iPhone這十年在感測器上的演進

作者：桑文鋒，神策數據創始人兼 CEO，前百度大數據部技術經理

最近一段時間我把蘋果這十年的 iPhone 發布會都看了一遍，目的只有一個，就是研究 iPhone 在感測器使用上的演進。所謂感測器（Sensor），就是能夠感知周圍環境並輸出電信號的元器件。像麥克風，就是一個能夠感知周圍聲音的感測器，而攝像頭就是視覺感測器。人通過耳朵、眼睛、皮膚、鼻子等感知周圍的刺激，進而做出決策，智能設備同樣如此。我認為 iPhone 之所以強大，除了具有強大的計算能力和 iOS 操作系統，很重要的一點就是採用了各種先進的感測器，採集周邊的數據。接下來我就按時間順序講解 iPhone 上所採用的感測器，帶你領略蘋果的黑科技。

一、iPhone 2G（2007）

• 多點觸控屏幕

2007 年初，蘋果對外發布了它們的新產品 iPhone，在這之前，iPod 已經非常普及，許多人都在設想蘋果的手機會是什麼樣子，有人將 iPod 的觸控滾輪 PS 為老式電話的撥號盤，等 iPhone 真正展現到大家眼前時，還是驚呆了。這款手機竟然沒有實體按鍵！當然，沒有實體按鍵的智能手機之前也有，但需要配置一隻筆，因為採用的是電阻屏幕，靈敏度是個問題。iPhone 的屏幕採用了電容屏幕，反應靈敏，並且支持多點觸控，通過十個手指就可以很精準的操作。就連產品發布後，許多人還在懷疑打字的時候會不會太痛苦，你現在低頭看看自己的手機，就知道現在已經不是個問題了。多點觸控屏幕，讓 iPhone 有了觸覺。

• 近距離感測器（Proximity sensor）

在 iPhone 的正面，有一個近距離感測器，通過紅外線感應，可以檢測到人臉與手機屏幕的距離，如果非常貼近，就會將屏幕關掉，這樣既能省電，又能避免臉部觸碰產生的誤操作。

• 光度感測器（Ambient light sensor）

在正面還有個光度感測器，可以獲取到周邊的光亮強度，這樣就可以智能的調節屏幕亮度了。

• 加速度感測器（Accelerometer）

加速度感測器用來感知手機的運動情況，它的原理就像在一個盒子里裝個鐵球，由於重力的作用，如果轉動盒子的方向，各個側面收到的鐵球的壓力是不同的，以此來判斷盒子的朝向。基於加速度感測器，iPhone 可以實現橫屏時，內容自動轉成寬屏顯示。近距離感測器、光度感測器再加上加速度感測器，一下子讓 iPhone 的智能化水平遠遠超出了當時的半吊子智能手機，更別提功能機了。

• 200萬像素攝像頭

iPhone 一代配備了 200 萬像素的攝像頭，這並不高，我 2007 年買的諾基亞 7500 也是 200 萬像素。但拍照效果，並不是只有像素所決定的。每個像素就像一個坑，每個坑裡能夠吸收到光線情況是有差異的（我在 iPhone 5S 部分會更詳細講解）。再加上蘋果的高清屏幕，拍出來的照片，就是更加好看。

• 麥克風

有了麥克風，就可以聽到聲音了，iPhone 有了耳朵。

• 濕度感測器（Moisture Sensor，並不是真正的感測器）

每代 iPhone 都有濕度感測器，主要是監測 iPhone 是否浸水。它只是濕度試紙，如果浸水，就會變紅色，蘋果店會拒絕維修。經網友指正，這東西叫浸液指示器，隱藏在充電口、耳機口、卡槽等位置，並不是標準的感測器，但能起到感知環境的作用。

• 2G / Wi-Fi / 藍牙（BlueTooth）

iPhone 一代只支持 2G 信號，像手機信號就是電磁波。其實我們看到的光也是電磁波，聽到這句話可能文科生已經暈了，有興趣可以重學一下高中物理，我中文系畢業的媳婦年初的時候就在網上買了一套高中物理教材。不同的信號，需要不同的接收器進行解碼操作。2G 信號接收器，就是一個可以感知 2G 電磁波的「眼睛」。有了 Wi-Fi 感測器，就可以連接 Wi-Fi 了，沒錯，Wi-Fi 信號也是電磁波。藍牙也是接收某一頻段電磁波的感測器。

