一文帶你深度了解那些關於手機相機的事

Part-1 寫在前面的話

如今，相機已經成為智能手機上最為重要的硬體組成之一，對於大多數消費者而言，相機的成像水平也成為了選購智能手機時考慮的主要因素之一。特別是近兩年，在行業普遍缺乏創新的情況下，智能手機的相機進化愈發成為不少廠商在營銷上的著力點，面對越來越複雜的相機科技以及鋪天蓋地的廣告術語，你是否也對甄別手機相機的優劣產生過困惑呢？相信這篇文章能夠帶你深入手機相機的世界，了解一些有關的硬體和技術知識，能夠更好地甄別、選購擁有較高相機水平的智能手機。

Part-2 手機相機的一些重要術語1.像素

像素肯定是關於相機大家最為熟悉的一個術語，簡單的來說，如果把我們日常拍攝的照片都比作一個圍棋棋盤的話，那麼像素就是一個個構成棋盤的方塊，每一張照片實際上都是由無數各色的方塊（像素）構成的，例如800萬像素的照片，就是由800萬個小方塊的像素點組成的。

2.光圈

如果把鏡頭比作是一扇窗，那麼光圈扮演的就是類似窗帘的角色，其作用主要在於控制拍照時的進光量，光圈越大，意味著窗帘拉上的面積也就越小，進光量也就越大，不過要注意的是光圈大小一般用F2.0、F2.4這樣的標準單位，但是數值越小代表光圈越大。

手機光圈示意圖3.快門

和光圈類似，快門也是相機控制拍照時進光量的手段之一，大概可以理解為以不同速度打開與合上窗帘來控制進光的時間，也是我們平常所說的快門速度和曝光時間。通過控制快門速度可以滿足不同場景拍攝需求，例如高速運動的場景要使用非常快的快門速度，而星軌等一些需要長時間曝光的照片就要用非常慢的快門速度來處理。

4.ISO

代表感光度，在某些情況下我們只能利用特定的快門速度和光圈來進行拍攝，這時候就需要利用調整相機的ISO來獲取正確的進光量，不過高感光度容易在成像時產生噪點，影響成像質量。

5.CMOS

就是我們俗稱的圖像感測器，是相機成像的核心硬體，目前絕大多數智能手機採用的都是索尼生產的CMOS。

索尼CMOS6.景深

雖然照片呈現的只是一個平面，但實際上我們在拍攝時物體和前景、背景之間都是存在空間距離的，因此也就引出了景深的概念，簡單理解就是我們在對一個物體進行拍攝時，其前後能被清晰成像的空間距離。景深越大，我們拍攝時能夠清晰成像的空間距離也就越大，例如拍攝風景時我們就需要大景深來由近及遠地呈現各層次的景物；而景深越小，對焦物體前後能夠清晰成像的空間距離也就越小，會產生虛化的效果，因此目前流行的背景虛化和人像模式其實都是小景深場景的應用。

景深原理圖7.ISP

ISP(Image Signal Processor)，即圖像信號處理器，其主要的作用是處理CMOS輸出的圖像信號，相當於相機系統的大腦。ISP在架構上主要有內置和外置兩種，目前主流的旗艦SoC例如蘋果的A11、高通驍龍845、華為麒麟970都搭載了自研的內置ISP，唯一的例外是三星，由於在旗艦機型上採用了高通驍龍和自家獵戶座兩種不同的SoC,出於兼容性的考慮採用了外置ISP的方案（S9系列也為外置ISP，但845版本應該是內置外置雙ISP共同工作）。

Part-3 決定手機相機成像質量的一些關鍵點1.感測器尺寸與單位像素麵積的大小

首先還是要回到硬體上，CMOS作為相機成像的核心原件，很大程度上決定了相機成像水平的高低，而其中最應該關心的就是一點就是感測器尺寸與單位像素麵積的大小。由於內部空間的限制，目前智能手機的感光原件大小一般都在1/3英寸到1/2.3英寸之間，因此同樣尺寸的感光原件（棋盤），如果像素越高（棋盤上的小方塊越多），那麼單個像素的面積就會越小。

高像素雖然能夠呈現更多的細節，但單位像素麵積的減小反而會減少進光量，影響到成像的水平，在夜景拍攝時尤為明顯，而且日常生活中使用的照片往往都經過壓縮處理，高像素的成像效果往往會大打折扣。因此，目前主流的智能手機都把像素維持在1200-2000萬左右，從而尋求更大的單位像素麵積，提升進光量，從而獲得更好的成像效果和夜拍能力。當然，為了提升相機水平，一些廠商也開始嘗試在智能手機內放入更大尺寸的感測器，最好的例子就是華為P20 Pro,主攝像頭採用了1/1.73英寸超大感測器，在硬體基礎上就有了很大的優勢。所以，再次敲黑板，在對比相機水平時，一定要走出像素越高越好的誤區，應該把關注的重點放在感測器尺寸和單位像素麵積的大小上。

