在拍照优劣的问题上,单摄像头手机赢了双摄像头手机

摘要: 根据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。

自今年苹果iPhone 7 Plus发布以来,“双摄像头”手机开始大量出现在人们的视野中。这个虽不是苹果首创,但却借着苹果品牌强大的“现实扭曲力场”发扬光大的特性,开始受到厂商追捧、消费者认可。

“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,然而在专业的测试机构中,貌似并不是非常的“买账”。

根据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。换句话说,世界上拍照最好的手机,都是用单摄像头成像的

究竟这些单摄像头手机有哪些黑科技,最终“团灭”了“双摄军团”呢?今天哥就来给屏幕前的你“科普”一下。瓜子板凳准备好,哥要开车啦!

如今大多数都是通过光线入射到CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor,互补金属氧化物半导体)上来完成的,而让CMOS感应到外界的光线,需要一定的光通量,想要提高光通量,要么加大光的强度(外界光、光圈影响)、要么增加感光面积(CMOS规格)、要么延长曝光时间(防抖系统)。

 Optical Image Stabilization(OIS,光学影像防抖)

顾名思义,其实就是我们常说的光学防抖,在DxOMark天梯榜超过85分的11款手机当中,有8款手机都搭载了OIS技术,足以见得这项技术在拍照中的重要性。

在日常拍摄时,手部轻微抖动几乎是无法避免的事,由于手部抖动,会造成手机光路易位,让照片发生抖动发虚。

但在光线充足时,由于传感器无需长时间曝光,极其轻微的抖动可以通过算法忽略。

而到了夜晚或是光线不足的情况下,想要保证拍出的照片不是漆黑一片,就要延长手机的快门时间,但是快门时间越长,手部抖动对光路影响就越大,呈现出的照片就越容易发虚。

所以在摄影行业内,有个“安全快门”的概念,即最大快门时间小于=1/等效焦距(秒)。例如iPhone 7 Plus,等效焦距为31mm,其安全快门就是1/31s。但为了保证夜间成像质量,无光学防抖的iPhone快门被定在了1/17s,大于安全快门,于是在夜拍时只能依靠电子防抖补偿,很容易发生抖动。

有了光学防抖,通过镜头的浮动透镜来纠正“光轴偏移”,其原理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影像模糊。

借助于这项技术,可以有效抵消“手抖”带来的影响。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。

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。

Electrical Image Stabilization(EIS,电子影像防抖)

细心的你也许会发现,排名第一的谷歌Pixel手机并没有搭载OIS光学防抖技术,那么这些手机靠什么来防抖呢?

靠EIS图像优选,这是一个在OPPO R9s炒起来的新名词,后被小米Note2发扬光大,虽然英文名听起来高大上,其实翻译过来就是电子防抖。

依靠软件算法实现防抖的电子防抖历来就有,最早被应用于电子相机的录像模式之中:通过对画面周围四边进行一定程度的裁切作为“缓冲带”,对图像的抖动进行相应的反向补偿。

而到了相机成像方面,借助手机多帧合成成像算法的成熟运用,如今可以利用图像序列中帧与帧之间的相关性,通过软件算法对抖动的像素进行替换补偿。而像Pixel这样的旗舰机,则可以借助陀螺仪的的运动,对手机抖动引起的图像序列抖动进行估计与补偿算法。

说到底,Pixel使用的无非只是更高级的软件算法,在硬件上,相比具有光学防抖的技术的手机并不具备优势。那是什么让Pixel脱颖而出?

IMX 378(大尺寸大像素CMOS)

在摄影界,盛传着“底大一级压死人”的铁律,其中的“底”,指的就是感光元件的面积。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 (下图右)和 Lumia 1020(下图左),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,一度被粉丝戏称为“奥利奥”。

不过你可知道全世界感光元件最大的手机是哪一部吗?是松下公司在2014年9月Photokina大展上推出的Lumix DMC-CM1,CMOS尺寸达到了1英寸!

但这外形的手机拿在手里,恐怕没有几个人不把它当成相机……

所以在这个“三分天注定,七分靠打拼,九十分看脸”的世界里,如此挑战消费者审美的摄像头注定难以成为主流。

而另一方面,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。

举个例子,手机CMOS就像一口大锅,锅越大,能装进的光也就越多,然而CMOS上的像素就像是围在锅边等着吃饭的人,像素越少越少,单位像素面积也就越大,每个像素分得的光也就越多,于是每个像素都可以“吃到饱”。

拥有了更大进光量,对于手机成像意义何在呢?最直观的感受,莫过于照片更亮了。

但除了“一亮遮百丑”以外,由于单位像素增大而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。

再来看位列榜首的谷歌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。

Dual Pixel(全像素双核心对焦)

拍摄照片时,有时会因为事情来得太快,手机来不及对焦而拍出一张模糊的照片,让你错过了稍纵即逝的永恒。

对焦速度虽然不能直接影响成像效果,但这项功能的好坏在于不仅影响到了手机是否能拍出一张清晰的照片,也影响到了拍照时等待手机对焦的心情。

而现在的手机对焦通常有以下几种:

