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手机摄像头基础知识解析

发布时间:2016/8/5 9:51:59 | 发布者:赋兴光电

 
现今拍照已成为手机最重要的功能之一,也是消费者购买手机时的重要考量因素。甚至从某种程度上来说,手机已经替代专业的相机,成为我们日常生活中最主要的拍摄工具。因此,在核心硬件玩到发烧之后,手机厂商们又开始把心思放在了大家关注的拍照功能上。

“XXX像素”、“XXX传感器”、“XXX镜头”、“XXX光圈”,当面对这些被疯狂叫嚣的相机卖点时,作为并不精通相机的普通消费者,很多人变得茫然,开始只会做加减算法,似乎最高的就是最好的,而关于这些参数所代表的真正意义,却并不了解。

像素≠清晰度
  
手机摄像头的构成
  
首先,我们来了解一下手机摄像头的构成。需要注意的是,尽管我们将其称为“手机摄像头”或“手机相机”,但实际上,它的构成组件和工作原理与传统数码相机无异,只是体积较小,所以“手机的数码相机”的称谓才是完整、正规的。

像素
  
“像素”似乎是我们最熟悉的相机参数,在了解某款手机的相机时,首先看到应该的就是“XXX万像素”,多数厂商也会把它当做首要的宣传点,那么这个像素究竟意味着什么呢?

“像素”指的是相机传感器上的最小感光单位,而我们通常所说的“XXX万像素”实际是指相机的分辨率,其数值大小主要由相机传感器中的像素点(即最小感光单位)数量决定,例如500万像素就意味着传感器中有500万个像素点,和手机屏幕中的像素数量决定屏幕是720p或1080p分辨率是一个道理。

像素决定照片质量?
  
人们通常会以为相机像素越高,拍的照片就越清晰,实际上这是很片面的。相机的像素唯一能决定的是其所拍图片的分辨率,而图片的分辨率越高,只代表了图片的尺寸越大,并不能说明图片越清晰。
  
刨除其它因素,1300万像素摄像头和800万像素摄像头所拍的图片,在电脑屏幕上呈现的只是尺寸不同,而清晰度几乎是没有区别的。
  
不同的是,手机上查看图片时,屏幕一般会将两张图片缩放至同一尺寸,此时1300万像素摄像头所拍图片会拥有更高的像素密度(每英寸屏幕所拥有的像素数),理论上来讲,清晰度更高、画面细节更丰富。
  
但是当前主流的手机屏幕为1080p级别(1920×1080像素),无论是1300万像素相机所得的4208×3120像素照片,还是800万像素摄像头的3200×2400像素照片,都超出了1080p屏的解读范围,最终都会以1920×1080像素显示,所以肉眼所看到的清晰度也是没有区别的。
 
那么高像素的优势在哪里呢?
  
如前文所言,更高像素的相机所拍图片的尺寸更大,假如我们想把样张打印出来,以常规的300像素/英寸的打印标准来计算,1300万像素相机所拍的4208×3120像素样张,可打印17英寸照片,而800万像素相机的3200×2400像素样张,打印超过13英寸的照片就开始模糊了。很显然1300万像素相机样张可打印的尺寸更大。
  
总之,像素不能决定照片质量,或者说像素并不是决定照片质量的唯一要素。在电脑、手机屏幕等主要查看路径上,1300万像素相机、800万像素相或者更高的1600万像素、2070万像素所拍照片的清晰度表现都是没有区别的。
  
所以,如果你对手机拍照的需求仅限于日常记录和分享,那么市面上配备800万像素、1300万像素摄像头的主流千元手机,就能完全满足你对照片清晰度的要求,而不必跟风追求更高的像素数。
  
但如果你对图片有特殊需求,比如说冲印或后期裁剪作图,那么笔者就向你推荐Lumia 1020这款手机。

 Lumia 1020镜头特写

Lumia 1020是目前摄像头规格最高的手机,它的感光元件拥有4100万像素成像能力,裁剪成我们常见的方形图片后,在4:3画幅时最大可生成3800万像素的照片,而在16:9画幅时则可生成3400万像素的照片。

其中,3800万像素的图片,在72像素/英寸的分辨率下,成像尺寸相当于将近70个15英寸显示屏的面积的总和,也就是如果你觉得你照的还OK,你可以把它冲印成巨型海报都行,这使得Lumia 1020在细节表现力上对普通手机有着近乎碾压式的优势。

传感器最关键
  
既然像素不是决定图片质量的关键因素,那么谁才是呢?答案是传感器。
  
我们知道,在数码相机还未兴起的时候,传统相机都使用“胶卷”作为其记录信息的载体,而数码相机的传感器就等同于“胶卷”。传感器是相机最重要的组成部分,也是最关键的技术。
  
相机传感器主要分两种,CCD和CMOS。CCD传感器虽然成像质量好,但是成本较高,并不适用于手机,而CMOS传感器凭借着较低的功耗和价格以及优异的影像品质,在手机领域应用最为广泛。