主流旗艦的CMOS尺寸對比2.對焦技術

當然，除了尺寸大小之外，CMOS上還有一些能夠影響到相機水平的技術，例如對焦技術。對焦對成像質量的重要程度不言而喻，特別是一些抓拍的場景下，對焦速度顯得尤為重要，因此近幾年各大手機廠商在對焦技術上也是下足了功夫。手機上主流的對焦技術主要有三種：反差對焦（CDAF）、激光對焦（LDAF）和相位對焦(PDAF)。

反差對焦主要是通過尋找對焦區域對比度最大的點來進行對焦，早些時候手機對焦時都會有一個由模糊到清晰的過程就是反差對焦的體現。其優點在於對焦準確，環境適應力強，缺點是對焦過程複雜而導致速度較慢。

激光對焦則是通過激光感測器向外發射低功率激光，通過計算激光到被攝物體間往返的時間來確定被攝物體距離鏡頭的距離，從而實現快速精準對焦的方式。支持激光對焦的手機背面有黑色不透明開孔，且在黑暗環境下看到其發出紅色激光。激光對焦的優勢在於弱光及純色環境下有著優良表現，但由於激光傳輸距離的限制，拍攝物體較遠時就會失去作用。

手機上的激光對焦模塊

相位對焦的原理是在感光元件上預留出一些成對的遮蔽像素點，通過各自成像時形成的信號差來進行相位檢測，計算出焦點的位置偏移後再一步到位完成對焦。相位對焦縮短了對焦的過程，因此在速度上有較大的優勢，但因為依賴遮蔽像素點的成像信號來進行計算，對環境光線有很高的要求，弱光環境下對焦精度和速度都會受到影響。

相位對焦原理示意圖

由於三種對焦技術各有利弊，因此很多廠商在相機上都採用了混合對焦的方式來應對不同的使用場景，從而獲得更好的成像效果，例如iPhone 6就採用了反差對焦+相位對焦的混合對焦方案。除此之外雙攝的採用也讓一些手機能夠通過模擬人眼三角測距的方式來實現快速對焦，不過這對演算法和ISP的性能都有很高的要求。

當然最值得一提的還是相位對焦的升級版:全像素雙核對焦技術（Dual PD/Dual Pixel），這項技術最早出現在佳能EOS 70D上，而率先將其引入手機相機的是三星的S7系列。與普通相位對焦技術不同的是，Dual Pixel上的每一個像素都配置了兩個可以獨立接收光線的光電二級管，這樣所有的像素點都可以被用來進行對焦和成像，對焦速度更快，即便在暗光環境下的表現也依然出色，而這也是S7系列相機表現備受好評的關鍵所在。

傳統相位對焦技術與三星全像素雙核對焦技術的對比3.防抖技術

防抖技術主要分為兩種：電子防抖和光學防抖。

電子防抖技術主要通過程序對感測器上的圖像進行分析和採集，當照片被拍糊時，利用邊緣圖像對模糊部分進行補償，從而實現「防抖」，其實現原理更像是對照片進行「後期處理」，本身對畫質程度有一定的破壞。

值得一提的是谷歌在Pixel上對電子防抖技術進行了升級改良，推出了陀螺儀電子防抖技術。該技術在拍照時利用陀螺儀檢測機身的震動，進而調節快門速度和ISO感光度和等來減輕抖動對拍攝的影響，配合其出類拔萃的合焦速度，形成了優異的電子抖動補償能力，讓沒有光學防抖的Pixel同樣擁有了數一數二的相機水平。

而光學防抖則主要是通過物理方式，依靠特殊的鏡頭或者感測器感光原件的結構在最大程度的降低操作者在使用過程中由於抖動造成影像不穩定，因為是事前控制，光學防抖在成像質量的提升方面要比電子防抖來得更為優秀。其中我們比較熟悉的一種方式就是鏡頭防抖，又被稱為OIS光學防抖，其原理是通過在鏡片組中增加一個使用磁力懸浮的鏡片，配合陀螺儀工作，當機身發生震動時，能檢測到輕微的抖動從而控制鏡片浮動對抖動進行一定的位移補償，從而避免了光路發生抖動，實現光學防抖。但由於結構的限制，大部分OIS光學防抖僅支持橫向和縱向的抖動補償（兩軸防抖），因此防抖能力有一定的局限性。

