综合决定成败——手机摄像头科普

2016-07-31 12:51:26     作者:王昊      来源:雷锋网

标签: 摄像头 像素 光圈 传感器

拍照效果作为手机的重要指标之一,已成为各大手机厂商的必争之地。很长时间以来,大家都认为像素越高的拍照效果越好,但除了像素之外,还有很多因素会影响手机的拍摄效果。今天我们就来科普一下影响拍照效果的其他因素。

拍摄效果作为目前手机的重要指标之一,已成为手机的必争之地,苹果与三星多年以来在最佳拍照手机的争夺上日益焦灼。从iPhone 4S采用800万像素后置摄像头开始,苹果在这一领域领先多年。当安卓达到了惊人的2070万像素,却仍在成像效果上无法匹敌iPhone“仅有”800万像素摄像头时,大家终于认识到影响手机拍照质量的不仅仅是像素。除了像素之外,影响成像质量的还有传感器、镜头素质还有软件算法。三星在过去几年一直在默默的提升软硬件实力,随着S6/S6 Edge及后续机型的推出,终于在拍照上搬回一城。

 

像素的迷信

人们对像素等于拍照质量的误解是有一定历史原因的,当手机和PDA上刚刚出现摄像头的时候,只有区区30万像素,成像质量确实比较糟糕。随着技术的快速发展,手机像素一路飙升到夸张的4100万像素(诺基亚808), 笔者认为其中有两个比较明显的跨越式发展,第一个是30-130万跨越到320-500万像素,这基本上是一个从“无”到有的过程,手机拍照成为了真正有实用意义的功能,但此时的拍照效果仍差强人意,随身摄影仍是卡片相机的天下。第二个跨越是从500万跨越到800-1300万,手机拍摄效果进一步提升,以iPhone为代表,在很多场景中手机已经可以取代卡片相机。在这两个跨越中,像素的提升起到了很大的作用,因此才给广大用户留下了一种高像素=高画质的错误印象,比如索尼的Z3,拥有2070万像素的摄像头,但实际的拍照质量却……当然,我们并不是说高像素没什么用,高像素确实会带来更好的解析力、更多的细节和更大的图像尺寸,这在Note5与iPhone 6的对比中尽显无疑。但画质的好坏不是由单一因素决定,而是由像素、传感器面积、镜头、后期算法共同决定的,下面就继续来探究其他几个因素对成像质量的影响。


传感器面积


我们都知道,无论数码相机还是手机,决定成像质量最为重要的一部分就是感光元件,感光元件主要有两种,CCD和CMOS。其中CCD在在成像质量更佳,但工艺复杂成本高,耗电也高于CMOS,并不适合在移动设备上使用,除了早期夏普的一些机型,已经很少能见到采用CCD传感器的手机了。昨天的文章中,我们已经详细的解读了传感器面积与画质之间的关系了,详情请点击《问世间CMOS,μm为何物》 简单的说就是:单位像素面积越大,成像效果越好。但在同等像素数目下,单位像素面积越大,感光元件的面积和厚度就越大,所以传感器面积并不是越大越好。因此各大手机厂商都在像素、传感器体积和画质之间寻找一个合适的平衡点。

 

镜头组的秘密

对于手机摄像头通常有两个比较重要的参数——光圈和广角。其中广角与焦距成反比,广角越大,焦距越短。而焦距与镜头厚度成正比,即焦距越短,镜头模组厚度越小。所以大广角除了能带来更广的视角更大的拍摄视野外,还能降低镜头模组的厚度。但越是大广角的镜头,光学设计就越复杂,需要采用非球面镜片和高折射率的玻璃来纠正畸变和像差。因此手机上常见的广角多为35-28mm,用户对此无需做太多的纠结。


除了焦距之外,另外一个比较重要的指标就是光圈了。与相机的镜头类似,光圈数值越小,则光圈较大。由于体积和硬件结构的限制,手机镜头的光圈都是固定的。如果其他条件相同,则光圈越大,可以达到传感器的光线也就越多。在弱光环境下,大光圈的画面亮度也就更高。目前拍照比较好的手机光圈一般都达到了F/2.4以上。

