未经雕琢的图像之胚——RAW格式的奥秘

RAW格式的图像因其能够保留更多信息而在颜色科学研究、影视制作等领域中受到青睐。近年来，越来越多的智能手机也拥有了记录RAW图像的功能，允许用户对照片进行更灵活的编辑以充分发挥创作意图。RAW格式的普及，让越来越多消费者有机会一窥专业摄影的奥秘。本期推文将聚焦RAW图像本身，RAW格式图像的生成、RAW格式的文件结构、RAW格式的标准化、RAW格式的优缺点、RAW格式背后的专利之争等五个方面深入剖析RAW图像格式，揭开它的神秘面纱。

一、RAW格式图像的生成

“RAW”指原始图像编码数据，包括来自数码相机、电影胶片扫描仪或其它图像扫描仪的图像传感器输出的未处理或最低限度处理的数据。正因为这些数据尚未被处理，并且包含大量可能的冗余数据，所以raw（adj.（食物）生的，未经加工的）这个单词被用于描述这些数据。

当成像设备中的快门被按下后，传感器将光信号转换为模拟信号，再转换为数字信号。

值得注意的是，RAW图像格式并不是一个特定的格式，它是一类直接通过读取CMOS信息并保存的格式统称。因为每个相机品牌不会用相同的编码技术来记录RAW格式文件，所以许多品牌的RAW格式都是有自己的独有后缀名，比如索尼的“.ARW”，尼康的“.NEF”，佳能的“.CR2”，富士的“.RAF”等等，它们都是基于TIFF（标签图像文件格式），而RAW只是这些名称的统称而已。

二、RAW格式的文件结构

RAW格式的结构通常遵循一个共同的模式：

1、一种简短的文件头，通常包含文件字节顺序的指示符、文件标识符和主文件数据的偏移量；

2、摄像头传感器元数据，用于解释传感器图像数据，包括传感器尺寸、彩色滤光片（CFA）属性及其颜色配置文件；

3、图像元数据，可用于纳入任何内容管理系统环境或数据库。这些元数据包括曝光设置、相机/扫描仪/镜头型号、拍摄/扫描日期（以及可选的地点）、作者信息和其它信息。有些RAW文件包含一个标准化的元数据部分，其中包含Exif格式的数据；

4、图像缩略图；

5、大多数RAW文件包含完整大小的JPEG转换图像，用于在相机的LCD面板上预览文件；

6、传感器图像数据。

以索尼的.ARW格式来说，它采用TIFF规范进行存储。它的结构可以大致分成三部分，即图像文件头、文件目录和图像数据。其中，所有的标签都是以升序排列，这些标签信息是用来处理文件中的图像信息的。

1、图像头文件（Image File Header, IFH）：是图像文件体系结构的最高层。这个结构在一个TIFF文件中是唯一的，有固定的位置。它位于文件的开始部分，包含了正确解释TIFF文件的其他部分所需的必要信息。

2、文件目录（Image File Directory, IFD）：包含目录项（Directory Entry, DE）是TIFF文件中第2个数据结构，它是一个名为标记（tag）的用于区分一个或多个可变长度数据块的表，标记中包含了关于图像的所有信息。IFD提供了一系列的指针，这些指针告诉我们各种有关的数据字段在文件中的开始位置，并给出每个字段的数据类型及长度。这种方法允许数据字段定位在文件的任何地方，且可以是任意长度，因此文件格式十分灵活。

3、图像数据（Image Data）：根据IFD所指向的地址，存储相关的图像信息。

▲ TIFF标准的存储格式详解

三、RAW格式的标准化

RAW格式就像生（raw）肉，需要交给ISP进行加工，才能转化为肉眼可“消化”的图像。

对原始文件的内容进行详细而简洁的描述非常困难。不同的相机、手机厂商使用各自专有的、通常没有文档记录的格式。即使同样的厂商，其不同的相机型号也会有不同的RAW格式。包括尼康、佳能和索尼在内的几家主要相机制造商对各自RAW文件的部分内容进行了加密，以防止第三方工具访问这些文件。