鏡頭防抖原理圖

後來在小米5上出現了另一種改良過的光學防抖方式：鏡頭模組防抖，通過將整個鏡頭模組「懸浮」起來，配合陀螺儀檢測機身震動，從而控制鏡頭模組進行位移補償，實現橫向、縱向、前傾、側傾4個自由度上的抖動補償，從而擁有了更強的防抖適應能力。

小米5的鏡頭模組防抖

除此之外，以往只用於專業相機的感測器防抖（四/五軸防抖）這兩年來也開始出現在手機相機上，其在原理上與鏡頭防抖類似，是將感測器安裝在一個可自由浮動的支架上，配合陀螺儀來感應相機的抖動方向和幅度，進而控制感測器進行對應的位移補償，但這種方式不用考慮光學的折射因素，因此靈活性比鏡頭防抖高很多，最多可以讓設備實現5個自由度的抖動補償（五軸防抖，四軸防抖加上旋轉防抖），索尼Xperia XZ是最早應用這一技術的手機，不過僅支持視頻的拍攝。

感測器防抖原理圖4.雙攝

如今，雙攝早已成為智能手機的旗艦標配，隨著技術上的不斷成熟進步，兩個攝像頭所能帶來的已不僅僅是成像水平上的提升，不同的雙攝方案也為手機相機帶來了更為全新的功能和玩法。

主攝像頭+景深攝像頭的組合屬於比較早期的雙攝方案。比較典型的代表就是2014年3月發布的HTC One M8,搭載了由一個408萬像素的UltraPixel相機及一個景深相機組成Duo景深相機，在拍攝時通過景深相機來偵測場景中的距離，並利用這些信息來區分前景和背景，從而在手機上實現拍照的景深效果（背景虛化）以及拍照後重新聚焦的功能。但這種方案所提供的景深效果並不是非常理想，在輪廓比較複雜或者主體與背景顏色相近的場景下，就會出現無法準確區分的情況，而且景深效果也顯得不自然。主攝像頭+景深攝像頭的方案後來也僅僅被運用於紅米Pro這樣的一些低端機型之上，現在的市場上已經很難看到了。

搭載景深攝像頭的HTCOneM8

主攝像頭+廣角攝像頭的組合最早出現在LG G5上，廣角攝像頭能夠為用戶捕捉到更寬的畫面，並且利用這種視野上的優勢從一些特定的角度來進行拍攝，但這套方案早期的效果並不好，廣角攝像頭的成像效果差強人意，畫面還會出現嚴重的畸變，不過在後續的LG V30上已經得到了改善。

搭載廣角攝像頭的LGG5

彩色攝像頭+黑白攝像頭則是一種典型的以提升成像質量為目的的雙攝方案。其原理在於黑白攝像頭由於去除了CMOS上的分色濾鏡，所以擁有更高的進光量，所拍攝的圖像能夠保留更多的細節，利用這一特性將彩色、黑白兩個攝像頭的成像利用軟體演算法進行後期的合成，就能得到比普通彩色攝像頭更為清晰的相片，這在夜景拍攝的情況下尤為明顯。黑白+彩色的雙攝組合同樣可以通過演算法來實現景深效果，除此之外還能利用二者的像素差實現無損變焦，以華為P10為例，在拍攝一張變焦照片時，2000萬的黑白攝像頭負責拍攝出一張高清的黑白圖像，然後從這張圖像上截取出1200萬彩色攝像頭拍攝出的圖像範圍，通過軟體與彩色圖像進行融合，從而獲得一張質量較高的變焦圖像，但在最高解析度的情況下這種無損變焦就無法實現了。

華為P9的彩色+黑白雙攝

主攝像頭+長焦攝像頭則是目前最為通用的方案。iPhone 7 Plus是這一方案的典型，主攝像頭是手機常見的28mm焦段，長焦攝像頭則採用56mm焦段，通過二者間的切換可以實現二倍的無損變焦，而長焦攝像頭由於畸變較小的特性，在人像拍攝上具有優勢，再結合演算法帶來的景深效果，可以提供優秀的人像模式功能。這個組合的缺點在於目前長焦攝像頭的光圈都比主攝像頭要小很多（iPhone 7 Plus上為f2.8，iPhone X上提升到了f2.4，而主攝像頭均為f1.8）,因此長焦鏡頭的成像效果都會略差一些，並且在弱光環境下大部分手機都會禁用長焦鏡頭，也就失去了無損變焦的能力。