許多專業人士或網友並不同意將這些信號接收設備歸為感測器，它們只是信號接收裝置，並沒有一個把一種物理量轉變為光電量的過程。而我認為正是有了這些裝置，才讓手機能夠「感知」到這些信號。像人體雖然籠罩在各種無線信號之下，但卻不能感知。我這種歸類方法大家不要當成專業劃分，權當促進思考的手段吧。

二、iPhone 3G（2008）

• 3G

在 iPhone 二代，增加了對 3G 信號的支持，在上網速度上，有了比較大的飛躍。

• GPS

有了 GPS 感測器，可以通過衛星信號，定位手機的當前位置。同樣，專業人士不認為 GPS 是感測器。

三、iPhone 3GS（2009）

• 300 萬像素攝像頭

iPhone 三代把攝像頭升級到了 300 萬像素，並且增加了視頻錄製功能。

• 磁力感測器（Compass）

有了 GPS，雖然能夠定位，但是無法辨別方向。只有你拿著手機朝一個方向走上 20 米，才能通過位移估算你的方向，但這還是不夠精準。在衛星信號不好的地方，定位的偏差可能都有幾百米，這種估算的方向完全不可信。有了磁力感測器就不一樣了，就是手機有了指南針，打開地圖，我們不只是知道當前位置，還會知道我們當前的手機朝向，再也不用看著太陽辨別方向了（這種古老的技術，我發現周圍許多人都無法掌握）。

四、iPhone 4（2010）

• 陀螺儀（Gyroscope）

你應該打過陀螺，也見過獨輪電動平衡車，這兩種東西都利用了一種物理原理。就是轉動的物體，會沿著軸心方向保持穩定。轉動的陀螺即使被碰一下，還是會晃動幾下回到穩定朝下。而陀螺儀還有個特性就是可以通過轉動位移，來計算出轉動加速度。

雖然在 iPhone 一代中通過加速度感測器可以感知到手機的傾斜，但無法很好的計算手機的旋轉，特別在玩一些賽車遊戲的時候，你無法實現手機晃動靈敏的控制方向盤。有了陀螺儀就不一樣了，喬布斯在現場演示了一個拆積木的遊戲，通過手機旋轉，可以從不同的角度去拆積木。喬布斯還在最後把這五種智能的感測器都放在一起，可見他對感測器是情有獨鍾。

這裡要補充的是 iPhone 手機用的陀螺儀並不是這種旋轉輪子式的機械陀螺，而是一種微機電結構（MEMS）的，通過轉動時的電容變化量來測定角速度，再配合加速度計感測器，來計算姿態。

（PS：本來我以為自行車的平衡也是用了陀螺儀的原理，後經網友指正不是，有興趣的了解的見：如何解釋自行車的平衡原理？ - 物理學）

• 內部溫度感測器（Internal Temperature Sensor）

iPhone 4 上還有個溫度感測器，並不是為了測外部溫度，主要是為了監測手機本身是否過熱。手機溫度過熱時，會提示關機一段再開機。

• 500 萬像素攝像頭

攝像頭升級到了 500 萬像素，拍照效果更好。這裡要說的是，iPhone 的閃光燈，會根據周圍的環境亮度，來決定閃光燈到底要多亮，而不是一視同仁，避免過爆的問題。

• 30 萬像素前置攝像頭

終於有了前置攝像頭，可以看到對方的臉了。

• 雙麥克風

在手機的頂部耳機插口旁邊，又增加了一個麥克風，這是幹嘛的？我後面會講。

iPhone 4 是喬布斯最後一次親自發布，之後一年去世。在科技與人文的交叉口，目前還沒有第二個人。羅永浩在 3 年前曾經嘗試過，但只能站在 UI 和 段子的交叉口。

