RAW图与BAYER图异同

RAW图是一种未经处理、未压缩的图像文件格式，它记录了图像传感器捕捉到的原始数据，包含了拍摄时的大量图像信息。下面从多个方面详细介绍RAW图：

参考：B站大清光学

定义与基本概念

• 定义：RAW文件是图像传感器将捕捉到的光源信号转化为数字信号的原始数据。相机在拍摄时，光线通过镜头到达图像传感器，传感器将光线的强度、颜色等信息转化为电信号，再经过模数转换变成数字数据，RAW格式直接保存这些原始数据，而不经过相机内部的图像优化处理（如色彩校正、对比度调整、锐化等）。
• 地位：RAW格式被形象地称为“数字底片”，就像传统胶片摄影中的底片一样，它保留了最原始、最完整的图像信息，为后期处理提供了极大的空间。

特点

• 丰富的图像信息：RAW图记录了图像传感器所捕捉到的全部数据，包括更多的动态范围和色彩深度。一般来说，普通JPEG图像的动态范围约为8 - 10档，而RAW图像的动态范围可以达到12 - 16档甚至更高，这意味着在RAW图像中可以同时保留亮部和暗部的更多细节。色彩深度方面，RAW图像通常可以记录12位或14位的色彩信息，相比JPEG的8位色彩，能呈现出更丰富、更细腻的色彩过渡。
• 无损编辑：由于RAW图是原始数据，在后期处理过程中可以对其进行各种调整，如曝光、白平衡、色彩饱和度等，而不会像JPEG等压缩格式那样因多次编辑而损失图像质量。例如，在调整曝光时，JPEG图像可能会因为过度拉伸暗部或压缩亮部而出现噪点、色阶断层等问题，而RAW图像可以更好地保留细节和色彩。
• 文件体积大：RAW图没有经过压缩和处理，所以文件体积通常比JPEG等常见图像格式大很多。例如，一张普通JPEG格式的照片可能只有几兆字节，而一张RAW格式的照片可能会达到几十兆字节甚至更大。这就需要更大的存储设备来保存RAW图像，同时在传输和处理时也需要更多的时间和系统资源。

不同相机的RAW格式

不同品牌和型号的相机所采用的RAW格式可能会有所不同，常见的有以下几种：

• 佳能（Canon）：佳能相机的RAW格式通常以.CR2或.CR3为文件扩展名。CR2是佳能早期使用的RAW格式，而CR3是较新的格式，它在数据压缩和图像质量方面有了进一步的提升，能够更好地保留图像细节和色彩信息。
• 尼康（Nikon）：尼康相机的RAW格式以.NEF为文件扩展名。NEF格式同样保留了丰富的图像数据，并且尼康在其相机软件中提供了对NEF文件的专业处理功能，方便用户进行后期调整。
• 索尼（Sony）：索尼相机的RAW格式主要有.ARW和.SRF两种。ARW是索尼常用的RAW格式，它包含了大量的图像原始数据，为后期处理提供了广阔的空间。

RAW图的处理流程

• 拍摄：在相机设置中选择RAW格式进行拍摄，相机将直接记录图像传感器的原始数据。
• 导入：使用图像编辑软件（如Adobe Lightroom、Capture One等）将RAW文件导入到计算机中。这些软件通常支持多种相机的RAW格式，并提供了专业的RAW处理工具。
• 后期处理：在图像编辑软件中对RAW图像进行各种调整，如曝光、对比度、色彩平衡、锐化等。由于RAW图像保留了大量的原始信息，可以在不损失太多质量的情况下进行大幅度的调整。
• 导出：完成后期处理后，将RAW图像导出为常用的图像格式（如JPEG、PNG等），以便在不同的设备和平台上查看和分享。

应用场景

• 专业摄影：在商业摄影、风光摄影、人像摄影等专业领域，摄影师通常会选择拍摄RAW格式的图像，以便在后期处理中对图像进行精细的调整和优化，达到最佳的视觉效果。例如，在风光摄影中，RAW格式可以更好地保留天空的高光细节和地面的暗部细节，通过后期处理可以合成出色彩鲜艳、层次丰富的照片。
• 科学研究：在一些科学研究领域，如天文学、生物学等，需要记录准确的图像数据。RAW格式的无损特性和丰富的信息可以满足这些领域对图像精度和细节的要求。例如，在天文学中，使用天文相机拍摄的RAW图像可以用于天体的研究和分析。