搭載支持雙光學防抖主攝+長焦方案的GalaxyNote8

當然還有一些獨特的雙攝組合方案，例如在MWC2017展會上，OPPO展示了業界首款潛望式雙攝結構，可以實現五倍的無損光學變焦，但該方案目前還沒有投入商用。此外OPPO還在R11s採用了一種叫做智選雙攝的「假」雙攝方案：與上述所有雙攝方案兩顆攝像頭協同工作（哪怕只是在某些特定情況下）的原理不同，R11s的兩顆攝像頭是完全獨立的，由一顆1600萬像素的細節攝像頭和一顆2000萬像素支持像素重構技術（成像時四個像素點合成為一個大的感光像素點，從而提升進光量）的暗光攝像頭組成，值得一提的是這兩顆攝像頭都擁有F1.7的大光圈，成像時系統會根據光線環境來調用其中一個成像質量更好的攝像頭來進行工作，實際上還是單攝，只不過配備了應對不同場景的兩顆攝像頭。

OPPO的潛望式雙攝設計5.光圈

目前主流旗艦的主攝像頭一般都配備了F1.8的大光圈，而三星在今年發布的S9系列上帶來了可變光圈的全新玩法，通過F1.5/2.4的可變光圈攝像頭，從而能夠適應不同的拍照場景：利用小光圈增加景深可以在拍攝風景等需要保留大部分畫面細節的照片時獲得更好的效果，而在拍攝人像、靜物等更需要突出主體的照片時，又可以通過大光圈來達到背景虛化的效果。

6.ISP

除了CMOS之外，在手機相機系統上對成像質量影響最大的恐怕就是ISP了，作為相機系統的大腦，圖像信號處理器在接收感測器信號後，通過線性糾正、噪點去除、壞點修補、顏色插值、白平衡校正、曝光校正等手段進行成像處理，對圖像質量的改善可以達到10%-15%，除此之外ISP還可以通過輔助對焦、人臉識別、場景識別等功能讓拍照變得更加簡單輕鬆。在CMOS等硬體趨於同質化的今天，ISP的性能和封裝其中的演算法已經成為了手機廠商們進一步提升成像質量，尋求差異化的關鍵所在。

蘋果A11內置的自研ISP7.演算法和AI

除了硬體，相機後期的調教，演算法和軟體上的加成對成像的影響也日益明顯。從常見的HDR（High-Dynamic Range，高動態範圍）演算法、蘋果不斷改進的時域降噪演算法到如今經常登台亮相的虹軟演算法（三星、華為、小米、OV、魅藍、鎚子等一眾廠商或多或少都有採用的視覺技術方案），手機廠商對在相機的後期調教上正花費越來越多的心思，在硬體水平接近一致的情況下，演算法以及調教的優劣才是旗艦手機相機水平一見高下之處。

近年來開始為人們所熟知的虹軟演算法

索尼就是典型的反面教材，雖然在手機CMOS上已經近乎於一家獨大，自己旗艦產品也往往能用上最新型號的感光原件，但由於調教得不好，自家旗艦機型的相機水平一直為人所詬病。

另一個經典的例子就是谷歌Pixel和小米5S，兩款手機都採用了索尼先進的IMX378感測器，但成像水平上卻有著巨大差距，不得不讓人佩服谷歌的相機調教水平。

還在Lumia時代的諾基亞，除了有卡爾蔡司認證的鏡頭以及1020那樣變態的大底CMOS之外，PureView技術的加持和諾基亞專業拍攝這款軟體的存在對其當時傲人的相機水平更是功不可沒。而谷歌更是依靠強大的演算法以及AI技術的應用，讓Pixel 2 XL在維持單攝的情況下，實現了足以吊打當時一眾雙攝旗艦的相機水平，可見演算法和AI正在相機成像上扮演著不可忽視的重要角色。

Part-3 機皇解析：華為P20 Pro的相機為何能登頂DxOmark

說到手機相機，就不得不聊一聊不久前發布的華為P20 Pro，這款開創性的三攝產品讓國產品牌的旗艦手機第一次登頂專業評測機構DxOMark榜單，拍照和視頻的得分都刷新了歷史記錄，綜合評分達到109分，直接和第二名、三星最新的旗艦產品Galaxy S9+拉開了10分的差距，頗為驚人。那麼P20 Pro上這款現象級的相機究竟是如何煉成的呢？