五、iPhone 4S（2011）

• 藍牙 4.0（Bluetooth 4.0）

iPhone 4S 據說是最早支持藍牙 4.0 的手機之一。藍牙 4.0 相比之前的版本，功耗更低，默認開著藍牙也不用擔心費電，這主要為物聯網時代做鋪墊。

• 800 萬像素攝像頭

iPhone 4S 攝像頭升級到了 800 萬像素，並且支持 1080P 的視頻錄製。這次發布讓我印象比較深刻的是拍照響應速度，等待時間縮短。

六、iPhone 5（2012）

• 4G（LTE）

增加了 4G 信號接收器，上網速度和用 Wi-Fi 沒區別了。

• 120 萬像素前置攝像頭

iPhone 5 的前置攝像頭升級到了 120 萬像素。

• 三麥克風

我問了身邊好幾個朋友是否知道 iPhone 背面攝像頭和閃光燈之間的孔是幹嘛的？都沒有回答出來。事實上，那是一個麥克風。一般都知道在 Home 健下側的耳機孔旁邊，是個麥克風，打電話的時候需要用，為什麼要在閃光燈旁邊加個麥克風呢？答案是為了降噪。我們在打電話時，聲音會傳給耳機孔旁的麥克風，但周圍可能有噪音。這些噪音同時會傳到這兩個麥克風，那麼，我們將主麥克風接收到的聲音，再濾除掉閃光燈旁麥克風的聲音，就達到了降噪的目的，讓聲音更清晰。

One more thing，在正面耳機的聽筒里，也還隱藏這一個麥克風。也就是 iPhone 5 配有三個麥克風，它們組合在一起，一方面為了降噪，另一方面可以從多個角度接收語音，使聲音更加真實。

在幾個月前，我發現自己的 iPhone 6 Plus 在微信視頻時說話對方聽不到，幾周前發現插上耳機可以聽到。而平時打電話是正常的，說明我的麥克風是正常的啊，百思不得其解。幾天前 iOS 10 發布後，我進行了升級，並想嘗試一下新的 Siri，結果發現 Siri 並不能識別我說話。於是我在網上查資料，漸漸意識到 Siri 並不是通過 Home 鍵旁邊的麥克風接收語音的，而是用了聽筒內部的那個隱藏麥克風。我就去蘋果店進行了檢測，果真是隱藏麥克風壞了。坑爹的是這個麥克風是和屏幕一體的，如果要解決這個問題，就得花 1100 元更換屏幕，想想還是算了。

七、iPhone 5C/5S（2013）

• 指紋識別（Touch ID）

iPhone 5S 增加了指紋識別，解除屏保不用輸密碼了。指紋識別同樣是一個識別指紋的感測器。

• 協處理器 M7（Motion coprocessor，不是感測器，是專為感測器服務的處理器）

感測器越來越多，對 CPU 的資源佔用越來越大，耗電量也越來越大。於是蘋果推出了 M7 協處理器，把這些運動相關的感測器（包括加速度感測器、陀螺儀、磁力感測器）的數據採集與處理，都交由 M7 來完成，這樣降低耗電量，並且讓 CPU 可以專門做其他的事情。

M7 並不是感測器，只是蘋果設計出來專門為感測器信息處理服務的，我把它列出來，主要是為了強調蘋果在感測器周邊所花的心思。

• 更大單位像素的攝像頭

許多人有個誤區，就是覺得攝像頭的像素越多越好，比如會覺得 1200 萬像素的攝像頭要比 800 萬像素的更好。其實不是的，還要看每個像素能夠接受的光線強度，色彩豐富度。iPhone 5S 使用了更大面積的圖像感測器，但像素依舊是 800 萬像素，這樣每個像素對應的感測器寬度從 1.4 微米提升到了 1.5 微米，也就是面積增加了 15%，這樣單個像素的採光情況更好，進而提升的拍照質量。相反，有些手機的攝像頭有 1300 萬像素，但是可能只是 1.1 微米，這樣採光情況要差一些，拍出來的照片質量就大打折扣了。所以蘋果說「Bigger Pixels = Better Pictures」。

