路径大致是这样的：

光线经过镜头的多重折射后进入相机芯片，先穿过第一层的微透镜，反生折射（使入射光更聚焦）后进入第二层的拜耳滤镜，随后再照射在光电二极管上，与之发生光电效应，由此产生一系列电信号。最后，在时钟控制电路、移位寄存器、放大器等各种复杂电子元件的共同协作下，电信号被转换成数字信号后传输至影像处理器，后者对其进行信号提取、编译、压缩等方面的处理。

传感器面积直接决定了系统在单位时间内收集光线的数量，面积越大，收集的光子就越多，光信号越强，信噪比越高，抑噪能力也越强。摄影圈调侃的所谓「底大一级压死人」，说的大抵就是这么回事儿。

即使芯片尺寸相同，系统的抑噪能力也未必一致，因为还存在另外一个变量——填充因子。所谓「填充因子」，是指相机芯片中的感光区域在整个芯片中所占的比例。

我们已经知道CCD存在三种架构（如图），其中，全帧架构比行间转移架构的CCD有更高的填充因子，即，在同等芯片尺寸的情况下，前者比后者有更大的感光区域。因此，在噪点抑制方面，前者比后者的表现更优秀，画质更优良。

而对于CMOS，也并非%的区域均可感光，除了一部分为有源像素区域（主要为光电二极管），还有一部分为内建于芯片的电路单元（如图），与行间转移架构的CCD有些类似，此类设计直接影响了相机芯片的填充因子。但影响CMOS抑噪能力的更主要因素是，它拥有更多的信号放大器（每个像素均有一个独立放大器）。

除了传感器本身，温度也会直接影响噪点的形成。当曝光时间较长或所处环境温度较高时，相机内部的温度便会升高，温度上升导致电路产生暗电流。所谓「暗电流」，是指在无光线照射传感器的情况下，仍会通过感光元件的少量电流。它是影像传感器中的另一个主要噪点来源。

噪点的分类

PART

1

按观感分类

从特征的角度，噪点可分为亮度噪点和色彩噪点」两个类别。事实上，在摄影实践（彩色摄影为主）中，它们并非独立存在，而是同时出现，只是各自程度有所不同。将它们分离出来讲解，是为了更好地分析对比。

一、亮度噪点：顾名思义，是与光线亮度有直接关系的一类噪点，其形态如图：

当我们谈论亮度噪点时，默认是指黑白摄影，不考虑色彩因素。

如图，在同一光源的环境下，不同灰度的纸板反射的光线强度也不同，导致照片的噪点水平也存在差异：

由图可见，被摄影体表面的光线越亮，进入相机的光信号便越强，信噪比越高，因此，噪点也会越少，反之亦然。

亮度噪点与胶片颗粒很相似，但两者不等同，前文已有提及，在此不再赘述。此类噪点会视乎传感器尺寸、单个像素单元的大小、ISO值、曝光时间等参数的不同而产生差异。弱光、高ISO（噪声被放大）、长曝光（引起热噪声）等因素都会直接导致亮度噪点的恶化。

二、彩色噪点：是与色彩有关的一类噪点。它源于像素之间的色彩波动，通常表现为彩色斑点，多分布于光线较弱的影像区域。如图所示：

当光线穿过传感器中的彩色滤镜后，有部分光线因集成电路中金属导线的反射而越界闯入了邻近的像素（独立感光单元），从而造成了光污染，增加了系统的噪声。

突兀的色彩噪点容易令人生厌与不安，对画质的破坏力比亮度噪点更强、更显著。

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2

按特征分类

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高斯噪点

高斯噪点是一种传感器噪点。这主要是由于传感器发热所产生的副作用。发热通常是由传感器的电流和照度水平决定的。

高斯噪点最容易被人发现的，在曝光不足、ISO被调的太高的情况下，画面中会出现恒定的噪点闪动。在大多数传感器中，这种噪点在曝光不足的图像中往往是蓝色的。

2

固定模式噪点

固定模式噪点通常是由特定传感器制造过程中的缺陷引起的。当不同的像素具有不同的感光敏度水平时就会出现这种情况。

在视频中，由于受影响像素的输出水平差异较小，这种噪点比较容易识别。FPN不像其他形式的噪点那样会移动或闪动。相反，它表现为比实际记录的信息更亮的像素叠加。在光线较暗的情况下最容易被发现，但其他因素也会加剧这种情况。

3

椒盐噪点

这个名字听起来有点好吃。其实椒盐噪点(salt-and-peppernoise)是两种噪点类型，一种是盐噪点（saltnoise），另一种是胡椒噪点（peppernoise）。

为什么会有这么别致的名字呢？因为，盐=白色(0)，椒=黑色()。所以前者是高灰度噪点，后者属于低灰度噪点。一般两种噪点同时出现，呈现在图像上就是黑白杂点。盐和胡椒噪声的成因可能是影像讯号受到突如其来的强烈干扰而产生、类比数位转换器或位元传输错误等。

视觉上看，它很像某些像素“坏掉了”。除了椒盐噪点会产生这种效果，通常从模拟到数字的转换也会造成这种噪点出现。

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散粒噪点

散粒噪点是图像较暗部分的主要噪点类型。在技术上被称为“PhotonShotNoise”，这种噪点是由于光子在任何给定时间撞击每个像素时的自然固有变化（基于曝光级别）造成的。

听起来有点复杂。总之散粒噪点是造成欠曝镜头阴影呈现“块状”的最大原因。在极端情况下，散粒噪点会变成椒盐噪点。

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各向异性噪点

当传感器读数被取样或量化时，会产生各向异性噪点。这种类型的噪点通过将精细的细节混合在一起，造成画面中出现了实际上不存在的图案，或将直线解析为锯齿状从而降低了受影响镜头中的图像分辨率。

任何熟悉视频的人都应该遇到过这样的情况，想想前几代数码单反的可怕混叠和摩尔纹就知道了。

摄影机中的这种噪点通常在原生传感器分辨率远高于记录分辨率时出现。许多老摄影机选择将高分辨率采样到记录的分辨率，而不是简单地缩放输出以适应，导致早期大格式尺寸视频传感器的严重混叠和摩尔纹。

6

周期噪点

外部噪点通常来说出现最多的就是，周期噪点。它发生在一些自然，或人为信号干扰记录的画面中。它通常以固定的模式覆盖在图像上。

文献引用：

[1]RogerN.Clark，DigitalCameras:DoesPixelSizeMatter?Part2:ExampleImagesusingDifferentPixelSizes，