盘点当前手机拍照中的“黑科技”

近年来,手机的性能得到了大幅的提升,性能已经不再是人们选购手机的唯一考虑因素,手机的可玩性成为人们不断关注的一个点。而在手机的可玩性中,拍照担当着一个相当重要的角色。同时,性能、外观逐步趋同的大趋势下,手机厂商们也不约而同地举起了拍照的大旗,企图在拍照做差异化,以此来进入消费者的心智。一时之间,各种各样的“黑科技”层出不穷,Dual PD对焦、960帧慢动作视频拍摄、DSP独立图形芯片……一大堆营销词汇令人眼花缭乱,有时甚至不知所云。今天的超能课堂就和大家一起盘点手机厂商口中的拍照“黑科技”,看懂他们在说什么。

盘点当前手机拍照中的“黑科技”

1.对焦中的王者:全像素双核对焦

全像素双核对焦(Dual Pixel AF)是两年来手机拍照中最备受关注的一个“黑科技”,相对于传统的对焦方式等,全像素双核对焦可以提供更加快速、更加精准的合焦效果。这种技术最先出现在单反相机上,而后随着索尼IMX260/362、三星ISOCell 2L7/2L9等的相继问世而逐渐被手机厂商广泛应用。那么,这位对焦技术中的“王者”是如何上位的呢?

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首先,例行介绍一下的原理:全像素双核对焦技术是给传感器中的每一个像素都配置了2个光电二极管,每个光电二极管独立接收光线。因此,采用全像素双核对焦技术的传感器在对焦时可以获得2个图像信号(A像和B像),然后通过比较A像和B像的视差信号计算出镜头的驱动量和驱动方向,拍摄时再将2个信号拼合成1个图像信号进行输出。这样,相机就能在不影响画质的情况下,同时实现自动对焦和图像捕捉功能。

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全像素双核对焦传感器工作示意图

全像素双核对焦传感器最大的特点就是所有的像素都能参与对焦,一个像素还能分割成两个像素使用,也就是一个1200万像素的传感器可以输出2400万像素的图片。于是乎,深谙消费者心理的手机厂商给这种技术带来了更多的玩法。

蓝厂的旗舰手机X20搭载的传感器便使用了全像素双核对焦技术。利用其分割成两个像素使用的技术原理,蓝厂创造性地提出了“2*1200万像素,2400万感光单元”的营销口号,最高支持2400万像素的图片输出。

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“2*1200万像素,2400万感光单元”

然而,值得注意的是,这种分割像素的讨巧做法会对相机的成像产生一定的负面影响。前文中提到的X20手机使用的是三星ISOCELL Fast 2L9图像传感器,单位像素面积1.28μm,单纯从字面上理解,分割后每个像素的单位面积应该是0.64μm,但实际上却远达不到这个数值。因为一旦涉及到两个像素,就必须考虑像素之间的隔离问题,以避免像素之间互相产生影响。受此影响,每个小像素的光电转换能力会下降30%左右。而单位像素面积缩小最直接的体现就在于成像图片的动态范围,使像素一分为二会对使得照片的动态范围大幅下降。

蓝厂一个像素分割当两个用的做法显然有些讨巧,而国内另外一家手机厂商努比亚的做法却值得称道——为手机摄影带入了多点对焦技术。努比亚这一做法正是利用了全像素双核对焦传感器每个像素都能参与对焦的特点,可以使得焦点覆盖范围更大、完成对焦更快、对焦更精准。

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努比亚的多点对焦技术

2.高达960帧慢动作视频拍摄是怎么实现的?

慢动作视频拍摄已经成为手机摄影功能中可玩性和趣味性较高的一个功能,已经成为一部分消费者十分重视的功能。而纵观市面上的支持慢动作视频拍摄的手机,240fps已经是大部分手机的极限,仅有索尼一家做到了“前无古人,后无来者”的960fps,四倍于大其他大部分手机,可谓是一个踏踏实实的“黑科技”。不懂“960fps”是什么意思?我们来举个例子,若以960fps的帧率进行录影,用30fps的帧率输出视频,那么进行简单的数学运算“960fps/30fps=32x”,也就是手机具备32倍的慢动作录影能力。那么,索尼是如何实现960fps慢动作视频的拍摄的呢?

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众所周知,索尼是目前手机图像传感器领域绝对的领军企业,大多数旗舰手机都会使用其图像传感器。作为一家图像传感器大厂,自家使用的自然也不能太过寒碜,960fps慢动作摄影这一“黑科技”正是源于其技艺惊人的IMX400图像传感器。索尼IMX400图像传感器有效像素达到了2120万,单位像素面积为1.22μm,支持最大帧率1000fps的1080P慢动作视频拍摄。那么,IMX400是如何实现1000fps慢动作视频拍摄的呢?

