本文對鏡頭成像中普遍存在的Lens Shading問題進(jìn)行詳細(xì)的總結(jié)，分析該問題出現(xiàn)的原因，以及在相機(jī)產(chǎn)品進(jìn)行圖像調(diào)試中解決該問題的思路進(jìn)行整理。

鏡頭的Lens Shading問題

從定義上講，Lens Shading（鏡頭陰影）是光學(xué)成像系統(tǒng)中，因?yàn)殓R頭物理特性方面的原因?qū)е聢D像亮度或色彩不均勻的現(xiàn)象。在圖像上的具體表現(xiàn)，Lens Shading又可以分為Luma Shading（亮度陰影問題）和Color Shading（色彩陰影問題）兩種類型。

左圖的Luma Shading，明顯可以看到通過鏡頭成像的圖像中心區(qū)域較亮，向四周逐漸變暗，形成“漸暈”效果，圖像的邊緣最暗。

右圖的Color Shading，則是圖像中心與邊緣顏色不一致，例如表現(xiàn)為四角偏紅或偏藍(lán)的現(xiàn)象。

Luma Shading問題的成因總結(jié)

導(dǎo)致鏡頭Luma Shading問題的主要原因包含以下幾種因素。

自然光學(xué)衰減

鏡頭本質(zhì)上就是一個(gè)凸透鏡，其中心的聚光能力要優(yōu)于邊緣部分，因此會導(dǎo)致光線強(qiáng)度從中心向四周衰減。如下圖所示，對比其平行光線D1和角度光線D2：

對于一個(gè)沒有畸變的攝像頭，圖像四周的光照度衰減會遵循一個(gè)cos4θ的衰減規(guī)律。

對于平行光線（D1）而言，從點(diǎn)P1發(fā)出的光線因?yàn)榕c光軸平行，所以其入射角θ=0°，此時(shí)其光強(qiáng)遵循公式 I * cos4θ = I，也就是無衰減的狀態(tài)。

而對于角度光線（D2）而言，從點(diǎn)P2發(fā)出的光線與光軸成θ角，那么其光強(qiáng)就會衰減為 I * cos4θ。例如，當(dāng)θ=30°時(shí)，該角度發(fā)射的光強(qiáng)就會僅剩約56%（cos（4 * 30°）≈0.56），因此就會導(dǎo)致邊緣亮度顯著低于中心。

鏡頭機(jī)械結(jié)構(gòu)遮擋

鏡頭本身以及鏡頭座的解析結(jié)構(gòu)元器件有可能會對斜射入鏡頭的部分光線遮擋，導(dǎo)致這些光線無法照射到圖像的邊緣區(qū)域，所以造成圖像中心區(qū)域射入光線更多而偏亮，邊緣區(qū)域光線更少而偏暗。

如下圖所示。

鏡頭與圖像傳感器之間的CRA匹配問題

具體而言，當(dāng)Lens CRA < Sensor CRA時(shí)，鏡頭透入的光線無法覆蓋像素邊緣，造成感光面積損失（Luma Shading），具體的圖像表現(xiàn)為四周暗角。所以選型上應(yīng)盡可能確保Sensor和Lens之間的CRA匹配，詳細(xì)可參考以上文章。

總的來講，Luma Shading的本質(zhì)就是：大角度入射光產(chǎn)生的綜合衰減（自然衰減+機(jī)械遮擋+CRA光學(xué)失配）導(dǎo)致了鏡頭和傳感器邊緣的亮度下降。因此，通過控制光線入射角θ、優(yōu)化鏡頭的鏡筒結(jié)構(gòu)及提升CRA匹配精度，才能從根源上徹底改善亮度的均勻性。

Color Shading問題的成因總結(jié)

導(dǎo)致鏡頭Color Shading問題的主要原因包含以下幾種因素。

光的色散效應(yīng)

在初中物理課程中就學(xué)過，不同波長的光線在通過鏡頭時(shí)折射率不同，這個(gè)折射率不同會導(dǎo)致白光透過鏡頭后，產(chǎn)生色散（白光分解為多色光，各種光的折射率不同），使得各顏色光線在傳感器上的位置產(chǎn)生不同的偏移，從而引起色彩分布不均。如下圖所示。白光進(jìn)入鏡頭后分解為不同顏色的光，在傳感器上投射的位置產(chǎn)生了偏差。

IRCut濾光片的影響

鏡頭和傳感器之間的IR Cut濾光片用于濾除紅外光，以防止傳感器因接收不可見的紅外光導(dǎo)致出現(xiàn)顏色失真（如綠色偏紅）的現(xiàn)象，因此IRCut濾光片也就是紅外截至濾光片。