RAW图的数据格式较为复杂，不同相机厂商的实现方式有所不同，但总体上都是基于图像传感器的输出进行组织和存储的。以下是关于RAW图数据格式以及保存RGB信息方式的一般介绍：

RAW图的数据格式

• 图像传感器数据：RAW文件首先包含了图像传感器直接采集到的电信号经过模数转换后得到的数字数据。这些数据以二维数组的形式排列，对应着图像传感器上的一个个像素点。每个像素点的数据通常用一定位数的二进制数表示，常见的有12位、14位或16位，这决定了图像的灰度级和动态范围。
• 文件头信息：RAW文件有文件头，其中包含了关于图像的各种元数据，如相机型号、拍摄参数（快门速度、光圈、感光度等）、图像尺寸、位深度、色彩滤镜阵列（CFA）布局等信息。这些信息对于正确解读和处理RAW图像至关重要。
• 其他信息：一些RAW文件可能还包含额外的信息，如相机的校准数据、镜头信息、图像的缩略图等。

保存RGB信息的方式

• 色彩滤镜阵列（CFA）：图像传感器本身只能感知光线的强度，为了获取色彩信息，在传感器表面覆盖了一层色彩滤镜阵列，最常见的是拜耳（Bayer）滤镜阵列。它由交替排列的红色（R）、绿色（G）和蓝色（B）滤镜组成，通常绿色滤镜的数量是红色和蓝色滤镜的两倍，因为人眼对绿色光更为敏感。通过这种方式，每个像素点只能捕捉到一种颜色的光线强度信息。例如，一个位于红色滤镜下的像素点只能记录该位置的红光强度，而绿色和蓝色光的信息则通过周围的像素点来间接获取。
• 马赛克数据：RAW图像中的数据以马赛克形式存在，即每个像素点只有R、G、B三种颜色中的一种值。以拜耳滤镜为例，RAW数据看起来就像是一个由不同颜色滤镜下的像素值组成的棋盘格图案。
• 去马赛克算法：为了从这些马赛克数据中恢复出完整的RGB图像，需要使用去马赛克算法。该算法通过分析相邻像素点的值来估算每个像素点缺失的颜色信息。例如，对于一个红色像素点，算法会参考周围的绿色和蓝色像素点的值，结合一定的数学模型和统计方法，计算出该点的绿色和蓝色分量值。不同的相机厂商和图像编辑软件使用的去马赛克算法有所不同，这也会影响到最终图像的色彩还原和细节表现。

通过上述方式，RAW图能够以一种紧凑且保留原始信息的方式保存图像数据，为后续的色彩还原、图像处理和优化提供了丰富的素材。但需要注意的是，由于不同相机的传感器特性、色彩滤镜设计以及去马赛克算法等因素的差异，即使是相同场景拍摄的RAW图像，在经过处理后也可能会呈现出不同的色彩和视觉效果。

RAW图和BAYER图关系紧密，BAYER图可以看作是RAW图的一种特定数据表现形式，下面从它们的定义、关联和区别等方面详细介绍二者的关系：

定义

• RAW图
  • RAW图是相机图像传感器直接输出的、未经处理和压缩的原始数据文件。它记录了图像传感器在拍摄瞬间所捕捉到的光线强度等最原始的信息，包含了大量关于图像的细节和数据，为后续的图像处理提供了丰富的素材，常被称为“数字底片”。
• BAYER图
  • BAYER图基于拜耳（Bayer）色彩滤镜阵列（CFA）模式。拜耳滤镜阵列是覆盖在图像传感器表面的一层彩色滤镜，它以特定的方式排列红（R）、绿（G）、蓝（B）三种颜色的滤镜。在这种模式下，每个像素位置只能通过对应的滤镜获取一种颜色的信息，从而形成的图像数据就是BAYER图。通常，拜耳滤镜阵列中绿色滤镜数量是红色和蓝色滤镜的两倍，因为人眼对绿色更敏感。