除了夜拍效果更好之外,大光圈的意义还在于更大的进光量可以提高快门速度。我们举个例子,拍摄同一张照片,需要一个固定数值的进光量,用大光圈的镜头,我们以1/22秒的速度就能完成拍摄。而小光圈的镜头,想得到同样的进光量,就要延长曝光时间,在这个过程中如果您的手不小心抖了一下,那么不好意思,照片花掉了。更快的快门速度,更快的抓拍速度,这也真是大光圈的另一大意义所在。


数码相机的镜头是由多片镜片共同组成的,根据功能和作用又会分为不同的镜头组,我们举一个例子,一个镜头有7组11枚镜片,既这款镜头共有9枚镜片,这9枚镜片又分为7个镜头组。现在手机的镜头组通常为4片、5片或6片,其中5片通常标为5P,6片则为6P。采用5P或6P镜头的机型往往会被厂商拿来当宣传噱头。理论上由于不同的厂商、不同的产品采用的技术是不同的,因此不能单纯以镜片数和镜头组来判断镜头的素质。

除了镜片数之外,镜片的材质也很重要,镜片通常分为玻璃与塑料两类,玻璃的透光率更佳、光学性能更好,成像质量上有更大优势。但玻璃透镜的成本较高,可塑形能力也没有塑料强,因此除中高端机型或一些以拍照为主打功能的手机外,不少手机采用了成本相对低廉的塑料镜片组。


而商家在宣传中的的蓝宝石、大猩猩玻璃镜头,大多数上只是镜头的“保护玻璃”,表层材质的硬度只决定了镜头抗磨损能力,对画质并没有提升作用。比如iPhone 6采用的蓝宝石镜头,实际上只有最外层的保护玻璃为蓝宝石材质。

 

软件算法的重要性

除了硬件上这些影响外,厂商对相机的的优化,也就是相机的算法,对于成像质量来说也是非常重要的。索尼作为目前最重要的手机摄像头生产商,为多家手机制造商提供摄像头,被广泛的应用于包括苹果、三星、华为、小米等诸多厂商,但采用同一型号摄像头的不同机型在成像效果却有很大差异,这便是厂商在相机优化和算法的“软实力”的差距造成的。以上图为例,iPhone在色彩和白平衡的准确度上的进步有目共睹。我们可以看到iPhone早期机型上色彩明显偏暖色,在4S之后,色彩偏向于真实。下面我们以国外媒体的iPhone历代拍摄效果为例解读一下算法的差异。

 

首先,4在白平衡出现了问题,并没有切换到肖像风格上,色彩比较诡异,但这也同时说明了一个问题——白平衡对于一张照片的重要性。即使一台手机配备了再好的摄像头组件,但你的软件算法上出现问题不能准确的判断白平衡,那么再高的像素也只能拍出这样诡异的紫色皮肤。排除4代的样张外,我们可以看到现在iPhone相比早期机型,整体色调更加偏暖,肤色也更加偏红。与此同时亮度优化也不断进步,背景越来越明亮,对比度也有一定提升。

 

在夕阳的对比中,我们可以看到图像的质量有着明显的改善,在早期机型拍摄的样张中,我们深圳看不到夕阳的痕迹。以4S为分界线,之后的机型在水面的亮度上有着明显的提升,3GS和4的水面亮度偏低,损失了很多细节。在像素不变的前提下,6相比5S在细节上也有一定的提升,这便是算法上带来的提升。


在较弱光条件下,5S和6相比前几代机型有了明显的进步,画面亮度较前几代机型提升明显。3GS、4、4S在白平衡上明显有些偏差,画面明显偏黄,这方面5S和6已经非常准确。除此之外,在放大的样张中,iPhone6的表现非常出色,控噪水平相比5S有了不小的提升,这也正得益于苹果日益精湛的算法。

 好了,我们今天的科普到这里就结束了,看到这里,大家是不是对影响手机拍摄效果的因素有了一个清晰的了解。高像素不一定能带来高画质,算法也不能弥补一切,只有软硬皆施,在像素、传感器、镜头、后期算法上没有短板面面俱到,才能真正做出一台完美的相机,这也正是三星和苹果在拍照上长期保有优势的原因。


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