深度解析：華為P20系列如何突破硬體和演算法
3月27日，華為P20系列手機在巴黎發布。P20和P20 Pro的DxOMark分數雙雙登頂不稀奇，但是P20 Pro DxOMark分數超出了前代冠軍10分，所以P20系列到底突破了什麼？
作為華為新一代旗艦產品，P20 Pro突破傳統限制，首創三攝像頭系統，不僅為消費者打開了更新穎的視界，也再一次引領全球手機攝影的發展趨勢，徹底顛覆了固有印象。本文就從硬體突破和演算法革新兩個方面詳細講述P20系列帶來的革命。
一、最領先的攝影系統
1. 前所未見的4000萬徠卡三鏡頭
相比同時代手機產品而言，華為P20 Pro最為閃耀的特性即是搭載史無前例的三攝像頭模組。近年來，華為在與影像巨頭徠卡的深入合作下，成功推出了一系列搭載徠卡雙攝像頭、具備領先攝影能力的智能手機產品，受到業界和消費者多方讚譽。此次，華為再度牽手徠卡，為全新旗艦P20 Pro配置了VARIO-SUMMILUX徠卡三鏡頭：獨家定製採用1/1.7英寸超大感光元件的4000萬像素彩色模組，搭配等效焦距約27mm的f/1.8光圈鏡頭，還原精緻細節和真實的色彩信息;2000萬像素超清黑白模組，搭配等效焦距約27mm的f/1.6光圈鏡頭，帶來經典且風格濃郁的影調;業內首創800萬像素長焦模組，搭配等效焦距約83mm的f/2.4光圈鏡頭，作為世界首創的第三鏡頭，實現約3倍光學變焦、5倍三攝變焦，呈現更遠、更通透的世界(另有10倍數字變焦)。
底大一級壓死人：主流手機鏡頭中最大尺寸的CMOS影像感測器。
目前，華為P20 Pro擁有主流手機市場上尺寸最大的CMOS影像感測器，是三星Galaxy S9+的2.25倍、iPhone X的2.7倍。更大的感光面積帶來的是視覺感受上更加緊緻的圖像效果以及手機領域中絕少有的背景虛化效果。
由於感光元件尺寸增大，使得單位像素的尺寸也相應地得以擴大。華為P20影像感測器的單個像素尺寸為1.55μm，領先於三星Galaxy S9+的1.4μm和iPhone X的1.22μm。像素麵積增大，意味著其受光面積隨之增加，感光量亦相對更多，信噪比則因此而上升。
而對於P20 Pro來說，先進的像素融合技術可將4000萬像素的信息超採樣為1000萬超級像素的畫面，此時單位像素的尺寸相當於2μm，其感光表現大幅領先於同期其它產品。更大的動態範圍、更高的感光度都因此而得以實現。在照度極低的環境下，華為P20 Pro的感光度最高可以使用到ISO 102400，不僅在手機領域絕無僅有，即使是在數碼相機領域中也只有比較高端的型號才能達到。在光線極暗的、肉眼已經無法辨識物體環境下，依然能夠拍出清晰畫面。
2. 高動態範圍表現優異
為了在逆光拍攝等場合中實現突破性的高寬容的、高畫質表現，華為不僅為P20系列配置了大尺寸感光元件來獲得底層感光性能的提升，更是通過研發全新的解決方案實現RAW域多幀降噪，令HDR拍攝可以達到前所未有的純凈質感。與以往不同的，是使用華為P20系列拍攝HDR照片時將首先由ISP對RAW檔數據進行HDR處理，隨後完成寫入。即是說，華為P20 Pro的HDR拍攝模式實際上是直接在寫入存儲器之前對原始圖像做了機內Dodging and Burning，著實可謂專業。而從逆光拍攝的實際效果來看，這種處理流程確實要明顯好於其它型號。
在強大的硬體和處理流程助力下，新推出的人像攝影模式為人像拍攝帶來耳目一新的效果。無論是逆光或是暗光環境中，用戶都將收穫到驚艷的照片。
3. 全新的變焦系統帶來更近一步的優秀畫質
之前，雙攝手機在市面上已經相當普及，而為了改善以往手機產品難以清晰拍攝遠處物體的用戶痛點，搭載2倍光學變焦性能的雙攝產品也越來越多。可見，光學變焦性能正逐步成為用戶手機的常規要求。此番，P20 Pro再上一層，一鼓作氣3倍光學變焦及5倍三攝變焦，大幅提高了手機的長焦攝影性能標準。只需點擊相機界面上的1X、3X和5X，就能輕鬆切換三種焦距。
