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手机摄像头如何拍出好照片

来源:网络 发布时间:2017-06-01

继华为P8之后,OPPO最新的R7 Plus也武装了“RGBW传感器”。那么,和那些“非RGBW传感器”相比,RGBW有什么独到的优势呢?另一方面,如今智能手机普遍都配备了1300万像素或更高级别的摄像头,但它们最终的拍照效果又为何会出现比较大的区别呢?

手机摄像头如何拍出好照片 心愿下载教程

先来谈谈RGBW 传感器

在智能手机领域,CMOS传感器一统江湖,而RGBW就是基于CMOS之上的技术(图1)。简单来说,CMOS是由无数个单色像素小点组成的阵列,要想为我们呈现一个彩色的“视界”,就需要在图像传感器前面增加一个布满滤光点且与下层像素点一一对应的滤光层。

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其中,每一个滤光点只能通过红(R像素)、绿(G像素)、蓝(B像素)之中的一种颜色,而在每个绿点的四周都分布着2个红点、2个蓝点、4个绿点,最终R像素、G像素和B像素会呈现出1:2:1的比例分布(图2)。这些RGB三色经过调和计算可以组合出各种颜色,于是CMOS采集的信号在经过一番处理后就能拍出彩色照片来了。

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顾名思义,RGBW的原理就是用一个白色(W像素)的滤光点,替换原1:2:1比例红绿蓝(RGB)三色之中的一个绿色滤光点,组成四种颜色后再进行计算。这么做有什么好处呢?

RGBW 传感器的优缺点

由于滤光层中的红绿蓝三色滤光点在透过一个颜色的同时会过滤掉其他颜色,这就导致光线损失过多而降低了亮度。而白色滤光点不会过滤光线,此时透过滤光层照射到CMOS上的光线就会更多(图3),从而起到增加亮度减少光环境下的噪点功效。华为称RGBW传感器能帮P8提升照片32%的亮度(高对比度),低光环境下降低78%的彩色噪点,听起来貌似好处多多。

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实际上,索尼早期IMX135(1300万像素)和IMX134(800万像素)堆栈式传感器理论上就已支持RGBW编码技术,但最终索尼却没有将该技术付诸实施。原因很简单,RGBW存在一点点“副作用”。

我们都知道,每一个CMOS传感器上的像素点阵数量都是有限的,当RGBW将四分之一的绿色点换成了白色,这就意味着色彩信号下降了四分之一,这种原始信号的减少将导致色彩饱和度的下降和色彩层次的丢失。当然,我们可以通过后期“软处理”强行提高色彩饱和度,但色彩层次感的下降却是很难通过后期ISP的算法来优化解决的。

因此,在跳过IMX200(2070万像素)、IMX214(1300万像素)、IMX220(2070万像素)、IMX240(1600万像素)等传感器之后,索尼最终才在最新的IMX278传感器(1300万像素)中引入了RGBW编码技术,而这颗IMX278传感器也就有了“RGBW传感器”的称号。

像素靠边站传感器是王道

继续前面的话题,智能手机清一色都是800万、1300万、1600万、2070万像素摄像头(图4),为什么会出现1300万不如800万,或是两款同属1300万像素的手机拍照效果也会大不同呢?

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首先我们需要淡忘像素值,1300万像素只代表能拍摄出比800万像素更高分辨率的照片,但绝不代表拍照效果。iPhone 6/6 Plus凭借一颗800万像素摄像头秒杀一众Android旗舰就足以说明问题,影响手机拍照效果的最核心要素其实是CMOS传感器型号(图5)。目前智能手机领域的传感器品牌主要以三星ISOCELL、索尼IMX和豪威OV三家为主,而索尼堆栈式IMX传感器更是占据了90%以上的中高端智能手机市场份额,因此本文后面的内容也将以索尼传感器为主。

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如索尼IMX135和IMX214都是1300万像素堆栈式CMOS传感器,但IMX214是IMX135的升级版,不仅支持1300万像素每秒30帧高动态范围(HDR)输出,还减少了片上微透镜与感光二级发光管之间的距离,使其相比IMX135拥有更高的集合光线效率(图6)。

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而索尼自家的Xperia Z3和Xperia Z2手机都是2070万像素摄像头,但由于Z3武装的是IMX220传感器(ISO范围是50~12800),而Z2则为上的IMX200传感器(50~6400),前者还具备更大的广角与更小的对焦距离等优势,所以Z3无论是夜拍环境还是日常拍摄效果都要领先Z2很多。

问题来说,如果说CMOS传感器是影响手机拍照效果的最核心要素,那理论上只要CMOS传感器相同,两款手机的拍照效果应该一模一样才对。那实际和理论为什么出现了偏差?