首先當然要歸功於強悍的硬體配置，P20 Pro史無前例地在手機相機上搭載了三顆後置攝像頭：主攝像頭擁有4000萬像素，1/1.73英寸感測器，f1.8光圈，等效焦距27毫米，支持相位對焦；副攝像頭是一顆黑白攝像頭，擁有2000萬像素，1/2.78英寸圖像感測器，f1.6光圈，等效焦距27毫米；此次最新加入的是一顆遠攝攝像頭，擁有800萬像素，1/4.4英寸像感測器，f2.4光圈，等效焦距80毫米，支持光學防抖。

P20Pro的三攝組成，從左到右依次為遠攝、主攝和黑白攝像頭

主攝像頭採用的感測器是由華為、索尼和芬蘭研究所（曾經屬於諾基亞團隊）共同研製的IMX600，這種在手機上罕見的大尺寸感測器加上4000萬像素的配置很容易讓人聯想起當年的諾基亞808和Lumia1020,但區別在於P20 Pro的相機並未像二者一樣在機身背部顯眼地突出，這當然與CMOS技術的進步有關，不過為了在機身中塞進這個大傢伙，主攝像頭不得不捨棄了光學防抖功能，不過這也動搖不了其「底大一級壓死人」的成像能力，並且主攝像頭在工作時會通過演算法將四個像素點組合成一個，輸出1000萬像素的照片來進行合成，從而實現單位像素麵積的增大，可以在低光環境下帶來更多的進光量，提升成像質量。

主攝、黑白和遠攝三組鏡頭的組合運用，讓P2O Pro兼具了彩色+黑白、主攝加長焦兩種雙攝方案的優勢：更加強大的彩色+黑白雙攝組合能夠大幅提升相機的成像質量，特別是在低光環境下也能夠有效降低噪點，保留更多畫面細節；而遠攝攝像頭的加入使P20 Pro在原有雙攝組合通過演算法實現兩倍光學變焦的基礎上，進一步擁有了三倍光學變焦、五倍混合變焦、十倍數碼變焦的能力，在人像模式上也表現得更為出色。DxOMark的變焦測試顯示，在四倍變焦的情況下，P20 Pro依然能夠呈現出良好的細節紋理。

P20Pro普通成像(DxOMark測試樣張)

P20Pro四倍變焦成像(來源於DxOMark測試樣張)

P20Pro四倍變焦成像的裁剪圖(來源於DxOMark測試樣張）

即便是三個鏡頭的組合使用，華為對P20 Pro的相機調教和演算法優依然是相當出色的，無論是對焦、曝光、色彩還是白平衡都表現得相當優秀，加上AI加持下相機系統能夠對超過500種不同的拍攝場景進行識別，針對不同場景採用最佳的拍攝方案，從而讓P20 Pro在許多複雜場景下都有著比競爭對手更好的表現。為此，DxOMark特別在逆光人像以及低光散景的場景下為我們對比了P20 Pro和iPhone X之間的成像。

P20Pro的逆光人像擁有準確的曝光(來源於DxOMark測試樣張）

iPhoneX的逆光人像在高光背景上的不足(來源於DxOMark測試樣張）

P20Pro的低光散景，擁有精確的景深估計和漂亮的虛化效果

iPhoneX的低光散景，成像畫面偏暗，且無法實現背景虛化

除了上述這些之外，P20 Pro還擁有超越普通手機相機的ISO 102400高感光度，並且支持4K視頻以及960 fps，720P慢動作視頻的錄製，可謂相當全面。

DxOMark在綜合評測之後將華為P20 Pro定義為改變遊戲規則的手機：

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。

的確，在經歷了之前數代產品的努力耕耘之後，P20 Pro在手機相機上確實擁有了行業頂尖的水平，可以說是華為硬體創新、技術積累和優良調教的結合產物。

Part-5 未來的變革

雖然華為P20 Pro將手機相機帶到了一個全新的高度，但相對於專業相機而言，前者還存在相當大的提升空間，硬體的突破創新、演算法的優化調整以及AI技術的深入應用都可以為手機相機帶來更進一步的變革，在此過程中，如何針對手機來打造更為精密且使用的硬體，提出更加多元化的解決方案並利用高效演算法及人工智來協調組件工作、分析處理數據並最終轉化為成像水平的提升將會成為整個產業鏈的挑戰。儘管如此，蘋果、谷歌、三星、索尼和華近幾年來已經在不同領域和方向上通過不斷的耕耘積累為探索更多的可能性做好了準備，我們仍然可以期待不久的將來就會有超越P20 Pro的產品出現。

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