這一代還升級了閃光燈為雙閃光燈，一個暖光一個冷光，這樣再配合光度感測器（我目前尚不確定是否採用的正面聽筒旁邊的光度感測器，還是在主攝像頭或者閃光燈里還隱藏了一個），可以打出匹配環境的光亮，這樣拍出來的照片更為融合。閃光燈本身並不是感測器，配合光度感測器，發揮了更好的效果。

八、iPhone 6/6 Plus（2014）

• 近場通信（NFC）

在 iPhone 5S 上有了指紋識別，而 iPhone 6 上就增加了近場通信（也是電磁波），兩個疊加到一起，就成了 Apple Pay，從此刷卡變成了刷手機，輸入密碼變成了刷指紋。雖然這些技術以前都有，但是蘋果擅長就是把它們整合成優質的服務。我自己在星巴克用過幾次，遺憾的是我的信用卡還有密碼，刷了之後還得再輸密碼。。（據說現在已經不用輸密碼了，我改天去確認一下。）

• 氣壓計（Barometer）

有了氣壓計，就可以測量海拔了，還可以測量你爬了多少層樓梯。對我這樣的戶外愛好者來說，爬上某個山頭，就可以看看到底有多高了。可能有人會有一個疑惑，我們在初中課本里不是學過，空氣濕度對氣壓的影響嗎？會不會因為天氣不同，對測試的誤差影響很大？從我目前收集到的資料來看，這個影響很小，可以忽略。

• 六軸陀螺儀

iPhone 6 系列中的陀螺儀是六軸的，相比 iPhone 4 所使用的三軸陀螺儀多了三軸，主要是增加了三個軸的加速度計。按道理來說，就不需要再有專門的加速度感測器了，可以二合一了。可有人拆機後發現，還有專門的加速度感測器，這是為何呢？

答案是體驗和功耗。加速度的啟動需要一個時間，專門的加速度感測器只需要 3 ms，而六軸陀螺儀需要 30 ms。另外，同樣是測量加速度，六軸陀螺儀是加速度感測器的 3 倍電耗。於是蘋果在實現上，對於手機橫屏、計步這樣的應用，只調用加速度感測器，而對於靈敏度比較高的場景，再用六軸陀螺儀。蘋果在細節設計上，真是捨得下功夫。

• 更好的圖像感測器

iPhone 6/6 Plus 採用了新的圖像感測器，拍照效果更好。比如採用了一種叫做 Focus Pixels （相位檢測自動對焦）的技術，可以使對焦速度更快。具體技術細節我也不懂，據說早就在單反相機上成熟應用，手機上應用的還比較少。

iPhone 6 Plus 還增加了光學防抖，直接感受就是拍出來的照片在略微抖動的情況還會比較清晰。其基本原理是這樣的：人拍照時相機抖動的話，等於同一物體，投射到了不同圖像感測器的像素上。那麼通過陀螺儀，監測到抖動的加速度情況，進而計算出位移情況，將攝像頭向相反的方向移動，就實現了去除抖動帶來的影響。當然，為了實現這一點，iPhone 6 Plus 的攝像頭不只是能夠前後伸縮，還能夠上下左右移動。

九、iPhone 6S/6S Plus（2015）

• 壓力感測器（3D Touch）

iPhone 6S 增加了屏幕壓力感測器，能夠採集到按壓力度，這樣在交互上可以玩出新花樣來。屏幕能夠感知到手按壓的力度，但人並不會感受到屏幕真的被按壓下去了。為了給人以反饋，內部增加了一個叫 TAPTIC Engine 的設備，根據壓力，會產生振動，這樣人就能感受到按壓了。但目前來看，這一功能的應用並不是特別廣泛。

• 500 萬像素前置攝像頭

前置攝像頭都 500 萬像素了。

• 1200 萬像素攝像頭

後置攝像頭升級到了 1200 萬，光感更好。

在今年初，蘋果還發布了 iPhone SE，主要是迎合喜歡小屏幕的客戶。外觀上就是 iPhone 5S 的翻版，配置上更接近 iPhone 6S，如攝像頭是 1200 萬像素的，只是沒有 3D Touch 功能。沒有太多可說的地方，直接跳過。

