硬核科普,手机拍照“国产品牌”是如何坐上头把交椅的?

贾斯丁·笔伯 发表于: 04-09 15:05:57
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论拍照,华为凭什么登顶安卓阵营?

随着科技的进步,手机相机从最初的30w像素,进化到了现在的1200w、4800w、6400w甚至是1亿像素。


现在的手机最大的卖点似乎已经变成了相机,连千元机都开始凑热闹,纷纷用起了6400w像素的相机,不然总感觉落后的不行。


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参数美丽,实际体验就好了吗?


同样采用IMX380的魅族15,表现就比魅族16系列,华为Mate20系列差的多。为什么同样的参数,拍照体验却天差地别,难道我们都被“虚假宣传”骗了吗?


凭什么华为稳坐手机拍照第一名,参数之外还有什么呢?


image※来自华为官网的P40 Pro 10X长焦镜头拆解示意图


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不同于表象,智能手机的相机模组实际是由 主板(CPB)+CMOS(SENSOR)+固定器(HOLDER)和镜头(LENS)组成。上图是CMOS实物图,我们常说的1200w像素,实际上就是CMOS的分辨率。

(图片源自网络)

数码圈常说的IMX363、IMX586、IMX600实际上是CMOS的型号名称



image镜头分解示意图(图片源自网络)


一个相机镜头,往往是由多片镜片组成的(镜片分树脂玻璃两种材质,玻璃光学性能通常更好)。镜片越多,对于光线的聚焦能力越强,成像的对比度就越高。5P镜头就能满足日常使用需求,iPhone系列很早已经用上了6P镜头。


但是也不是越多越好,通常取一个平衡的数量。由于镜片都是机器打磨,不同组合的镜片形状不同,所以会出现公差的问题。公差会带来光轴偏移,镜片数量越多,问题越严重,对厂商的品控、优化能力要求极高。

image大底大光圈虚化效果强劲,进光量更足,画面亮度更高。但是如果镜片品质控制不好,就会出现严重的边缘劣化和畸变情况。(图片源自网络)


但是普通消费者对这些细节问题感知不强,而这些细节恰恰是手机成本大头来源,所以性价比越高的手机,通常品控和选料也会相应的放低。这些细节决定了一款手机的做工水平。


CMOS就等于人的眼睛。CMOS越大,能够“”看到“”的东西也就越多,画面就越,也就是我们常说的“底大一级压死人”。但是由于手机的空间限制,超过9mm的手机都非常厚了,所以手机拍照在先天上就是不如相机的。


旗舰手机在镜片、CMOS成本都充足的情况下,P20 Pro是如何将三星、苹果打个措手不及?

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豪赌一把,RYYB来了


上图是目前手机CMOS的两种主流排列方式,两者之间在原理上相近,但是一个方案偏激,一个方案更加保守。


image最主流的RGGB(iPhone、三星、OV、小米)拜耳阵列


相信大家对“柯达影像”这个公司并不陌生。RGGB的拜耳阵列,就是柯达影像的影像科学家Bryce Bayer发明的。他根据人眼的构造,发现了人类眼睛对于红绿蓝三原色中的绿色敏感度最高,设计了CMOS上分覆盖的1红色2绿色1蓝色滤镜的拜耳阵列。该阵列可以将CMOS收集到的灰度信号转化为彩色信息,从而使得相机成像效果最接近人眼所观测到的颜色。


拜耳阵列的工作原理


由于CMOS本身只能收集到“强度”不同的电信号,原始图像是黑白的。为了让相机最终能输出彩色的信息,就要通过CMOS上方覆盖的三原色滤镜来过滤不要的颜色,留下需要的色彩


在镜片过滤掉会影响成像效果的红外光紫外光,只留下我们需要的可见光谱。在2x2的像素网格中,除了红色、绿色、蓝色以外的颜色会被过滤掉


image由于透明的物体,只允许和自己颜色一致的光线通过,所以不同颜色的滤光片,可以过滤掉其他颜色,只留下红绿蓝三色的光线。而CMOS可以根据滤光片的位置,将收集到的不同强度的电信号转化,从而得到我们看到的彩色画面


(不懂为什么红色滤光片只能通过红色的朋友,你的初中物理需要重新学习)


拜耳阵列的缺陷


由于CMOS面积有限,进来的光线本来就很少(这也是为什么夜间拍摄画面亮度暗的原因),一个2X2的像素点之间,红色只能收集红色光,绿色只能收集绿色光,而其他颜色的光线就全部被损失掉了。就会折损掉一定的光线强度


那么,为什么是红蓝绿的光学三原色呢?(色彩三原色是另一个概念)


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因为不同比例的颜色相加,能够得出不同的色彩


image独一无二”的RYYB排列(华为)