目前主流的濾光片包括兩種類型：

? 白玻璃：成本低，在普通光學(xué)玻璃上鍍膜以反射紅外光，這樣的話可見光可以透過白玻璃，而紅外光將被反射。但是白玻璃的這種反射性能對光線的入射角度很敏感，當(dāng)大角度光線照射到濾光片時(shí)，紅外線的反射路徑發(fā)生改變，就有可能無法得到有效的濾除而進(jìn)入傳感器，從而導(dǎo)致R通道值異常，產(chǎn)生四角偏紅的問題。

? 藍(lán)玻璃：通過藍(lán)玻璃基底吸收+鍍膜反射雙重機(jī)制來減少紅外光反射，能消除偽色，性能相比白玻璃要好一些。

鏡頭與圖像傳感器之間的CRA匹配問題

鏡頭與圖像傳感器之間的CRA不匹配同樣會導(dǎo)致Color Shading問題。如果鏡頭CRA相比Sensor的CRA偏大過多的時(shí)候，鏡頭透入到Sensor邊緣區(qū)域像素的光線CRA過大，這些光線在Sensor邊緣像素Micro Lens上折射后會折射到周邊的其他顏色的像素上，導(dǎo)致像素之間出現(xiàn)干擾，這就是色彩陰影Color shading的問題。

Lens Shading問題的調(diào)試和優(yōu)化思路

以上總結(jié)了導(dǎo)致Luma Shading和Color Shading問題的成因，那么接下來就是這些問題在實(shí)際中應(yīng)如何優(yōu)化和解決。

1. 硬件設(shè)計(jì)與光學(xué)優(yōu)化

確保Sensor和鏡頭之間的CRA匹配。通過調(diào)整鏡頭出射光角度與傳感器微透鏡的CRA匹配（偏差需控制在±3°以內(nèi)），可減少光線入射角度過大導(dǎo)致的邊緣顏色偏移。

IR-Cut濾光片采用藍(lán)玻璃（吸收式紅外截止濾光片）替代普通的白玻璃（反射式IRCF），減少大角度紅外光反射對R通道的干擾，可將邊緣泛紅現(xiàn)象降低30%

2.ISP Lens Shading校正

如上所述，部分Lens Shading的原因與光學(xué)系統(tǒng)的本身缺陷有關(guān)，而且在產(chǎn)品應(yīng)用中的光學(xué)元件的選型往往受到各種因素的限制，無法完全避免。因此在ISP中專門有一個(gè)LSC（Lens Shading Correction）模塊用于處理Lens Shading的問題。

在ISP收到Image Sensor輸出的RAW Data后，一般首先會進(jìn)行黑電平校正（BLC，Black Level Correction），然后就會進(jìn)行LSC處理。

LSC的處理流程大致分為標(biāo)定和校正兩個(gè)階段。

LSC的標(biāo)定屬于ISP Tuning的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，主要對各個(gè)圖像通道的LSC增益補(bǔ)償表的參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定。標(biāo)定流程如下：

? 首先使用相機(jī)對均勻度>95%的白色光源進(jìn)行拍攝，獲取其RAW格式圖像。

? 按照RAW圖像的Bayer排列分解為四個(gè)通道：R，Gr，Gb，B。如果一張Raw的size是3648 * 2736，那么每個(gè)通道的size就是1824 * 1368；

? 把各個(gè)通道的RAW圖像從橫向和縱向分割為多個(gè)網(wǎng)格，然后分通道計(jì)算各個(gè)網(wǎng)格的平均亮度。

? 以每個(gè)通道圖像的中心網(wǎng)格的亮度為基準(zhǔn)（增益=1），對其邊緣區(qū)域的網(wǎng)格按衰減比例計(jì)算補(bǔ)償增益。大致的公式就是：_增益 = 中心亮度 / 當(dāng)前網(wǎng)格亮度。

? 按照以上公式分通道計(jì)算各個(gè)通道各個(gè)網(wǎng)格的獨(dú)立增益表（如17×13網(wǎng)格），存儲于ISP的LUT（查找表）中，后續(xù)就對RAW圖像基于這個(gè)表進(jìn)行LSC增益補(bǔ)償。

在完成ISP Tuning中的LSC標(biāo)定后，后續(xù)對Sensor輸出的RAW圖像進(jìn)行LSC校正時(shí)，就會對RAW圖像的R、Gr、Gb、B各個(gè)通道分別應(yīng)用其對應(yīng)的增益表進(jìn)行增益補(bǔ)償，避免共用參數(shù)導(dǎo)致的色彩串?dāng)_。在要求較高的情況下，往往還會對不同色溫（如3000K、5000K、7500K）情況下進(jìn)行多次標(biāo)定，生成多組不同色溫下的增益表，在后續(xù)進(jìn)行LSC校正時(shí)根據(jù)當(dāng)前色溫動態(tài)切換以適配環(huán)境光源，取得更好的LSC效果。