十、iPhone 7/7 Plus（2016）

• 非機械按壓 Home 鍵

iPhone 將 Home 鍵換成了非機械按壓式的，如果你按著沒感覺，是不是很不爽？所以蘋果把在實現 3D Touch 所用到的 TAPTIC Engine 振動器加大，按壓的時候振動一下，給你一種錯覺，按鍵按壓下去了。有了這種方式，一是不容易損壞（有人擔憂按鍵是不會壞了，振動器是不是更容易壞了？），二是防水性更好，三是在玩遊戲的時候，可以採用振動反饋，想像一下振動手柄。

• 700 萬像素前置攝像頭

前置攝像頭都升級到了 700 萬像素。

• 更好的攝像頭

採用更快速的圖像感測器，拍照更快了。並且在 iPhone 7 上，也增加了只有在 Plus 系列才有的光學防抖。

• 閃爍感測器（Flicker sensor）

我們平時用的電燈之類的，都是交流電人造光，看著光線很穩定，實際是在不斷的閃爍。這樣在拍照時，因為圖像感測器是一行行採集的圖像，這樣不同行採到的人造光影響可能就不一樣，會導致拍出來的照片色彩不均。於是蘋果增加了一個閃爍感測器，不斷採集到光線情況，這樣在圖像處理時，就可以進行修正。閃爍感測器應該是和圖像感測器放在一起的一塊晶元，獲取光線應該就是通過鏡頭，這點還有待確認。

• 雙攝像頭

iPhone 7 Plus 採用了雙攝像頭，一個廣角一個長焦，可以照顧兩種需求，並且能拍微距照片。正是這個雙攝像頭吸引了我，我決定換手機了。

寫到這裡，我發現整個內容里，攝像頭的比例非常大，可見蘋果在攝像頭上所花費的功夫。

十一、iPhone 8/8 Plus/X（2017）

iPhone 8/8 Plus 可以說和 iPhone 7/7 Plus 相比變化不大，主要是把手機背部也換成了玻璃。但 iPhone X 就是一次跨越了。

• 全面屏

iPhone X 採用全面屏，去除了 Home 鍵。偉大的產品在於不只是能加功能，還能去除功能，否則只會越來越臃腫。

• 真深度攝像系統（深度感測器）

全面屏對我沒有造成太大衝擊，但是真深度攝像系統還是震驚了我。第一次知道這玩意兒還是在去年上聯想之星開學，有兩個同學是做這一方面的。通過激光發射和接收，實現對空間情況進行 3D 建模。這次發布會後，我和同學專門就這塊的實現原理進行探討，這裡做一下簡單介紹。

深度感測器最核心的可以說是兩個部分，發射端（Dot projector）和接收端（Infrared camera），發射端發射出 30000 個點的紅外激光，有一定傾斜度，然後通過人臉反射到接收端中，這樣根據反射角度情況，就能判斷臉部每塊的深淺了。

相比與普通的攝像頭，這裡獲取到的面部是一個立體模型。蘋果用它來做人臉識別（Face ID），可是光線太暗怎麼辦？蘋果又增加了一個泛光照明器（Flood Illuminator），其就像一盞燈，均勻的打在人臉上，只是其發射的是紅外線，並不是真的照亮，通過接收端可以拍攝二維的人臉照片。這樣即使在黑夜中，也能夠進行人臉識別。我在和同學溝通時，我發現即使他是在做這塊的，開始也沒意識到蘋果竟然還加了個紅外光源，可見蘋果花了不少心思。如果再加上其它感測器，就形成了一排。

其中位置感測器（Plroximity sensor）用來感知人臉到屏幕的距離，而亮度感測器（Ambient light sensor）感知環境的亮度，這些在前面介紹過。還好整個劉海設計成了黑色，不然密集恐懼症患者就不敢買了。

通過上面的回顧，我們看到蘋果在感測器使用上可謂越來越廣泛。事實上，不止是蘋果，其他公司也同樣在採用越來越多的感測器。有了各種感測器，就可以採集到各種數據，再加上大數據分析技術，就可以挖掘越來越多的價值。我覺得未來可能通上電的設備，都會帶有感測器，而感測器會產生大量的數據，正是基於這點考慮，我把現在的創業公司起名叫 Sensors Data（神策數據），我覺得未來是感測器時代。

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