图像传感器中的RAW格式详解：从Bayer排列到插值算法

图像传感器中的RAW格式详解：从Bayer排列到插值算法

RAW格式是图像传感器中常见的数据格式，它记录了传感器捕捉到的光源信号转化为数字信号的原始数据。本文将详细介绍RAW格式的定义、Bayer排列方式、插值算法等内容，并通过具体的实例和图片进行说明。

RAW格式的定义

RAW格式可以理解为CMOS或CCD图像感应器将捕捉到的光源信号转化为数字信号的原始数据，是无损的，包含了物体原始的颜色信息等。RAW数据格式一般采用的是Bayer排列方式，通过滤波光片，产生彩色滤波阵列(CFA)。鉴于人眼对绿色波段的色彩比较敏感，Bayer数据格式中包含了50%的绿色信息，以及各25%的红色和蓝色信息。

Bayer排列方式

光线经过镜头，被传感器上的滤镜分解成一个个单色的光，由传感器记录下每个点的光强度数值，这就得到了RAW数据。不经过后期处理的RAW数据呈现为黑白马赛克，需要通过插值算法还原出彩色图像。

插值算法

插值算法是将RAW Bayer图像数据转换成RGB域数据的关键步骤。在RAW域中，每个像素点只包含RGB分量中的一个，因此需要通过插值算法来估算缺失的颜色信息。

线性插值

在这种插值算法中，缺失的颜色像素将使用其邻近像素的值进行插值。例如，对于BGGR Bayer模式图像，缺失的绿色像素可以通过其周围的四个相邻像素的平均值来得到。对于缺失的红色或蓝色像素，可以使用相邻行或相邻列的值计算。

修正的双线性插值

这是一种更精确的插值算法，它对线性插值进行了改进。在这种算法中，缺失的颜色像素将使用邻近像素和它们的邻近像素来进行插值。这种算法在处理高畸变图像时可以提供更好的效果。

梯度校正线性插值

该算法的主要原理为：在5*5大小的窗口中，利用中心点像素所属颜色的梯度值对其它颜色的插值结果进行补偿。其中，R和B都考虑了上下左右4个方向的梯度；G除了上下左右4个方向，还考虑了4个对角线方向的梯度，这应该是由于G的像素点个数是R和B的2倍，而且人眼对于绿色的敏感度更强。

RAW格式的位深度

RAW8、RAW10和RAW16是用于表示原始图像数据的格式，它们分别表示每个像素的位深度为8位、10位和16位。具体的区别如下：

• RAW8：每个颜色通道使用8位表示
• RAW10：每个颜色通道使用10位表示，但数据中是16位的，高6位没用
• RAW12：每个颜色通道使用12位表示，但数据中是16位的，高4位没用

其他常用格式

除了RAW格式，还有其他几种常用的图像格式：

• RGB（RGB565/555）：RGB565和RGB555是对RGB色彩信息的一种压缩表示，适合于有限存储资源或需要高效传输的场景
• GRB422：在视频领域中较为常见，可用于捕获、处理和传输视频数据
• YUV（422/420）：是对彩色图像进行色度抽样的编码格式，能够有效地减少数据量并提供较好的视觉质量
• YCbCr（4:2:2）：经常用于视频编解码器中，可实现高质量的视频压缩和传输

总结

RAW格式是图像传感器中重要的数据格式，通过Bayer排列方式和插值算法可以还原出彩色图像。了解RAW格式的位深度和其他常用格式的区别，有助于更好地处理和应用图像数据。