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索尼大法好:说说手机摄像头那些事儿
2017年11月27日 作者: 暂无评论 219+ 0

相比目前的手机摄像头配置已到前后双摄。动辄几千万像素的地步,小编在11年时候还拿着只有一个后置500万像素的摄像头VIVO功能机在大学宿舍自拍的时候,一回想到当时的画面,还真不忍直视。

说实话,这些年手机变化最快的,个人觉得还是摄像头,虽然有人说目前手机摄像头同化严重,技术停步不前,设计理念毫无创新。。。但个人对这种观点不敢苟同,其实手机摄像技术上在细节上都有所突破,这种突破也是在循环渐进中堆叠而成的,所以这些年手机摄像技术的发展会给人一种“挤牙膏”的感觉。

手机摄像

从2000年第一款搭载摄像头具有拍照功能的夏普 J-SH04开始,就注定,拍照——是手机最好的功能之一。这款像素仅有11W,售价在当时却高达500美元的手机,也确确实实吸引了一大票人的眼球,但这个价格即使放到现在,考虑到汇率或者 CPI 的因素,足够买一个128GB 的 iPhone 8 了。不过,有了夏普这次大胆的领路尝试,随后便有很多手机厂商先后跟进,松下、索爱、三星、诺基亚、LG、苹果等等,相继推出自家具有代表性拍照手机产品,当然,这里的代表性不止是只具有单一的拍照功能,还有摄像头技术、体验上的突破。就如首款自动对焦的松下 P505iS手机,首款配有氙气闪光灯的索爱 K790手机,第一款过千万像素的手机三星Samsung SCH-B600,第一款超四千万像素的手机诺基亚 808 PureView,第一款配备激光对焦的手机LG G3以及第一台使用背照式传感器的手机—iPhone 4等等。在这里小编就不一一举例。

时间过的真快,到了今天,手机摄像头不在仅仅只为拍照而生,其中附加了很多功能,比如美颜,扫码,AR识别、目前的高大上人脸识别以及更高深的3D人脸识别等等,技术的革新,推动了手机摄像头在技术、用户体验、有了翻天覆地的变化。当然,功能上的变花始终能反映了最初在底层技术支持上的变化。

镜头:光圈和光学防抖

说起手机拍照的创新,可能绝大多数朋友都会想到双摄像头,确实,双摄不仅理论上可以提升拍照画质,还带来了实用的虚化、变焦功能,现在的手机画质强、能变焦还有虚化功能,卡片相机不死可以说是难以平民愤了。当然要说到是双摄还是单摄那个拍照效果更好,还真不好说,不过根据去年国外专业相机测试机构DxOMark的手机拍照天梯,在所有得分超过85分的11款手机当中,没有任何一款搭载了双摄像头。而排名最高的双摄手机,是80分的华为P9,位列总榜第27位。可以说“两个总比一个强”,这个在商家的宣传和消费者的眼中看似顺理成章的规律,在专业的评测机构眼里并不成立。

无论是单摄还是双摄,手机镜头的材质依然是树脂等非玻璃材质(部分机型镜头前段模组是蓝宝石镜片,但主要起保护作用),光圈方面大部分都维持在f/2.0上下,不过目前的有的旗舰机型或者主打拍照功能特色机型光圈已达到f/1.8甚至f/1.6,大的光圈保证镜头的进光量的同时也保证成像质量。光圈大,允许在弱光条件下拍摄,允许制造浅景深,这样对成像色彩的饱和度就越高。

当然对于镜头除了光圈大小非常重要之外,镜头在防抖上的进步也是让人惊叹。

在光学防抖出现之前,其实手机也是有防抖的,但都是电子防抖,其实也就是后期对于图像进行补偿,起到的作用非常有限。而光学防抖镜头中有一块镜片模组是可以通过四周的磁力装置来进行位移的,在陀螺仪检测到抖动的时候,防抖镜片就会进行进行位移,使光路仍然能落到CMOS原来的位置上,不然可能在快门开启的几百分之一秒内,同一条光路就会打在CMOS的不同位置,造成拖影。

光学防抖

并且从防抖出现一直到现在,光学防抖模组也经历过几次升级,从两轴光学防抖到三轴(除了上下左右还有前后位移的补偿),再到后来的四轴防抖(倾斜角度),而五轴防抖目前为止只有索尼Xperia XZ有配备。除了防抖轴数,原理上也有升级,OPPO就在R9s Plus上把磁力驱动升级为滚珠式滑轨防抖。这些防抖的原理都是通过镜头内的陀螺仪侦测到微小的移动,然后将信号传至微处理器,处理器立即计算需要补偿的位移量,然后通过补偿镜片组,根据镜头的抖动方向及位移量加以补偿;从而有效的克服因相机的振动产生的模糊的残影。

光学防抖

而在防抖加入之后,借助于这项技术,可以有效抵消“手抖”带来的影响,我们手机的暗光拍摄成功率大大增长,因此,厂商可以延长“安全快门”的时间,例如苹果、三星都将快门拉长至1/4s,保证了夜晚拍照的明亮与成片率。一时间涌现出不少“夜视仪”一样的产品。

