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手机摄像头为什么越来越多了

2020-12-25 13:40
BOO聊通信
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这个十一假期是国内疫情缓和后第一个长假,随着国内疫情防控形势的缓解,各地对于跨市跨省出行的管控不那么严了,相信憋坏了的各位很多都出去溜达了。

在今年的出行中,我很明显的能感觉到景区里游客们使用单反、微单或者卡片机拍照的越来越少,而使用手机拍照的人越来越多。原因很简单,手机拍照性能越来越强,甚至一定程度达到专业相机的水准,因此再多带一部相机出行就没那么必要了。

而手机之所以能在拍照能力上显著提升,其中最为关键的原因之一就是——手机的摄像头越来越多了。

比如iphone11的三摄。

现在旗舰机标配的四摄(下图以三星Galaxy A9s为例)。

华为P40 pro+的五摄。

三星申请专利的六摄。

以及LG申请专利的丧心病狂的16摄。。。

再这么发展下去,相信随着智能手机市场竞争愈发激烈,手机厂商们会把越来越多的摄像头塞到手机上去,总有那么一天,手机摔下去不是怕屏幕碎了,而是怕把手机背面的一面摄像头磕碎了。

对于手机厂商来说,使用越多的摄像头,成本无疑会更高,那么手机厂商们这么做图啥?

01 增加手机摄像头焦段

大家拍远处物体经常会使用变焦的功能。所谓变焦,就是提升手机镜头的焦距,以实现远处物体在画面中拉近放大。

但是,以往手机的变焦,普遍是数码变焦,所谓数码变焦,就是其实远处物体并没有真实的被拉近,而是手机将图片中的一部分截取出来放大,以实现变焦的效果,后果就是图片的清晰度下降。

而对于单反相机来说,当你调整镜头焦距时,则实现的是光学变焦。在光学变焦下,远处物体通过单反镜头的光学调整,真真实实的放大呈现在屏幕上了,放大后的图像没有任何的分辨率损失。

光学变焦与数码变焦下图像清晰度的差别对比

那为啥单反相机就可以通过一个镜头实现光学变焦而手机就不行呢?

因为单反相机一般来说是长这样的:

相机之所以需要这么大的镜头,是因为镜头内部其实是一组镜片的组合,剖开看是这样的:

而就是这些镜片在镜头内的各种挪动(当你用手调节变焦环时),才最终实现了图像无损的光学变焦功能,单个镜片是无法做到的。

所以假如你能接受把这么大一个镜头怼在手机上,那么手机也同样可以实现单反相机一样的光学变焦能力,比如这样:

但事实上没人能接受平时揣在裤兜里的手机这么笨重。

于是乎,手机厂商为了提升手机的光学变焦能力,就通过为手机添加多个不同焦段的摄像头这种比较“蠢”的方式,来实现手机能在多个光学焦距下拍照的能力。

比如华为的mate30,其3个摄像头分别对应3个定焦焦距,通过算法实现在3个不同定焦焦距(下图中的xxmm就是镜头焦距的单位)下的光学变焦,这样就不会出现数码变焦造成的分辨率损失问题了,于是乎手机可以在薄薄的机身上实现单反相机才能实现的光学变焦功能。

02 实现更好的虚化效果

单反相机与手机相比,除了镜头大之外,机身也很大,这么大的机身主要作用之一就是要放的下尺寸较大的图像传感器。

不像几十年前使用的胶卷相机,当下所有数码相机,无论是单反、卡片机还是手机/家用摄像头/行车记录仪,都要通过一个叫做图像传感器(感光传感器)的高端元器件将镜头投射进来的光信号最终转化成数字图像上的每一个像素。

虽然现在很多手机厂商总是过于突出展示自家产品拍出的照片分辨率有多高,但其实,真正对照片画质影响最大的是图像传感器的尺寸。而之所以单反相机、微单相机、卡片机之间价格相差这么大,假如不考虑镜头的差别,其实主要就在于图像传感器尺寸的大小区别。目前市面上最贵的单反或者微单相机,一般都是全画幅的,也就是下图中灰色的那个。

N年前的市面最高端手机iphone 4s,则使用的是图中最小红色尺寸的图像传感器。而目前市面上最高端的手机,比如华为的mate30,使用则是1/1.7英寸的图像传感器(上图绿色)。

越大的图像传感器除了可以拍摄出更清晰真实的图像外,还有一个很重要的功能,就是可以实现更好的图像虚化效果,下图展示的就是不同图像传感器尺寸相机拍摄的同一对象虚化效果的差别:很明显左侧大尺寸图像传感器的单反相机拍摄的照片,背景虚化效果更好,被拍摄人物更突显,照片更好看。

因此,在手机尺寸目前已经不太可能再变大的前提下,手机使用图像传感器尺寸不太可能再有多大的提升空间,因此如果想实现单反相机类似的背景虚化效果,就需要靠算法了。简单来说,就是让手机判断出图象中哪儿是被拍摄物体,哪儿是无关紧要的背景,进而把背景虚掉,让主体清晰。

这时候景深镜头就要出马了。目前主流手机景深镜头多为ToF镜头,ToF,全名叫做Time-of-Flight,粗暴翻译就是飞行的时间。谁的飞行时间?红外线的飞行时间。

ToF镜头会向前方发射红外线,并计算投射到不同点位的红外线反射回来的时间,根据时间差,就可以得知不同点位到手机镜头的距离,进而识别出被拍摄画面不同平面的深度,也就是景深。

这样,手机就知道谁和被拍摄主体(就是对焦的部位)在一个平面、谁和被拍摄主体不在一个平面(前景或者背景),就可以实现仅仅清晰展示被拍摄主体、虚化掉其他景深物体的效果了。

原理倒是不复杂,其实就是传感器尺寸不够,ToF算法来凑,所以手机拍出的虚化照片或多或少会存在由于景深判断不准造成的拍摄物体边缘模糊的现象。

03 提升图像画质

除了以上两个主要多摄功能,手机摄像头还有比较高端的玩法,归根结底就是进一步提升手机拍摄图片的清晰度、真实度、还原度,比如纯黑白镜头。顾名思义,这是一颗只能识别亮度,不能识别色彩的镜头,其更能识别出画面的细节,必须与彩色镜头结合才能生成更清晰的彩色照片。

04 手机需要这么多摄像头吗?

很多用户会说,手机多摄像头就是手机厂商间恶性竞争下的强行增加卖点之举,但其实我倒是认为手机的多摄更多是无奈之举。就像一旦你接受了1080P、4K、8K的视频清晰度后,再返回来看480P的视频就会觉分辨率辣眼睛一样,一旦你已经接受了手机拍照应该不输于相机的设定后,就很难再走回头路,于是乎,手机厂商们为了满足消费者更高的欲望,只能在当前摄像头技术、图像传感器技术并无变革的情况下,采用这么一种看似扯淡、实则合理的方式来实现手机摄像技术向其极限的一步步迈进。

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