CMOS传感器又分为背照式和堆栈式两种,二者系出同门,技术最早都由索尼研发,索尼背照式传感器品牌名为“Exmor R”,堆栈式传感器为“Exmor RS”。
  
相对来说,传感器尺寸越大,感光性能越好,捕捉的光子(图形信号)越多,信噪比越低,成像效果自然也越出色,然而更大的传感器却会导致手机的体积、重量、成本增加。

背照式传感器的出现,有效的解决了这个问题,在相同尺寸下,它使传感器感光能力提升了100%,有效地改善了在弱光环境下的成像质量。所以,之前在选购拍照手机时,用户都会首先考虑摄像头是否应用了Exmor R背照式传感器。

2012年8月,索尼发布了全新堆栈式传感器(Exmor RS CMOS),需要注意的是,它和背照式传感器并非演进关系,而是并列关系,堆栈式传感器的主要优势是在像素数保持不变的情况下,让传感器尺寸变得更小,也可以理解为,在与背照式传感器的像素数相同时,堆栈式传感器的尺寸会更小,从而节省了空间,让手机变得更薄、更轻。

相比而言,背照式传感器的优势在于,在与堆栈式传感器的像素数相同时,虽然传感器尺寸更大一些,但单个像素点面积(单个感光面积)也会更大,从而使感光性能提升,自然暗光拍摄效果也就更好,整体成像效果更出色。
  
所以,两者各有特色、各有优劣,不能简单加以好坏之分,关键还要看厂商在传感器尺寸和感光能力上如何取舍。
  
从传感器而言,笔者向大家推荐的手机是索尼最新旗舰机型--Xperia Z2,俗话说近水楼台先得月,该机独占了索尼最先进的1/2.3英寸大型Exmor RS堆栈式传感器(目前尺寸最大的堆栈式传感器),像素数高达2070万,并配备索尼单反相机专用G镜头。

其优势是善于捕捉场景光线,充分利用相机镜头的强大功能拍出超高解析度的图像,并拥有更高的感光度、减少噪声,确保图像平滑清晰,以更高的逼真度再现拍摄细节。

镜头:多多益善
  
镜头是将拍摄景物在传感器上成像的器件,相当于相机的“眼睛”,通常由由几片透镜组成,光线信号通过时,镜片们会层层过滤杂光(红外线等),所以,镜头片数越多,成像就越真实。

从材质上看,镜头可分为塑胶透镜(Plastic)和玻璃透镜(Glass),玻璃透镜透光性以及成像质量要更好,但成本也更高,所以手机镜头大多由塑料镜片组成。
  
假若镜头由5层塑料镜片组成,我们就称其为5P(Plastic)镜头,而如果镜头由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。不过由于行业对此缺乏统一的认知标准,通常会把5P镜头理解为由5层镜片组成的镜头,即使是4P1G镜头也会将其称为5P镜头。
  
目前市面上的手机大多采用5P或6P镜头,例如小米3就采用了5P镜头(4层塑料镜片+1层蓝光玻璃镜片),而小可乐则采用了更高级的6P镜头(5层塑料镜片+1层蓝光玻璃镜片),理论上来讲,小可乐的镜头成像更真实。

光圈:还是大了好
  
除了过滤杂光外,镜头还决定了一个非常重要的相机参数,光圈。
  
光圈由镜头中几片极薄的金属片组成,可以通过改变光圈孔的大小控制进入镜头到达传感器的光线量。光圈的值通常用f/2.2、f/2.4来表示,数字越小,光圈就越大,两者成反比例关系。
     
光圈演示图

它的工作原理是,光圈开得越大,通过镜头到达传感器的光线就越多,成像画面就越明亮,反之画面就越暗。因此,在夜拍或暗光环境下,大光圈的成像优势就更明显。
  
除了控制通光量,光圈还具有控制景深的功能。生活中,我们时常会看到背景虚化效果很强的照片,不仅突出了拍摄焦点,还具有很唯美的艺术感,而这就是所谓的景深。光圈开的越大,景深越小,背景虚化效果就更明显。

所以,我们在选购拍照手机时,应该优先选择光圈更大的产品。
  
目前市场上的手机大多采用了f2.4、f/2.2或f2.0大光圈,而联想VIBE Z的光圈则达到了f1.8,是现今光圈最大的手机。

联想VIBE Z拥有前后双摄像头,其前置摄像头为500万像素,而后置摄像头达到了1300万像素(带有双LED闪光灯),并采用IMX135索尼新一代堆栈式传感器,拥有F1.8超大光圈,相比F2.2光圈镜头进光量增加了49%,可以为用户带来更好的弱光成像表现。

ISP芯片是“大脑”
  
在说ISP(Image Signal Processing 中文译为“图形信号处理”)之前,我们先来了解一下手机的拍照过程。按动快门后,光线从镜头进入,到达传感器,传感器负责采集、记录光线,并把它转换成电流信号,然后交由ISP图形信号处理器(以下简称ISP芯片)进行处理,最后由手机处理器处理储存。
  
