Shading校正原理浅析

Shading的成因

镜头Shading是指相机镜头的非均匀感光或色散效应，导致图像边缘出现暗角或颜色偏差的现象。它主要分为两种类型：Luma(Lens) Shading（亮度阴影）和Color Shading（色度阴影）。

Luma(Lens) Shading的成因：

1. 镜头的光学特性：镜头可视为凸透镜，中心聚光能力强于边缘，导致Sensor中心光线强度大于四周，形成边缘光照度衰减。图像从中心向四周的光强衰减通常遵循cos4θ规律。

2. 机械结构遮挡：镜头的机械结构（如遮光罩）或组装工艺误差，可能导致部分光线被遮挡，使边缘区域光线强度减弱。

3. 光线入射角度：当光线以较大角度入射时，Sensor边缘的微透镜可能无法有效收集光线，导致光线无法充分进入Sensor的micro lens内，从而降低边缘亮度。

Color Shading的成因：

1. 镜头的色散效应：不同波长的光线通过镜头时，由于折射率不同，会导致色散现象，使不同颜色的光线在Sensor上成像位置不同，引起颜色偏差。

2. IR-Cut滤镜的影响：IR-Cut滤镜对红外光的反射特性可能导致成角度拍摄时，红外光在滤镜上多次反射后被Sensor接收，改变图像R通道的值，引起偏色。

3. 镜头与Sensor的CRA不匹配：镜头的主光线角（CRA）与Sensor上微透镜的CRA不匹配，会导致光线无法正确聚焦在像素上，引起曝光不足和偏色。

Shading现象

校正原理

在ISP（Image Signal Processing）中，Shading是在Raw域中通过补偿gain的table来进行校正的。主要步骤如下：

1.分离R、Gr、Gb、B通道（以RGGB的Bayer排列为例，下同）；

2.计算每个通道网格的平均亮度，如果一张Raw的size是3648*2736，那么每个通道的网格size是1824*1368；

3.计算从图像的光学中心到边角的增益倍率，最大距离在图像的对角线；

4.根据网格亮度和中心亮度生成增益表，通常是线性倍率增益；

5.将增益表调整为目标大小，高通平台固定是17*13的网格（接近4：3），在不同的ISP或者实际需求中，可以根据实际sensor的宽高比定制；

6.将生成的17*13 gain table保存到文件中。

以上是通过拍摄匀光片（毛玻璃）或面光源的Raw导入实现校正的。

应用原理

应用LSC gain table的步骤与校正的步骤正好相反：

1.从文件中解析17*13的gain table；

2.处理增益表，将其resize到目标size（根据需求调整或定制，需要平衡采样精度和处理速度）；

3.将处理后的增益表分别应用到R、Gr、Gb、B通道；

4.合并R、Gr、Gb、B通道。

2D校正与1D校正

高通在Spectra780（8550，骁龙8 Gen2）以前的ISP中，只有2D LSC gain table机制，直接生成并应用17*13的LSC gain table，这种处理方式存在一个缺陷，在广角镜头中，图像边角的gain急剧衰减（或增大），边角不能完全补偿。

为了更好的解释现象，排除其他ISP模块的变量干扰，通过dump LSC模块input和output的raw，并将它们渲染成亮度模型，如下：

1_Original_out_0_BPS_ROLLOFF_Input0_3648_2736_PASS0.raw 的亮度均匀度: 82.52%

  左上角亮度: 6850.93

  右上角亮度: 7235.90

  左下角亮度: 6769.63

  右下角亮度: 7219.06

  中心亮度: 24013.24

2_C7_only_2D_out_0_BPS_ROLLOFF_Output_3648_2736_PASS0.raw 的亮度均匀度: 99.39%

  左上角亮度: 24901.63

  右上角亮度: 24726.94

  左下角亮度: 24778.33

  右下角亮度: 24884.15

  中心亮度: 24475.20

校正后的raw的边角亮度高于图像中心亮度，虽然此时的图像平均均匀度已经得到明显校正，但整体图像的光学特征发生了改变，是一个比较大的瑕疵。

在Spectra780及更新的ISP中，高通引入了1D LSC gain table的概念。在进行LSC校正的过程中，既生成并保存每通道的17*13的2D gain table，也生成并保存65个每通道的1D gain table，通过65个径向锚点（radial anchor）作用到图像中，可以补偿边角的亮度衰减（或增大）。

主要的实现步骤如下：

1.分别解析2D gain table和1D gain table；

2.将1D径向增益表应用到17*13的2D增益表，由于初始size不匹配，需要进行resize，例如，可以将1D table和2D table都差值到85*65（采样精度可根据实际情况调整）；

3.生成新的17*13的gain table（1Dx2D）;

4.应用新的17*13 gain table到4个通道；

5.合并通道。

经过以上处理后可以有效缓解边角亮度急剧滚落或升高的现象。

3_C7_2D_1D_mode1_out_0_BPS_ROLLOFF_Output_3648_2736_PASS0.raw 的亮度均匀度: 99.17%

  左上角亮度: 23630.90

  右上角亮度: 23623.51

  左下角亮度: 23641.36

  右下角亮度: 23899.48

  中心亮度: 24450.23

通过1D和2D LSC gain table校正后的图像，既保证了均匀度，也保留了图像的光学特征。