从变焦镜头到“超级变焦镜头”，华为P40创造了什么黑科技？

2020-08-14 09:04

作为一款今年推出的旗舰级手机，华为P40系列拥有一些让人眼前一亮的黑科技，例如四曲面屏、全像素八核对焦等等，由此引发的热议也一直延续到了现在。

在这些黑科技当中，最能吸引小黑注意力的莫过于“超级变焦镜头”了。作为华为P40系列的主打功能之一，华为的超级变焦技术分别在P40、P40 Pro和P40Pro＋上实现了实现了3倍／5倍／10倍的光学变焦，和30倍／50倍／100倍的数字变焦，极大地提升了手机的拍照效果。

那么，华为P40系列究竟是如何在手机内部狭窄的空间里，实现超级变焦的呢？

什么是变焦，什么又是变焦镜头？

要解释华为的超级变焦技术，小黑觉得，大概只能从焦距和变焦的原理开始说起了。因为按照常理，在如此轻薄的手机上实现最高10倍的光学变焦，实在是一件无法想象的事情。

光学变焦，主要是依靠光学镜头的结构来实现的。

大家都知道，人的眼睛看到的并不是物体本身，而是物体反射出来的光。相机镜头就是利用了透镜或者反射镜的折射、反射可以等比放大光线的原理，将被摄物体按照倍率放大，从而让远处难以看清的物体变得清晰可见。

说到这个原理，大家或许已经联想到战争片里那些将军们胸前挂着的望远镜了。

没错，相机镜头的实现原理，和我们常见的望远镜几乎是一样的，甚至我们的相机镜头都可以找到光学望远镜认祖归宗。

摄影历史小课堂：

四个世纪之前的1608年，荷兰的一个眼睛商汉斯？利普希（Hans Lipperhey）将一块凸透镜和一块凹透镜对准后，观察透过来的光线，发现这么组合可以将远处的物体放大。于是，望远镜就这样被发明出来了。

到了19世纪中叶，英国工程师彼得？巴洛（Peter Barlow）提出了“变焦望远镜”的构想，使望远镜能够以任意的比例改变其放大倍数。基于“变焦望远镜”的基本原理，变焦镜头也在不久之后登上了历史舞台，其基本设计也一直沿用至今。

知道了相机镜头的放大原理，下一个问题就呼之欲出了：什么是变焦，而变焦又是如何实现的呢？

从大家的拍照经验来推理，变焦就是改变取景时的放大倍数。但如果要真正地理解变焦，我们还是得先从焦距开始说起。

简单地说，焦距就是从透镜中心到光聚焦的焦点的距离，在摄影当中，则特指从镜片的光学中心到成像平面（如底片）的距离。而变焦的原理，就是通过改变焦距，或者通俗地说，就是改变镜头中镜片的相对位置，来改变被摄物体在成像平面上所形成的影像大小，最终改变照片的放大倍数。

一般而言，变焦倍数越大的镜头，因为需要更大的焦距，镜头的尺寸和重量也就越大。以索尼某款10倍变焦的镜头为例，它一共有12组17片镜片，重量达到了780克，相当于3．5台华为P40 Pro＋的重量。

那么问题来了：手机制造商是怎么把如此复杂的光学镜头放进薄薄一支手机里的呢？

手机厂商的魔法：用定焦镜头实现变焦

刚才，小黑为大家介绍了变焦镜头的原理，大家也可以从上面的描述当中看出，真的要把变焦镜头放进厚度仅有几毫米的手机当中，根本是不可能的事情。那么，手机厂商们所说的“光学变焦”，究竟是怎么一回事呢？

恕小黑直言，这些号称的“光学变焦”，几乎都是宣传口径罢了。

诚然，手机的每一个镜头也有很多个镜片组成，但这些镜片都是被固定在一起的，也就是说，我们不能通过移动它们的方式来改变焦距。用一个比较专门的词汇来描述的话，它们全部都是定焦镜头。

不过，定焦镜头也有它的优点，如图像更清晰、畸变较小、结构简单等，在专业摄影中有着很大的实用空间，但并不适合手机拍照的常见场景。

针对这个问题，手机厂商们给出的方案是：多镜头混合变焦。

所谓的多镜头混合变焦，其实就是当用户改变焦距到多镜头中某一个镜头的焦距时，使用光学变焦输出照片，而在其他焦距时，则会用数码变焦来实现效果。

▲ 混合变焦技术示意

经常用手机拍照片的用户应该会有这样的经验：使用默认焦距时拍摄的照片，和稍微放大画面后拍摄的照片，成像效果都有很大的区别，其实，就是这个原因。

当然，光学变焦和数码变焦之间的切换，手机厂商们已经依靠算法消除了卡顿，让用户几乎感受不到切换操作的存在。

数码变焦，仅仅是把图片放大裁切吗？

单从理论上来讲，目前主流的数码变焦技术，其原理倒真的是把图片的尺寸放大、裁切。但事实上，要得到让人满意的照片清晰度，仅仅放大、裁切远远不够。

看过小黑之前那篇《一亿像素和大底大像素传感器，手机拍照到底挑哪个？》的小伙伴们应该都还记得，有一样神奇的事物，叫作算法。

用好算法，可以把16个像素合成一个大像素，然后再拆成16个像素，也可以把凤姐变成范冰冰，当然，让小黑变成吴彦祖就更简单了。

咳咳，好像有点离题了。不过数码变焦技术本身其实就是一种算法，常见方案是通过相机内的处理器，增大原画面两个像素之间的距离，然后再根据对已有像素周边的色彩进行判断，把传感器上的一部份像素使用“插值”算法放大到整个画面。