所以,ISP芯片是拍照过程中的运算处理单元,其地位相当于相机的“大脑”。
  
ISP芯片的作用就是对传感器输入的信号进行运算处理,最终得出经过线性纠正、噪点去除、坏点修补、颜色插值、白平衡校正、曝光校正等处理后的结果。ISP芯片能够在很大程度上决定手机相机最终的成像质量,通常它对图像质量的改善空间可达10%-15%。
  
ISP芯片分为集成和独立两种,独立ISP芯片处理能力优于集成ISP芯片,但成本更高。

一、集成ISP芯片
  
当前的手机大多采用处理器附带的集成ISP芯片,也就是ISP芯片集成在手机的处理器里。目前高通骁龙系列、英伟达Tegra系列处理器内部都集成有ISP芯片。例如索尼xperia Z2、OPPOFind5就是采用了高通处理器附带的集成ISP芯片。

集成ISP芯片的高通骁龙处理器

采用处理器配套的集成iSP芯片优势是降低了手机的研发和生产成本,但缺点是:
1、优秀的处理器厂商并不一定擅长开发ISP芯片,其成像质量不如独立ISP芯片;
2、无法保证与所选用的传感器契合,两者如果配合不好,对成像质量是有负作用的,这就限制了手机对传感器的选择;
3、当前相同价段的手机大多采用相同的处理器,相同的处理器就意味着相同的ISP方案,这就导致严重的同质化现象。
  
不过这其中也有一个特例,那就是iPhone,众所周知,iPhone搭载的是自家的苹果处理器,所以,尽管iPhone采用了集成ISP芯片,但以上缺点却是不存在的。
  
二、独立ISP芯片
 
独立ISP芯片是独立于处理器而存在的,虽然成本较高,但优势也是比较明显的。除了运算能力、成像质量更优秀外,一般的独立ISP芯片都是手机商向ISP提供商定制的,所以与相机其他组件的契合度更佳,成像也有属于自己的风格、特色。

目前富士通是主要的独立ISP芯片提供商,三星GALAXY S4就是采用了富士通的独立ISP芯片。

软件算法很重要
  
除了ISP芯片处理外,软件算法同样对手机成像效果起到至关重要的作用。
  
ISP芯片对传感器输入的电流信号进行处理后,首先会生成未经加工的原始图像,而软件算法就好比对原始图像在内部进行了一番“PS”,优化图像的色彩、色调、对比度、噪点等,最后生成我们所看到的jpg格式图片。
  
当然,由于每个人的PS技术和风格都不一样,所以即便是同一张照片,每个人最终也都会P成不同的风格。同理,每部手机的软件算法不同,最终的成像效果和风格也是不一样的,比如vivo手机通常会提升对比度,而iPhone则追求自然的效果。
  
最重要的是,如果软件算法优秀,就可以把图片优化的很漂亮。
  
我们都知道iPhone 5s的相机配置并不高,像素仅为800万,背照式传感器和自家集成ISP芯片在技术上虽然很优秀,但也绝不是顶尖级别,那么为何iPhone 5s的整体成像素质是最优秀的呢?这除了iPhone 5s的单个像素面积高达1.5微米外,主要归功于iPhone 5s的软件算法比较优秀。

闪光灯哪个好?
  
闪光灯是增加相机曝光量的方式之一,在暗光环境下会打亮周围景物,从而弥补光线不足,提升画面亮度。另外,在光线复杂的环境下,利用闪光灯可以去除杂光,使照片的色彩还原更为真实。

目前应用于手机的闪光灯主要有两种,LED补光灯和氙气闪光灯。

LED补光灯成本低廉、补光效果明显,在手机中的应用最为广泛,有些手机甚至还配备了双LED补光灯。普通的双LED补光灯除了使亮度增加外,跟单个LED补光灯没有实质性的区别,而iPhone 5s的双True Tone闪光灯则有很大不同。
  
iPhone 5S的双True Tone LED补光灯并不仅是为了提供更多的光线,更重要的是为了提供更准确的光线颜色。白色LED补光灯通常只会模仿阳光的颜色来提供光线,往往导致画面偏蓝、偏冷等色彩失实的问题,而iPhone 5s在白色补光灯下又增加了一枚琥珀色闪光灯,两者分别提供不同色温的光线,从而使光线达到平衡,混合后便获得跟拍摄场景吻合的理想画面色彩。

 iPhone 5S采用双True Tone LED补光灯

氙气闪光灯是一种含有氙气的新型闪光灯,它可发出非常接近太阳光的光线,不过由于其成本较高,在手机中的应用率较低,诺基亚Lumia 1020就是采用了氙气闪光灯。
      
总结:
  
写到这里,决定手机成像质量的主要摄像头组件就大致介绍完毕了,相信耐心开完本文的朋友会对手机拍照方面的知识有一个更加清晰、深刻的理解,也希望大家此后在选购拍照手机时,能够正确认识厂商所宣传的卖点,比如像素并不代表一切。
 

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