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传统2层堆叠式传感器与3层堆叠式传感器对比

如上图所示,与传统2层堆叠式传感器相比,IMX400采用了新的3层堆叠式结构,在成像区域(Pixel Section)与处理回路(Circuit Section)中间加入了DRAM存储器,使感光元件有了自己的缓存区。据悉,该DRAM层容量达到了1G bit,这个DRAM存储器可以单独处理录制进来的影响数据,从而可以在短时间内处理大量的资料,实现高达1000fps慢动作视频的拍摄。简而言之,就是给感光元件加上存储器,让其可以自主完成部分影像资料本地处理。

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配备DRAM的3层堆叠式影像传感器的截面图

DRAM存储器的加入不仅仅带来了1000fps慢动作视频拍摄能力,还给普通拍照成像带来了优势。得益于高速的数据处理能力,IMX400可以在1/120秒内读取一个1930万像素的静止图像,比传统产品快4倍,同时还可缩减读取每行像素的延时。也就是说,以前要1/30秒快门拍摄的照片,用新的传感器只需1/120秒就能拍摄到。更快的快门速度可以减少拍摄物体的失真,拍摄运动物体时也可以减少残影或形变,是一个非常不错的技术演进方向。

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1/30″快门与 1/120″快门对比

然而, 配备DRAM的3层堆叠式 影像传感器也不可避免地存在着一些问题。首先是功耗问题,虽然索尼宣称使用了低功耗的DRAM存储器,但其功耗水平仍然不低,尤其是对于智能手机这种整体续航水平一般的产品来说;其次是成本问题,由于DRAM的加入,无论从物料成本,还是工艺成本来说,这颗sensor都是要高于其他产品的。因此,除了略有冒险精神的索尼已经上马了这颗传感器外,其他手机厂商暂时都还不敢贸然使用。

3.成像素质不够,加个外挂来凑

受制于手机体积和传感器面积,短时间内依靠传感器发展提升成像质量的想法似乎不大靠谱。自身发展短时间内难以突破,于是就有从业者提出了给手机相机加上图像处理芯片“外挂”的想法。而后不久,搭载图像处理芯片“外挂”的手机很快就问世了。

在DXOMark手机拍照排行榜中,Google的亲儿子Pixel 2以98分的成绩独占鳌头,令人不禁对这部仅配备了单摄的手机肃然起敬。而Google的工程师透露,Pixel 2系列内置了Pixel Visual Core图形处理芯片,其计划于之后Android 8.1固件中激活这一芯片。

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根据Google方面的说法,Pixel Visual Core的核心是Google设计的图像处理单元(IPU)。通过八个Google设计的定制内核,每个内核具有512个算术逻辑单元(ALU),IPU每秒可以提供超过3万亿次的运算性能。使用这一芯片,HDR+的成像速度可以快上5倍,而功耗却仅为原来的十分之一。

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Pixel Visual Core开启(右)与否(左)对比

另外值得一提的是,Google的这颗图像处理单元(IPU)是完全可编程的,这也就意味着这颗IPU不仅仅可以用于Google的HDR+图像算法,还可以用于其他应用程序,具备相当不错的延展性。

除了Pixel 2外,华为刚发布的Mate 10系列也为手机拍照成像配备了外挂NPU——来自人工智能独角兽寒武纪的1A处理器。 与Google将IPU用于HDR+算法不同,华为对于NPU的定位似乎并没有那么专注在图像领域,华为的做法是在拍照时利用NPU残暴的图片识别能力智能识别场景,然后通过预先设定好的特殊算法调整参数。有这种基于大数据识别场景想法的,华为并不是唯一一家,努比亚在其新旗舰Z17S上也有这个功能。不用NPU也能实现图像识别功能,那么,采用NPU的优势在于哪里呢?由于NPU是可以独立于CPU、GPU工作的,因而NPU的优势就在于可以以更快的速度、更低的功耗完成这一识别动作。

盘点当前手机拍照中的“黑科技”

与上面两家将外观封装进CPU的高大上做法不同,vivo等手机厂商的外挂手法就显得有些粗暴了,直接外挂了DSP图形处理芯片。vivo将这颗拥有256MB RAM的独立影像优化芯片称为“vivo图像魔方”,可以使手机处理图片的速度大幅提升,在逆光时可以瞬间获取多张不同光线的画面,以复杂的算法瞬间成像,达到了更加理想的逆光拍照效果。

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相对于传感器自身的发展,给手机拍照增加图像处理芯片外挂的方法可以以更快更直接的方式提升手机的成像素质,也是手机拍照发展的一个相当不错的方向。而从目前市面上搭载了图像芯片外挂的手机来看,DSP芯片的延展性相对较差,仅能用于图像优化;而IPU/NPU这种所谓的人工智能芯片的延展性显然就要好上不少,不仅可以用来优化成像效果,还有更大的想象空间。

除了在手机影像质量和摄制能力努力外,手机厂商们近年来还不断尝试从不同的方向提升手机拍照的可玩性和趣味性,比如,华为与徕卡合作,主推徕卡镜头;HMD经营下的诺基亚与蔡司重修旧好,搭载蔡司镜头;各家对双摄的引入和发展……而在这些蓬勃发展的新技术中,双摄的发展最令人瞩目,已经发展出“黑白彩色双摄”、“广角长焦双摄”、“广角超广角双摄”等多个流派。

几年来,智能手机整体拍照体验的提升有目共睹,这其中既有手机厂商们的努力,更有消费者们的诉求驱动。而从相机设备发展的角度来看,手机拍照的飞速进步已经让其有足以媲美甚至超越曾经居家旅行必备的卡片相机(非单反、非微单的小型数码相机)。展望未来,手机拍照是否能够超越微单/单反相机?从目前的情况来看,可能性不大,毕竟微单/单反相机上的传感器面积不是手机相机所能比拟的。

然而,就像某手机厂商的广告语一样:“当蒸汽机出现,谁能想到转动的齿轮推动了时代的巨轮?”科技的发展日新月异,“摩尔定律”仍然适用于不少行业,手机相机的发展也不会止步。况且,又有谁能否定简易化、轻便化是相机发展的一个方向呢?因此,未来手机相机达到甚至超越目前微单/单反相机成像水平也不是不可能的。

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[责任编辑:wydanli]

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