拍照的时候,光线一暗,我们就拍不清楚画面。2016年,三星S6正式开启了“夜视仪”时代,三星旗舰手机在夜间拍照中风头一时无两,甚至能够在极度黑暗的情况下拍到肉眼看不见的画面。


2018年,华为和索尼联合研发的IMX600 CMOS上市,在4000w像素,1/1.7英寸,1.0um单位像素的基础上,豪赌了一把,用了谁也想不到的RYYB阵列。同年P20 Pro横空出世,宣告着外国厂商“垄断”手机拍照排名时代的结束。

image底大一级压死人?那我就比你大两级(图片源自网络)


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和RGGB相比,RYYB在2X2像素上分布的是2黄色、1红色、1蓝色,直接替换掉了绿色。RYYB的黄色像素点上可以同时通过绿色、红色两种光线。而滤光片上的红色,其实是洋红,能够通过红色、蓝色两种光线,蓝色是青色,能够通过绿色和蓝色。


此举让RYYB在进光量上比RGGB提升近40%。让P20 Pro的极限ISO达到了iPhone XS Max的64倍。


大底、高像素、高进光量直接让华为坐稳手机拍照头把交椅,很长一段时间都没有被友商打破。


RYYB的优点,同时也是自己最大的缺陷


RYYB保留了红光和蓝光,用黄光替换了绿光,进光量的确是激增。但是最终CMOS合成彩色画面,还是需要红蓝绿三色,所以只能通过算法在机内运算,“猜出”原本的绿色。此举对ISP算力要求极高,并且算法也不是容易解决的问题,一不小心就会翻车。


为了避免侵权,我们用简单的图示来模拟下色偏。

image随着时间的推进,RYYB的色彩算法已经日趋成熟,IMX600超前的硬件构想,在过去2年后仍然没有被完全超越。


虽然RYYB带来了全新的构思,但是其复杂的算法和高昂的定制费用,注定了其不会变成业界主流。


2020年,“把IMX600交给其他厂家,他们能做的更好”这句话仍然没有应验,或许跟风能让你成为业界一流,但是永远无法成为世界顶尖。




  • 注:文中未标示的内容,未获授权请勿转载。





编辑于 2020-04-09 15:45:47

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ZXCVoo
沙发
虽然不在意摄像头的参数,看也看不懂,但是码这么多字也不容易,给个赞
04-09 15:09
来自 威锋网页版
frankbaijia
板凳

学习了

04-09 15:20
来自 iPhone 6 Plus
bigmessi
地板

华为拍照确实牛一些

04-09 15:28
来自 iPhone 11 Pro Max
bryantyanco
4 楼

一个姑娘胸很大,长得很漂亮!但不能生育!这就是现在手机的发展潜力!

04-09 15:31
来自 iPhone 11
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小丁12345
5 楼

因为都是国外的技术

04-09 15:46
来自 iPhone 11 Pro Max
kelude008
6 楼
继续舔
04-09 15:52
来自 威锋网页版
xiaoyao20080116
7 楼

牺牲了原色,就为增大暗光拍摄能力,值吗?大部分人暗光时使用相机的概率有多少呢?靠所谓强大的算法猜绿色,即便如此还是达不到真实颜色,再通过算法(美颜)来优化照片,搞得色调要么过曝惨白要么浓的过分,美其名曰“讨喜”,真是恶心坏了。。个人认为自带相机就应该真实可靠,因为美化效果可以通过各种APP来实现。iphone可以通过软件处理做到“讨喜”,华为可以通过处理做到“真实”吗😳

04-09 15:59
来自 iPhone 11
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weijian_chen
8 楼
嗯不错
04-09 16:13
来自 威锋网页版
zxy51320
9 楼
引用 @xiaoyao20080116 的回复

牺牲了原色,就为增大暗光拍摄能力,值吗?大部分人暗光时使用相机的概率有多少呢?靠所谓强大的算法猜绿色,即便如此还是达不到真实颜色,再通过算法(美颜)来优化照片,搞得色调要么过曝惨白要么浓的过分,美其名曰“讨喜”,真是恶心坏了。。个人认为自带相机就应该真实可靠,因为美化效果可以通过各种APP来实现。iphone可以通过软件处理做到“讨喜”,华为可以通过处理做到“真实”吗😳

田忌赛马也不失为一种好的策略啊,国产机怎么说也算做出一点成绩了
04-09 16:42
来自 威锋网页版
手机锋友tf3maj9
10 楼

虽然华为的色彩光感强一些,但真的很失真,跟苹果手机拍出的原色的立体感完全不同。华为拍出的及如同平面,苹果更立体更真实。

04-09 17:40
来自 iPhone 11