在3倍以內變焦時，傳統雙攝像頭一如既往分工明晰：黑白模組抓取灰度信息，進而產生精緻細節和影調;彩色模組則感知色彩。二者數據同步產生，經過疊加、對其、融合後，一幅效果卓越的攝影作品便得以留存——這樣的成像流程相比傳統拜爾濾色鏡方式要優異得多。
3倍以上變焦時，三顆攝像頭就會自動同時啟動，華為的工程師們為了實現三套模組在自動曝光、自動白平衡計算和自動對焦三大核心動作上完美地同步，可謂廢寢忘食，而最終所達成的結果無疑令人備感欣喜。複雜的三重攝像頭模組在變焦倍率發生轉換時，要從技術上實現實時取景畫面連續、平滑，著實不是一件輕而易舉的事情。
經過5倍變焦後，華為P20 Pro完美還原色彩，精準呈現毛髮、眼睛等細節，對比其他手機拍攝的照片，優勢顯著。
即使使用10X數字變焦時，拍攝遠距離牆上的海報，智能變焦拍攝配合後期演算法補償，華為P20拍攝的字體邊緣清晰，領先幅度之大可以被明顯看出。
4. 極致的「所見即所得」
失焦是很多人拍照時的痛點，特別是拍攝運動對象時，難以成功對主體對焦是常見情況。對焦速度慢、追焦能力差等，都是重要因素。
除了傳統的四合一自動對焦(激光對焦、相位對焦、反差對焦，景深自動對焦)外，P20系列的用戶還有新選擇：4D追焦。顧名思義，4D追焦意味著在整個畫面範圍內高速、準確地追蹤被攝體，輕鬆凝固精彩的瞬間場景。
P20系列手機採用的四合一對焦系統，其全新的激光感測器偵測範圍可以達到3米。
4D預測追焦功能能在拍攝時自動追蹤物體並預測物體運動軌跡，實現更快速更精準的對焦。不止如此，得益於近乎零延時的高速快門，P20系列可以最大程度降低快門時滯，實現極限快拍，所見即所得。
以此圖為例，P20 Pro通過識別高速運動對象，預測人物的長髮在下一個時刻可能的運動軌跡，並以近乎零時滯的1/900s高速快門拍攝，精準捕捉細節。而同時按下快門的另外兩台手機A和B，A完成拍攝時，頭髮已經落下，這說明存在快門延遲，而且衣服部分過曝;而B不僅快門滯後，因為對焦不精準和快門速度較慢，畫面出現拖影和模糊。
5. 自拍，可以更美
P20系列手機配置了2400萬像素前置模組，具備f/2.0光圈鏡頭。先進的BSI CMOS影像感測器結合色溫感測器，實現在不同環境光線下智能地校正膚色。
在逆光自拍的場景中，可以看到P20拍攝到的左圖呈現了更為鮮亮的面部，人物膚色自然、細膩，配合適當的美化，整體效果令人著迷。而右圖沒有很好的進行整體色彩控制和細節修飾，缺乏美感。
二、最懂你的AI大師：智慧攝影體驗
絕大部分用戶對相機的拍攝模缺少了解，無法判斷在當前場景下選擇哪種拍照模式更加合適。因此，為了提高用戶體驗、幫助消費者拍出更加令其滿意的照片並逐漸了解各種拍照模式，Master AI便應運而生。
1. Master AI(智慧拍照助手)
華為在演算法架構維度上設計了一個推薦引擎(Suggest Engine)來實時獲取取景畫面的信息。根據場景識別、人臉檢測的結果，按照預定義的規則執行推薦，上報到用戶操作界面，同時記錄當前使用者的操作行為並反饋給推薦引擎。通過不斷學慣用戶的使用習慣，逐漸達到能夠向該用戶推薦對其量身定製的、令其滿意的拍照模式的目的。
(1)場景檢測：
由淺入深可以分為三個環節：圖像處理、圖像分析、圖像理解。
圖像處理，是對圖像進行分析、加工、和處理，使其滿足視覺、心理以及其他要求的技術;而圖像分析更重於研究圖像的內容，包括但不局限於使用圖像處理的各種技術，它更傾向於對圖像內容的分析、解釋、和識別;圖像理解是對圖像的語義理解，屬於高層操作，通過對圖像內容含義進行理解並對原始客觀場景做出解釋，進而指導和規划行為，這與人類的推理模式有許多相似之處。
場景檢測演算法結合機器學習、深度學習的理論以及對圖像的分析和理解，達到實現區分多種場景的能力。
(2)推薦規則：
如何在識別到的多種場景中，選擇最恰當拍照模式？這就用到了推薦規則。在空間維度上，對在一副畫面識別到的多個目標進行辨認,識別出主體;在時間維度上，能夠做到對取景範圍內目標的變化進行甄別，避免干擾因素。
(3)用戶習慣：
