研究背景

隨著電子科技產業的蓬勃發展與技術之提升，消費型數位產品製 造業者，為了要滿足大多數消費者之需求，往往需要將產品的體積與 功能性列為設計產品時考量的重點，因此使得大部分的消費型數位產 品在體積上都可以變得更輕薄短小，在功能性方面可以變得更多樣 化，並且符合人們隨身攜帶之便利性。

近年來消費型數位產品的價格越來越便宜，使得具有攝影功能的 數位產品，如數位相機（Digital Still Camera，DSC）、具有拍攝功能 的手機或手持式電腦 （Personal Digital Assistant，PDA）等，成為最 受歡迎的數位產品，並且逐漸取代傳統相機的地位，成為人們記錄生 活場景不可或缺的工具。

傳統相機與數位相機最大的不同之處在於感光元件，傳統相機是 利用溴化銀製作的底片作為感光元件，透過溴化銀感光產生化學變化 來記錄影像的資訊；數位相機是使用電荷耦合元件（Charge Couple Device ， CCD ） 或 互 補 式 金 屬 氧 化 半 導 體 （ Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，CMOS）作為感光元件，經由光電訊號的 轉換來記錄影像的資訊。使用傳統相機進行拍攝的話，必須將底片經 過沖洗後才可以看到所拍攝影像的品質，而且感光底片也不具重複使 用的特性，因此對於一般使用者來說較為不方便；使用數位相機進行 拍攝的話，拍攝結果不但可以一目了然，而且儲存影像資訊的空間也 可隨著記憶卡的容量而改變，此外記憶卡也具有重覆使用的特性，因

此數位相機在各方面的考量都會比傳統相機更具有優勢。

由於 CCD 與 COMS 感光元件只能感測到光線的強度，並無法區 分出光線中所包含的色彩成份，因此必須在感光元件之前覆蓋一層彩 色濾光片做分色的處理，透過濾光片分別過濾出紅色（Red）、綠色

（Green）與藍色（Blue）三個主要的色彩元素，最後即可分別記錄三 個色彩成分的量測值。因此可以大概瞭解數位相機擷取一張全彩影像 的整個過程，首先必須先將場景中的光源訊號分離成紅色、綠色與藍 色的色彩成分，再分別使用感光元件紀錄所擷取到的色彩值，最後再 把三個色彩成分合成起來便可構成一張全彩影像。

目前市面上的數位相機依感光元件數量來區分，可以分為兩種類 型，第一種為具有三個感光元件（Three-CDD）的數位相機，另一種 是僅有一個感光元件（Single-CCD）的數位相機。經由圖 1-1 可以簡 單的瞭解具備三個感測元件之數位相機取得全彩影像的過程。場景中 的光源訊號通過光學鏡頭後，接著會再經過光學稜鏡折射成 RGB 三 個原色的色彩元素，最後分別由三個原色的濾光片與感光元件記錄每 一個像素點 RGB 的色彩量測值。但由於此架構需要使用到三個感光 元件去擷取影像的資訊，因此會使得數位相機的體積變得更大且笨 重，電源的消耗速度也會較快，製造成本相對也會比較高。

圖 1-1 三個感光元件（Three-CDD）之數位相機架構

為了減少數位相機的製造成本與體積，並且符合一般消費者之消 費能力與使用需求，所以目前大部分消費型數位相機，幾乎都僅採用 一個感光元件。以圖 1-2 作為說明，由於此架構僅使用一個感光元件 去擷取影像的資訊，因此必須在感光元件前面覆蓋一層色彩濾波陣列

（Color filter array，CFA）進行 RGB 訊號的取樣，使得每一個像素點 只能擷取到 RGB 其中的一種色彩元素，所以會導致其他兩個色彩元 素沒有紀錄而遺失。因此想要重建接近於原始色彩的影像，必須準確 地估算出每一個缺少元素的色彩值，接著透過插值處理程序補回每一 個像素點所缺少的色彩元素。要準確地估測遺失的色彩元素，可以藉 由感光元件所擷取到的真實色彩資訊重建每一個缺少的色彩元素，這 種方法是利用每一個像素與其鄰近像素已知的色彩資訊作數學運算來 估 測 遺 失 的 色 彩 元 素 ， 此 處 理 程 序 稱 為 色 彩 內 插 演 算 法 （ Color

interpolation）或解馬賽克圖形演算法（Demosaicing）。

圖 1-2 單一個感光元件（Single-CCD）之數位相機架構

色彩濾波陣列是一種以馬賽克形式交錯排列的濾光片，可以透過 不同的排列方式進行色彩成分的取樣。目前大部分單一感光元件的數 位 相 機 ， 所 採 用 的 色 彩 濾 波 陣 列 幾 乎 都 為 貝 爾 圖 形 （ Bayer CFA pattern）[1]的排列方式，如圖 1-3 所示。每一個格子代表每一個像素，

在每一個像素上只有一種顏色可以被取樣，其中被取樣的綠色像素佔 整個色彩濾波陣列二分之一的面積，另外二分之ㄧ的面積則由紅色與 藍色像素各佔一半。綠色成分取樣比較多的原因，是由於綠色與亮度

（Luminance）之間有很高的關聯性，而人類視覺系統（Human visual system，HVS）對亮度變化比較敏感的因素。

圖 1-3 貝爾圖形