决定拍照效果的“三驾马车”

无论是濒于淘汰的传统DC、高端的单反机还是时下正热的小巧手机,都是由影像传感器、光学镜头和影像处理器这“三驾马车”决定实际的拍照效果,而这三驾马车也会遵从“木桶原理”,共同影响输出图像的质量。

有人说,索尼Xperia Z系列手机拍照很出色,是因为Exmor RS传感器(CMOS)、G镜头(镜头玻璃)、BIONZ影像处理器(ISP)构成了Xperia系列影像系统的三驾马车(图7)。实际上,所有的智能手机都包含上述三个要素,只是不同方案的搭配,最终会呈现截然迥异的结果。Exmor RS传感器的重要性前文已经介绍过了,接下来我们再来谈谈镜头和ISP。

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我们都知道,光线中包含红外线等诸多“杂光”,未经过滤处理的光线直接通过CMOS传感器时会严重影响成像质量。因此,在CMOS传感器的前面需要加入用于滤光的玻璃,也就是所谓的“镜头”。需要注意的是,这个镜头可以由数量和材质不等的透镜片组成。

比如,绝大多数低端手机都是由5层塑料镜片组成,我们就称其为5P镜头;中端机则多由4层塑料镜片+1层玻璃镜片组成,我们就应当称其为4P1G镜头(也能称为5P镜头);而很多热门手机则会将那1层普通玻璃镜片换成蓝玻璃滤光,或是改用更高级的5P1G镜头(又称6P镜头)。总之,镜头的片数越多(图8),成像就越真实。

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至于IPS,我们可以将它理解为摄像头的“大脑”。这颗芯片负责对传感器采集的信号进行线性纠正、噪点去除、坏点修补、颜色插值、白平衡校正、曝光校正等“优化”(图9)。如某款手机4K录制的帧数更高、美颜效果更自然、抓拍速度更快,这些都是ISP芯片的功耗。

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由于ISP芯片成本相对较高,所以更多的品牌喜欢使用CPU内集成的ISP芯片(比如高通骁龙处理器就集成ISP),最终成像效果取决于手机厂商自己对相机其他组件和软件系统的调校与优化。而一些“讲究”的手机便会采用独立ISP改善拍照效果,比如索尼手机专用的BIONZ影像处理器、三星Note4和美图秀秀等手机常用富士通独立ISP芯片(图10)。一般来说,独立ISP芯片都是手机厂商向ISP提供商定制,比如三星Note4就把ISP硬件和后期调校都交给了富士通,所以独立ISP要与相机其他组件的契合度更佳,成像也有属于自己的风格和特色。

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扩展阅读:传感器和光圈大小无关

光圈的大小影响了单位时间内摄像头的光线通过量,因此光圈越大在低亮度环境下的拍照效果就越好(图11)。在很多用户的潜意识里,只要CMOS传感器型号相同,那它们的光圈大小也应该一致。很遗憾,光圈只是由镜头里面的几片极薄金属片组成,它们的尺寸取决于手机厂商的设计需求。以同样配备IMX135传感器的联想VIBE Z和酷派大神F2为例,前者的光圈大小为F/1.8,而后者光圈则为F/2.0。同理,使用更高端IMX214传感器却配备F/2.2甚至F/2.4光圈的产品也大有人在,比如TCL么么哒3N。

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不可忽视的“软实力”

当两款手机采用了同款CMOS传感器,镜头和ISP规格相似时,为何拍照效果还是会出现不同的风格呢?这个问题的答案就是手机厂商的“软实力”了。

比如,索尼Xperia Z3和魅族MX4 Pro采用的都是IMX220传感器,且均配有独立的ISP芯片,但通过用户的实际对比来看,还是索尼Xperia Z3的拍照效果更为优秀一些。当然,这可能是索尼对自家芯片的理解力更好有关。但是,三星Note4的IMX240传感器规格貌似不如IMX220,但网友对其的评价却要优于索尼Xperia Z3,在这背后就是厂商对摄像头软件优化部分的实力体现了。

捕获

用同一款单反相机拍摄相同的画面,不同用户拍摄的照片肯定存在优良中差,而这背后源于用户对当前光线、角度、ISO和等参数的调校不同。手机也是一样,摄像头软件默认会工作在自动模式下,它会根据光线、距离和对焦点自动微调ISO和对比度等参数,所以拍照结果自会不尽相同。有些手机拍照色彩还原度更真实,而有些手机拍照的色彩更鲜艳讨好眼球,就是这个道理。

为了让普通用户可以拍摄更专业的照片,已经有不少厂商在APP方面做出努力了。比如OPPO在拍照APP里可以下载丰富的拍摄模式插件(图12),而努比亚手机则提供了更为专业的手动拍摄模式(图13),其目的就是让用户在特殊环境时使用指定模式,从而拍摄更让你满意的照片。

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扩展阅读:一些辅助的拍照技术

为了尽可能突出产品的拍照实力,很多厂商都会想办法给产品融入更为小众化的特殊设计。比如使用弱化下表现更好的Ultrapixel摄像头(如今被很多新品用于前置摄像头)、HTC高端机特色的景深摄像头(图14)、华为荣耀6 Plus使用的平行双摄像头、OPPO R7 Plus引入的激光对焦等技术。这些功能或技术或者可以改善成像效果,或者可以增加使用乐趣,感兴趣的用户不妨留意一下。

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