当然光学防抖的加入也会带来一些副作用,一方面是画面边缘的解析力下降较大,另一方面浮动镜组占用的空间更大,所以很多搭载OIS的手机摄像头“凸起”都十分感人。

CMOS:我只认索尼大法

但是要说哪项技术进步最大,那还数CMOS,并且这其中起到最关键作用的毫无疑问就是索尼了,先是鼓捣出了背照式CMOS,后来又有了堆栈式,现在最新的IMX400系列竟然都三层堆叠了。不过对于手机CMOS来说,改善最明显的还属对焦性能。一开始手机都只支持反差对焦,因为单反相机都是利用五棱镜、反光板等复杂结构,让光线进入对焦模块中才支持相位对焦的,手机的空间完全不够用。所以LG等厂商用激光对焦来曲线救国,通过激光测距来选择焦平面的位置,但是激光对焦有效距离太近,并不实用。

但其实索尼微单早就部分支持了相位对焦,用的是在CMOS上集成相位对焦像素的方法,后来手机CMOS中也采用了这一设计,但是因为对焦像素数量有限所以只有一部分区域能相位对焦,于是后来出现了IMX362这样1200万个像素都有专属相位对焦像素的CMOS,画面中所有像素都能支持相位对焦。

手机摄像

这里说道IMX小编就不得不提一下,也就是大尺寸大像素CMOS,有更大的感光元件面积,可以在单位时间拥有更大的光通量。这其中比较出名的就是已经消失的诺基亚PureView 808 和 Lumia 1020,两者的感光元件面积分别达到了1/1.2英寸和1/1.5英寸,当然超大的感光元件也让这两款手机的镜头显得极为臃肿,购买过的消费者也都深有体会,凸起的圆形镜头,如同“奥利奥”。虽然诺基亚PureView 808 和 Lumia 1020拥有超大的CMOS,但由于4100万像素的加持,其实手机的单位像素面积并不大,仅有1.4微米和1.12微米。虽然COMS增大,进光量也多,不过由于像素的增多,就如同进光量始终是那些,像素越多,但平分到单个像素点进光量就会越少,拍出来的照片就会显得不够亮,容易出现噪点。

但如果单个像素点面积增大,总体进光量一定的话,就会享受到了更多的进光量,像素点转化为电信号的强度也就越高,变相降低了相机本身模组由于通电而产生的电磁“噪音”串扰的比重,拥有更高的信噪比,极大降低了在暗光拍摄时,由于线路“噪音”而产生的伪色噪点的出现,提高了画面的纯净度。

就比如。谷歌Pixel,采用的 IMX378 就是这样一颗传感器,系索尼Exmor R系列背照式传感器的最新型号,有效像素达到了1220万,对角线尺寸为1/2.3英寸(7.81毫米),相比iPhone 7(1/3英寸)大了59%,同时单个像素尺寸为1.55微米,进光量相比iPhone 7(1.22微米)大了61%。可以说是相对iPhone 7 CMOS 规格的全面秒杀。

图像信号处理器(ISP)跟进以及软件端优化

手机摄像

除了镜头和传感器,就只剩ISP(图像信号处理器)最能影响手机画质了,这里我们将ISP和算法归入到一类中进行讨论。

因为手机ISP可能只有在按下快门的时候会工作,其余时间都是闲置,所以之前手机ISP性能并不强,诺基亚Lumia 1020就因为ISP拖不动4100万像素,所以诺基亚最后不得不搬出GPU的计算能力来救场。当然,现在很多旗舰手机摄像头需要实现的功能不仅仅只是拍照,还有其他特有的功能,这都要手机核心处理器的帮助,就比如iPhone X的3D人脸识别仅靠靠一个图像信号处理器是绝对玩不转的。

当然现在的图像信号处理器可不简单,支持4000万、双摄甚至是RAW格式输出的型号可不少,并且更好的I图像信号处理器对画质、白平衡计算、连拍等的提升不言而喻。并且手机的I图像信号处理器制程都和CPU保持一致,这意味着都是10nm、14nm制程,而相机图像信号处理器制程都在55nm上下。

当然除了除了图像信号处理器这个拍照的“硬通货”之外,软件算法的优化也是必不可少的。为什么索尼以前总用不好自家CMOS,就是因为软件优化不到位。并且HDR、多帧合成等增强画质的功能也都是依靠软件来实现的,诺基亚Preview、HTC UltraPixel就是基于算法的技术。而在双摄时代,黑白CMOS之间的配合,背景的虚化功能,也都离不开软件算法的调教,当然这和美颜功能也是有关系的。

总的来说,目前手机摄像头从第一次出现到现在已经完全不可同日而语了,人们在除了在拍照效果上追求极致的同时,也在迅速给手机摄像头增加了很多附加但很必要的功能,当然这些功能相比本身最重要的拍照“天性”来说是微不足道的,毕竟拍照才是手机摄像头的留存至今的根本,也是一部手机是否受欢迎的最重要指标之一。

  

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