用戶可以自行決定是否啟用Master AI技術，如果在本次相機運行期間取消Master AI即可關閉拍攝模式推薦。待下次開啟相機時Master AI則將重新開始推薦拍照模式。
總的來說，推薦模式是AI技術在P20系列手機上更深入一步的智慧應用。它同時實現了對於場景的識別和推薦，更有趣的，是在多物體共存的拍攝場景中，AI甚至會通過學習來優化推薦規則：比如在花卉旁邊拍攝人像，系統就會優先選擇人像模式進行推薦，而不是推薦花卉模式。
2. AIS(AI Image Stabilization) 智慧防抖技術
為什麼拍照會模糊？
眾所周知，一張照片的曝光量由多個因素決定：快門速度、光圈大小、感光度(ISO值)等。這些數值的不同組合會直接對拍攝效果產生影響。
在感光度和光圈數值已定的情況下，延長快門速度即增加曝光時間，可以拍出水流或是燈光流動的效果，但當快門時間慢於人體手持拍照的極限(對於一般手機而言，約為1/30秒)時，畫面就會因為「手震」而變得模糊。
在感光度已定的情況下，光圈越小景深就越大，畫面的信息也就越豐富。但相應地，為了保證進光量，我們需要更慢的快門速度。
特別是在極暗環境中，手機在固定光圈的情況下，根據自動測光，勢必會提高感光度或延長曝光時間。前者受手機器件所限，後者受人體能力所限，從而導致手機在夜晚拍照的畫質不佳，「手震「無疑是夜景的天敵。
P20系列在夜景模式應用全新的黑科技「AIS」(AI Image Stabilization智慧防抖技術)，允許用戶以手持的方式進行長達6秒的持續曝光，並獲得一張全然不同於以往一貫印象的、素質精湛的夜景照片。該技術主要通過AI技術分析、整理拍攝過程中每個畫面的特徵點，識別物體形狀及邊緣，自動抓取4秒曝光時間內生成的所有照片，並藉助AI演算法過濾、校正由於手抖動造成的畫面偏移和模糊，最終將照片疊加，同時平衡畫面中各元素的照度，得到完美的夜景圖像。這無疑從根本上解決了不能手持拍攝夜景的遺憾。無論是燈火闌珊的寂靜曠野，還是車水馬龍的夜市，都能通過HUAWEI P20系列拍出清晰的照片。
在視頻拍攝時，P20系列應用AIS智慧防抖技術，實現六軸視頻防抖效果，有效防止拍攝過程中視頻畫面顫動。
3. 3D人像光效技術
P20系列新增3D人像光效功能，該功能應用3D實時建模技術，來更好地匹配用戶的面部特徵，並模擬影棚級多重光效：蝴蝶光、劇場光、經典光等。前後置攝像頭均支持這個功能。用戶可以在取景界面和圖片編輯界面進行光效調整，豐富了人像拍攝的可玩性。
4.智能拍照輔助
在識別出構圖水平線傾斜時，AI將智能提醒用戶調整手機的角度;能識別出多張人臉的團體照場景，並且可以智能地提醒用戶在拍攝團體照片時應如何構圖，讓這些珍貴瞬間更為出色。
5. AI對於成像相關功能的整體輔助
P20系列引入了麒麟970晶元以及AI技術，能夠根據用戶所處的實際環境和場景做出細分，進而向用戶提供針對於拍攝場景的輔助，例如：變焦拍攝文字，AI對於最終文字成像的清晰程度具有顯著的優化效果。
最後引用DxO對華為P20系列的總結陳詞：我們已習慣於每一款新智能手機的攝像頭都比前一代稍微好一些，但是看到華為P20 Pro的圖像測試結果時，似乎華為手機一次性前進了一兩代，表現非常優異。P20 Pro的三攝像頭設置是我們在移動成像領域所見到的最大的創新之舉，堪為名副其實的遊戲規則革新者。
新的P20 Pro 能夠為特定的拍攝場景選擇最佳攝像頭，並以計算機的演算法來合併三個圖像感測器的圖像數據——這意味著它在幾乎每個方面都能擊敗競爭機型，並登上照片和視頻排名中的冠軍寶座。它的變焦和散景模擬在低光下的表現特別出色，因此直接擊敗了其競爭機型。如果您正在尋找目前搭載了最好的攝像頭的智能手機，請不要再猶豫了。
打開網易新聞，查看精彩視頻
※農曆日干支的速演算法
※演算法導論學習之最長迴文子序列
※『知日元斷流年』的推演算法則(司瑩居士)
※公元後日期的紀日干支計、星期和二十八宿演算法
※歸併排序merge sort