这种全行业格式不一致的情况让许多人感到担忧。于是，DNG被提出，作为RAW格式的替代品。

DNG是唯一一种正在寻求全行业支持的RAW图像格式。它基于ISO标准原始图像格式ISO 12234-2（TIFF/EP），并与之兼容，目前ISO正在修订该标准。宾得公司使用DNG作为其原始图像格式的可选替代格式，这样的公司至少有15家，甚至还有一些专门生产电影摄影机的公司，如徕卡、三星、理光、宾得、哈苏等也采用了DNG格式。此外，大多数佳能傻瓜相机都可以通过使用CHDK 支持DNG，Better Light也可以导出到DNG，还有许多开源开发者正在使用DNG。

四、RAW格式的优缺点

优点

几乎所有的数码相机都可以使用白平衡、色彩饱和度、对比度和清晰度设置将传感器中的图像处理成JPEG文件，但是生成RAW文件将没有这些步骤，所以就需要摄影师在电脑上进行自行处理。不过，与JPEG文件相比，RAW文件有许多优点，例如：

1、与只有8位信息的JPEG格式相比，拥有14位甚至16位信息的RAW文件能存储更多亮度信息；

2、由于去马赛克等一系列ISP流程会破坏原有数据的完整性，因此最原始的RAW格式能够提供更高的图像质量；

3、RAW格式为图像校正和艺术处理留下了更多的空间，而不会导致图像出现明显的缺陷，如颜色断层等。

缺点

既然RAW格式拥有如此多的优点，那么JPEG就没有存在的必要了吗？其实不然，RAW格式也有其局限性，例如：

1、RAW格式的文件大小通常是JPEG的2~6倍，也就是说一张同等容量的存储卡只能容纳更少的RAW格式文件。同时，由于单幅RAW格式图像尺寸较大，所以相机的连拍性能也会受到限制；

2、标准的RAW格式（ISO 12234-2，TIFF/EP）没有被广泛接受。各个厂商都使用着各自修改后的RWA格式，导致目前市面上有许多不同的RAW格式；

3、由于缺乏广泛采用的标准原始格式，可能需要专业的软件才能打开RAW格式文件。为此，软件开发人员必须经常更新他们的产品，才能支持最新相机的RAW格式；

4、相比于JPEG格式而言，RAW格式的图像需要手动调整白平衡、亮度等等，有一定的专业门槛。

五、RAW格式的专利之争

图像从拍摄到存储为常见格式，经历了一系列复杂的转换过程。目前，许多摄影设备厂商采用的传感器，例如索尼生产的IMX410，被广泛应用于包括索尼A73、尼康Z62、松下S9、适马FP、大疆如影4D等多款设备中。这种普及化使得不同厂商的RAW格式数据在本质上具有相似性。然而，由于各自的处理算法和专利技术的差异，最终产生的图像风格和质量可能会有所不同。对于专业摄影师或需要高质量图像的应用程序而言，RAW格式捕获了图像传感器记录的几乎所有数据，包括颜色、曝光和白平衡信息。这些数据未经压缩，保留了丰富的细节和宽广的动态范围，使得摄影师在后期处理时能够对曝光、白平衡、对比度、饱和度和锐度等参数进行精细调整。

尽管RAW格式的图像具备诸多优势，但并非所有摄影设备生产厂商都将其作为主要存储格式，其原因在于RAW格式图像所需的存储空间远大于其它图像格式。特别是对于拍摄RAW格式的4K乃至8K视频，短时间内产生的数据量巨大，对存储设备提出了极高的要求。因此，各家厂商都在寻求有效压缩RAW格式的途径。目前，RED公司已经抢先注册了压缩RAW格式的专利，其涵盖了一种用于压缩RAW视频素材的方法，以在RED相机中捕获原始视频时进行压缩。这意味着任何对RAW格式数据进行压缩的尝试都可能触及RED的专利壁垒。即便是科技巨头苹果公司，也未能成功挑战RED公司的专利权，这进一步凸显了RED在RAW格式压缩领域的领先地位。

六、结语

RAW格式图像在科研和影视制作领域扮演着至关重要的角色，它赋予创作者以捕捉并精确再现真是世界细节的能力。随着标准的统一、技术的进步和专利问题的解决，我们可以期待未来RAW格式的应用将会更加广泛，希望未来的有一天能够见到所有媒体内容都使用着同一格式，这将会极大优化现有的工作流程。

作者QQ及微信：49922779