关联

• 数据同源
  • BAYER图的数据来源于图像传感器，而RAW图记录的也是图像传感器的原始输出，所以二者本质上的数据源头是一致的。在很多情况下，相机拍摄得到的RAW文件中的数据就是以拜耳模式排列的，也就是说BAYER图的数据构成了RAW图数据的重要部分。
• 处理基础
  • BAYER图是处理RAW图像的一个基础阶段。当我们拿到一个RAW文件后，往往需要先识别其中的拜耳模式数据。后续对RAW图进行色彩还原、去马赛克等处理时，也是基于BAYER图的特性来进行的。例如，去马赛克算法就是根据BAYER图中每个像素只有一种颜色信息的特点，通过分析相邻像素来估算每个像素完整的RGB值，从而将BAYER图转换为完整的RGB图像。

区别

• 概念侧重点
  • RAW图更侧重于强调数据的原始性和未经处理的状态，它是一个涵盖了多种信息（如拍摄参数、校准数据等）的综合性文件格式，重点在于保留图像传感器的所有原始输出。
  • BAYER图主要关注的是数据的排列模式，即基于拜耳滤镜阵列的色彩信息获取方式，它突出的是图像数据在颜色采样方面的特定结构。
• 应用场景
  • RAW图广泛应用于专业摄影领域，摄影师通过拍摄RAW图可以在后期处理中对图像进行精细调整，以达到最佳的视觉效果。RAW图适用于需要对图像进行深度编辑和优化的场景。
  • BAYER图主要在图像处理算法开发、图像传感器研究等专业领域有重要应用。例如，在开发图像去马赛克算法时，需要针对BAYER图的特性进行优化；在研究图像传感器性能时，BAYER图的数据可以用来分析传感器的色彩采样效率等。

即使在感光传感器上加了拜耳（Bayer）滤光膜，RAW图依然是原始数据，下面从RAW图的定义、拜耳滤光膜的作用以及数据的原始性几个方面来详细解释：

RAW图的定义与原始性本质

• 定义：RAW图是图像传感器直接输出的、未经相机内部图像处理引擎进行诸如色彩校正、对比度调整、锐化、压缩等操作的数据记录。它保留了图像传感器在捕捉光线瞬间所产生的最本真的电信号转换后的数字信息。
• 原始性体现：其原始性关键在于它没有经过人为的、用于改善图像视觉效果的处理步骤。这些数据直接反映了光线照射到传感器上的物理特性，是后续图像处理的基础，就像传统摄影中的底片，为进一步的创作和优化提供了丰富的素材。

拜耳滤光膜的作用

• 色彩信息获取：图像传感器本身只能感知光线的强度，无法直接区分颜色。拜耳滤光膜覆盖在传感器表面，它由按特定规律排列的红（R）、绿（G）、蓝（B）三种颜色的滤镜组成，常见的是拜耳阵列模式，其中绿色滤镜数量是红色和蓝色的两倍，以匹配人眼对绿色更敏感的特性。通过这种滤光膜，每个像素位置只能获取一种颜色的光线强度信息，从而实现色彩信息的初步采样。
• 物理过程而非处理过程：拜耳滤光膜的作用是在光线到达传感器的物理过程中实现的，它是图像传感器设计的一部分，用于辅助传感器获取色彩信息，并非是对传感器输出数据进行的后期处理操作。

为何RAW图依然是原始数据

• 未经过后处理：虽然拜耳滤光膜影响了传感器获取的数据形式，但RAW图记录的依然是这个物理过程结束后传感器输出的直接结果，没有经过相机内部对数据进行的诸如色彩校正、对比度增强等旨在优化图像视觉效果的处理。
• 保留原始特性：RAW图中的数据保留了光线照射强度、传感器噪声等原始特性，这些数据可以让专业人员在后期根据实际需求进行各种调整，如调整白平衡、曝光等，而不会因为前期的处理而损失原始信息。

综上所述，尽管拜耳滤光膜改变了传感器获取色彩信息的方式，但RAW图仍然保持着其原始数据的属性，为图像处理提供了最真实、最完整的基础数据。