不过，通过这种技术被放大的图片画质可以说让人无法直视，因为对图片进行的“裁切”本身就是有损的，即使利用算法改善成像质量，也无法真正弥补这种损耗。

因此，手机厂商开发出了全新的“超采样技术”。虽然名字起得很高大上，但基本原理还是和数码变焦离不开关系，甚至网上有人给它起了一个非常传神的外号：“缩图”。

得益于手机的图像传感器越来越高的像素，超采样技术可以直接在图像传感器上进行“裁切”，即仅对传感器的某一个区域进行采样，从而实现较高品质的数码变焦。

以该技术的鼻祖，我们的老朋友诺基亚于2012年推出的诺基亚808 PureView为例，这款手机拥有一块4100万像素的图像传感器，不过，在3倍变焦时它输出的照片“只有”500万像素。

看起来很不能打是不是？其实，它在3倍变焦时输出的照片，是从4100万像素压缩到500万像素的。通过这种技术压缩输出的照片像素密度更高，带来的效果就是清晰度的提高，以及在弱光环境下噪点的减少。这也就是为何它敢在8年前就宣称实现了“3倍无损变焦”的原因了。

10倍光学变焦、100倍数码变焦华为用了什么黑科技？

在说完光学变焦和数码变焦的原理之后，接下来，就该说一说华为P40系列，特别是P40 Pro＋令人惊叹的超级变焦镜头了。

这颗超级变焦镜头最核心的黑科技，就是从华为P30 Pro开始采用的潜望式摄像头。

潜望式摄像头这一名称，和它的原理，正是来源于潜望镜。它利用两面及以上的反光镜，使光的传播路线发生折叠，从而达到增加光程（即光传播的距离）的效果，最终让手机摄像头真正拥有了光学变焦的能力。

而在华为P40系列中，这一技术又得到了升级。根据小黑得到的资料，华为P40 Pro＋的潜望式摄像头模组采用了“多反射潜望式光路折叠技术”，采用了多达5次的光路反射，将传感器的拍摄焦距进一步延伸——这还是在没有增加多少模组厚度的前提下。

潜望式摄像头的原理看起来并不复杂，但在实际实现时却面临诸多阻碍。和潜望镜不同的是，潜望式摄像头需要在非常狭小的空间里多次折叠光路，不仅对反射镜面的材质有更高的要求，也对组装技术提出了近乎苛刻的要求。按照相机团队的原话来说，变形控制要达到“头发丝的两千分之一”。

除了在硬件上下的苦工，为了实现变焦镜头的“超级”，华为在软件上也有诸多创新，例如同样是在华为P30 Pro上首先登场的“视场融合”系统。这套系统的作用是将光学变焦和由算法驱动的数字变焦相结合，让手机可以智能地根据所选放大系数切换摄像头：

3倍以下的变焦距离内，手机通过超分辨率算法来实现所有变焦；3到5倍之间的变焦拍摄，手机通过合并主摄像头和远摄摄像头的图像数据来产生图像。5倍变焦系数时，该摄像头完全仰赖远摄镜头来实现变焦；而对于10倍变焦的最大倍数，摄像头则通过光学变焦和超分辨率的组合，以Raw格式在远摄图像上叠加四个帧来实现。

也正是基于这样的多镜头协作，华为P30 Pro突破了传统变焦镜头的焦段，实现了5倍光学变焦、10倍混合变焦、以及50倍数码变焦，可以说变焦效果非常惊人。

实拍样张大对比，超级变焦镜头到底多强大？

当然，这些突破性的黑科技融合在一起，究竟能有什么样的变焦效果，还是得亲自体验之后，才能有客观的判断，所以小黑用手上的华为P40（最高支持10倍光学变焦及30倍数码变焦）拍摄了一些样张，并且附上了小米10和iPhone X的几张样张以供对比。

在5倍变焦下，两边的清晰度相差不多，成像效果可以让人接受。华为P40的色彩明显更艳丽，个中缘由小黑在之前的文章中提到过，还是算法的功劳啊。

看到这两张照片的对比，小黑不禁想到了一句话：没有对比就没有伤害。

在10倍变焦下，我们明显可以看出华为P40的光学变焦在成像效果上的优势：虽然这时的样张已经略有模糊，但相比小米10明显有更好的清晰度。当然，由于这两款手机的样张不是同一天拍摄的，因此阴影、亮度的不同都可以忽略，小黑只是为了展示华为P40的光学变焦功力。

由于小米10最高只能支持10倍变焦，那么20倍和30倍变焦我们就不做对比了，只看看华为P40的这两档变焦会有什么样的效果吧。

在30倍变焦时，手持拍摄的照片就已经有相当严重的抖动，并且越长焦，抖动越严重。因此小黑建议，在高倍变焦时，还是尽量用三脚架固定住手机比较好。

其实，从上面的样片当中可以看出，华为P40拍摄的照片在5倍变焦时，拍摄的照片还是可以令人满意的。不仅图像有着不错的清晰度，也有着不错的细节表达。不过，当放大倍率达到10倍及以上时，我们还是可以明显地发现，画面开始变得模糊，也丢失了一些细节。从实际的拍摄体验来看，小黑还是不太建议大家用10倍以上的倍率进行拍摄，一则拍摄条件要求过高，二则成像效果也不尽如人意。何况在手机使用中，也没有什么人真的会用到30倍乃至100倍的变焦吧。