  • 反差对焦

就是通过反复推拉镜片寻找对焦区域对比度最大的点作为对焦准确的点,也是最原始的对焦方法。在拍摄被摄物体时,系统并不知道对比度什么时候最大,所以需要来回去移动镜片来寻找。

因此我们会发现,使用反差对焦对焦时,取景器会有一个来回变焦“拉风箱”的过程,这种对焦方式不仅慢,在录像这种需要连续对焦的场合,频繁的“推焦”会极大影响画面观感。

  • IRAF激光对焦(又称红外对焦,港台译:镭射对焦)

顾名思义,就是通过摄像头旁发射器发射一道红外光(属于不可见光),当光线碰到物体时发生反射会回到手机接收器,通过发射和返回的时间差,计算手机与物体间的距离。

严格意义上讲,由于发射的是红外线,所以叫做红外对焦更准确(至于为什么叫激光,也许是宣传起来比较高大上吧)。

由于激光对焦属于主动对焦,所以最大优势在于可以在极为昏暗的条件下完成对焦动作,但国际上对于红外发射器功率的限制,目前手机所搭载的激光对焦最大距离往往不超过2米。

  • 相位(检测自动)对焦(PDAF,Phase Detection Auto Focus)

也是目前手机上较为主流的一种对焦技术,相位对焦即通过在负责感光的传感器上,将一些负责成像的像素遮蔽1/2面积作为相位对焦点。通过检测每个对焦点前后方向存在多少差值来实现高速合焦。

打个比方,每两个相邻的对焦点,可以比作人的眼睛,通过双眼对同一物体的观察,可以判断是否同一个点进来的光线,也就知道是否合焦。

然而这种对焦方式对光线要求很高,而另一方面,负责成像的像素被替换成了相位对焦点(一般不超过全像素的5%),失去了部分成像的功能,而这些像素点只能通过手机通过参考它周围的图像“猜”出这个点应该显示什么。也就是说,相位对焦快的前提,是用损失一定画质的代价实现的。

  • 全像素双核心对焦——Dual Pixel

那么有没有既不损失画质,也能兼顾高速对焦的技术呢?那就让相位对焦点也可以成像就好了,也就是接下来要介绍的双核对焦。
其实双核对焦技术在几年前在就已经在佳能的单反相机上应用,如今这项技术已经下沉到手机产业中。

在三星S7/S7 edge搭载的IMX260 这颗传感器中,首次将相位对焦点做到了双核,原理和相位对焦基本相同,不同的是每个相位对焦点由两个完整的像素(光电二极管)组成,通过两个像素独立感光,并分析两个像素间的相差,就可以测算出被拍摄物体的距离,让每一对完整的像素都可以进行对焦,变相提高了相位对焦点的数量和感光面积,也就是相位对焦的升级版“双核对焦”。

借助这项先进技术,让S7 edge在DxOMark自动对焦速度的单项比拼中,以94分的最高分摘得桂冠。

技不外传的相机算法

刚才提到了“三分天注定”,接下来我们要聊一聊“七分靠打拼”的故事了。

每当我们拿到新买的手机,想拿它拍张照片发微博朋友圈炫耀一下的时候,往往看完拍出来的照片,选择默默删掉,心里默念“呸,这怎么和样张上的不一样!”

抛开前期取景技巧(和后期PS造假)的因素不提,单单是手机厂商杨照的拍摄,就需要运用三脚架、稳定器、补光灯等一系列设备,加上ISO、白平衡、曝光时间的一系列调节,才会得到一张“样片”水准的照片。

而你呢?无非只是希望看到旅途中流连忘返的景色或是街边稍纵即逝的艳遇,从兜里掏出手机,按下快门,随手拍出一张好的照片而已。

没错,就是“举起手机,对准拍摄对象,按下快门”这么简单,也许整个过程不超过一秒钟。

那么在这零点几秒的时间里,手机自己都处理了哪些事情呢?

以iPhone7为例:在你按下快门后的0.025秒的时间里要经过:

面部识别→自动曝光→自动对焦→自动白平衡→广色域抓取→本地色调映射→画面降噪→多帧图片合成 在内的8项步骤,这些步骤都是在你“优雅”地按下快门后,手机通过自己的运算所得出的结果。

而这套手机的算法,正是每家厂商的不传之秘,厂商调教得越好,手机能够自动胜任的工作越多,也就离我们“随手拍出好照片”的目标越近。

而说到调校一直是iPhone的“优势项目”,虽然论风格各家自成一派,例如三星手机的浓艳、OPPO手机的红润、小米手机的高色彩饱和度,但iPhone的白平衡的色彩调校则少了前面几家的“讨喜”元素,力求还原人眼所见的感觉。

正所谓:调的准的叫还原,调不准的的叫风格,风格每个人各有所爱,但真实就是真实。

稳定的“傻瓜式”相机表现,让iPhone用户远离了手动调节参数的繁琐,虽然在硬件水平已被安卓手机大幅赶超的情况下,用一颗小小的1/3英寸CMOS,依旧可以占据高端手机榜单的一席之地。

