本文對鏡頭成像中普遍存在的Lens Shading問題進行詳細的總結，分析該問題出現的原因，以及在相機產品進行圖像調試中解決該問題的思路進行整理。

鏡頭的Lens Shading問題

從定義上講，Lens Shading（鏡頭陰影）是光學成像系統(tǒng)中，因為鏡頭物理特性方面的原因導致圖像亮度或色彩不均勻的現象。在圖像上的具體表現，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，例如表現為四角偏紅或偏藍的現象。

Luma Shading問題的成因總結

導致鏡頭Luma Shading問題的主要原因包含以下幾種因素。

自然光學衰減

鏡頭本質上就是一個凸透鏡，其中心的聚光能力要優(yōu)于邊緣部分，因此會導致光線強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：

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

對于平行光線（D1）而言，從點P1發(fā)出的光線因為與光軸平行，所以其入射角θ=0°，此時其光強遵循公式 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P2發(fā)出的光線與光軸成θ角，那么其光強就會衰減為 I * cos4θ。例如，當θ=30°時，該角度發(fā)射的光強就會僅剩約56%（cos（4 * 30°）≈0.56），因此就會導致邊緣亮度顯著低于中心。

鏡頭機械結構遮擋

鏡頭本身以及鏡頭座的解析結構元器件有可能會對斜射入鏡頭的部分光線遮擋，導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Lens CRA < Sensor CRA時，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），具體的圖像表現為四周暗角。所以選型上應盡可能確保Sensor和Lens之間的CRA匹配，詳細可參考以上文章。

總的來講，Luma Shading的本質就是：大角度入射光產生的綜合衰減（自然衰減+機械遮擋+CRA光學失配）導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)化鏡頭的鏡筒結構及提升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

導致鏡頭Color Shading問題的主要原因包含以下幾種因素。

光的色散效應

在初中物理課程中就學過，不同波長的光線在通過鏡頭時折射率不同，這個折射率不同會導致白光透過鏡頭后，產生色散（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生不同的偏移，從而引起色彩分布不均。如下圖所示。白光進入鏡頭后分解為不同顏色的光，在傳感器上投射的位置產生了偏差。

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致出現顏色失真（如綠色偏紅）的現象，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，當大角度光線照射到濾光片時，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入傳感器，從而導致R通道值異常，產生四角偏紅的問題。

? 藍玻璃：通過藍玻璃基底吸收+鍍膜反射雙重機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不匹配同樣會導致Color Shading問題。如果鏡頭CRA相比Sensor的CRA偏大過多的時候，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，導致像素之間出現干擾，這就是色彩陰影Color shading的問題。

Lens Shading問題的調試和優(yōu)化思路

以上總結了導致Luma Shading和Color Shading問題的成因，那么接下來就是這些問題在實際中應如何優(yōu)化和解決。

1. 硬件設計與光學優(yōu)化

確保Sensor和鏡頭之間的CRA匹配。通過調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），可減少光線入射角度過大導致的邊緣顏色偏移。

IR-Cut濾光片采用藍玻璃（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，可將邊緣泛紅現象降低30%

2.ISP Lens Shading校正

如上所述，部分Lens Shading的原因與光學系統(tǒng)的本身缺陷有關，而且在產品應用中的光學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，一般首先會進行黑電平校正（BLC，Black Level Correction），然后就會進行LSC處理。

LSC的處理流程大致分為標定和校正兩個階段。

LSC的標定屬于ISP Tuning的一個重要環(huán)節(jié)，主要對各個圖像通道的LSC增益補償表的參數進行標定。標定流程如下：

? 首先使用相機對均勻度>95%的白色光源進行拍攝，獲取其RAW格式圖像。

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

? 把各個通道的RAW圖像從橫向和縱向分割為多個網格，然后分通道計算各個網格的平均亮度。

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

? 按照以上公式分通道計算各個通道各個網格的獨立增益表（如17×13網格），存儲于ISP的LUT（查找表）中，后續(xù)就對RAW圖像基于這個表進行LSC增益補償。

在完成ISP Tuning中的LSC標定后，后續(xù)對Sensor輸出的RAW圖像進行LSC校正時，就會對RAW圖像的R、Gr、Gb、B各個通道分別應用其對應的增益表進行增益補償，避免共用參數導致的色彩串擾。在要求較高的情況下，往往還會對不同色溫（如3000K、5000K、7500K）情況下進行多次標定，生成多組不同色溫下的增益表，在后續(xù)進行LSC校正時根據當前色溫動態(tài)切換以適配環(huán)境光源，取得更好的LSC效果。