当然,研究算法的投入也是极大的,需要一个庞大的团队,从光穿透第一层手机镜片开始,到如何映射到传感器,再由处理器转化为图像,都需要在独立的实验条件下进行反复测试。根据苹果CEO蒂姆·库克(Tim Cook)接受《60分》节目采访时透露,专门为iPhone开发摄像头的团队目前员工数量就已经超过了800名。

800名员工研究摄像头是什么概念,据说老罗的锤子手机全公司上下一共也就这么多人,所以锤子T1发布时,由于人员有限,算法调校基本要靠买“现成”的,所以才有了老罗日本拜访五十岚千秋,后因T1拍照实在太烂,五十岚不认账,最后就有了”老罗被日本人坑了“的笑话。

硬件性能是体验的保证

对于手机拍摄来说,光有好的镜组和感光元件只是第一步,厂商优良的调校算是第二步,随着这几年手机像素的提高以及算法的升级,用户拍出好照片越来越容易,但是手机自己要实时处理的运算量就要大得多。

当然这对于手机的性能也是一个极大的消耗,仍以iPhone 7为例,从按下快门到成片仅仅25毫秒的时间里,手机要进行多达1000亿次的运算!

当你的手机没有足够强劲的性能,无法在短时间里进行如此庞大的运算,要么会在拍照时比别人慢半拍,要么为了保证拍照流畅降低了手机后期处理的标准,让成像效果大打折扣。

除了我们常说的CPU和GPU,芯片厂商还会为自家的旗舰级芯片定制独立的ISP和DSP。

Image Signal Processing(ISP,图像信号处理器),是在手机中用来对前端图像传感器输出信号处理的强大处理引擎。负责CMOS信号的实时导出,以及照相录像时的曝光、白平衡、防抖运算等。上文提到iPhone 7 能够在25毫秒的时间里进行1000亿次运算,基本上都是这颗ISP的功劳。

除了苹果用上了独家的ISP,安卓阵营的旗舰芯片也有独家定制的ISP,例如高通的骁龙820采用了14位图像信号处理器Spectra ISP,最高支持2800万像素/30fps,吞吐量最高1.2GPix/sec(每秒12亿像素)。

换句话说,我们用着比当年阿姆斯特朗登月时还要强大的设备,仅仅是为了拍出一张好照片。

Digital Signal Processing(DSP,数字信号处理器),是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器。与全知全能的CPU相比,DSP更像是某一领域的专家,在执行单项任务时更加快速高效。

例如骁龙820上集成的Hexagon 680 DSP,相比前代除了2倍上的性能提升,整合了低功率岛(LPI)后,能效比也提高了10倍,靠它来执行HDR视频、HDR图像合并、低光图像增强、降噪等图像处理工作,可以在提高效率的同时降低能耗。

根据知名的木桶效应,上面我所说到的这些问题任何一项成为了短板,都会拉低手机拍摄的整体体验。

但无论是OIS、EIS,还是ISP、DSP,要是不是被商家包装成唬人的英文,懂点行情的都知道这些从相机诞生之日起就一直在演进之中。那么为什么要说这些功能很关键呢?

因为许多双摄的手机这些关键的功能很多都!没!有!

由于摄像头的数量增加,同时要平衡手机的美感,手机内部空间将变得更加紧凑,也就限制了两颗CMOS的大小,毕竟没有人喜欢手机后面两大颗“火疖子”。

以双摄像头排名最高的华为P9为例,所采用的IMX 286感光元件体积仅为1/2.9英寸,单位像素面积仅有1.25微米。

同时为了进一步节约镜组空间,双摄像头的手机往往不支持光学防抖功能。不过就算是拥有光学防抖,两颗摄像头镜组还要在抵消抖动时也要严格保持轴矩的同步,这项技术虽然已经在实验室里取得了成功,但以目前的工艺水平还不能量产。

所以有些厂商虽然给双摄像头增加了光学防抖功能(Mate 9),但光学防抖与双摄像头的开启相互冲突,在拍照时,只能选择其中一项开启。

没有大底优势,光学防抖也缺席,双摄像头的手机在“外功”上已经输了一半。

而在双摄解决方案上,目前市售的彩色+黑白双摄方案都是采用国内一家叫做舜宇光学的方案,高端低端都是这一家。

与竞争对手苹果和高通采用定制ISP不同,像华为P9这样的双摄手机,麒麟955芯片内嵌的ISP居然不支持双摄,只能再外挂一颗altek(华晶科技,台湾数码相机和手机产品的生产商)的ISP少了几分“私人定制”的优化,让双摄的P9在“内功”上也矮人一截。若不是赶上个“好师傅”徕卡亲自调教软件算法,双摄军团恐怕要输的更惨些。

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评论(3

  • 翁章 翁章 2016-11-18 15:02 via pc

    总感觉在哪个国外的科技网站上看到过。

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  • 那是我头像不是头发 那是我头像不是头发 2016-11-18 11:37 via weibo

    小米5s用的也是IMX378 啊QAQ

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  • 阿布先生1984 阿布先生1984 2016-11-18 09:00 via pc

    这个软文好高端

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Oh! no

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