如今，相機(jī)已經(jīng)成為智能手機(jī)上最為重要的硬件組成之一，對(duì)于大多數(shù)消費(fèi)者而言，相機(jī)的成像水平也成為了選購(gòu)智能手機(jī)時(shí)考慮的主要因素之一。特別是近兩年，在行業(yè)普遍缺乏創(chuàng)新的情況下，智能手機(jī)的相機(jī)進(jìn)化愈發(fā)成為不少廠商在營(yíng)銷上的著力點(diǎn)。今天，小編帶你扒一扒手機(jī)攝像頭背后的那些事兒。

手機(jī)攝像頭組成結(jié)構(gòu)

手機(jī)攝像頭主要由以下幾個(gè)部分組成：PCB板、傳感器、數(shù)字信號(hào)處理芯片，鏡頭等。

PCB板

PCB板又分為硬板，軟板，軟硬結(jié)合板三種(如下圖)，CMOS可用任何一種板，但CCD的話就只能用軟硬結(jié)合板。這三種板中軟硬結(jié)合板價(jià)格最高，而硬板價(jià)格最低。

鏡頭

鏡頭是僅次于CMOS芯片影響畫質(zhì)的第二要素，其組成是透鏡結(jié)構(gòu)，由幾片透鏡組成，一般可分為塑膠透鏡(plastic)或玻璃透鏡(glass)。當(dāng)然，所謂塑膠透鏡也非純粹塑料，而是樹脂鏡片，當(dāng)然其透光率感光性之類的光學(xué)指標(biāo)是比不上鍍膜鏡片的。

通常攝像頭用的鏡頭構(gòu)造有：1P、2P、1G1P、1G2P、2G2P、2G3P、4G、5G等。透鏡越多，成本越高，相對(duì)成像效果會(huì)更出色。

鏡頭由透鏡、濾光裝置、鏡筒三部分組成，鏡頭參數(shù)有三個(gè)，即焦距f′、相對(duì)孔徑D/f′和視場(chǎng)角2ω。

DSP(數(shù)字信號(hào)處理芯片)

它的功能是通過一系列復(fù)雜的數(shù)學(xué)算法運(yùn)算，對(duì)數(shù)字圖像信號(hào)進(jìn)行優(yōu)化處理，最后把處理后的信號(hào)傳到顯示器上。

DSP結(jié)構(gòu)框架：(1). ISP(鏡像信號(hào)處理器);(2). JPEG encoder(JPEG圖像解碼器)。

ISP的性能強(qiáng)大是決定影像流暢的關(guān)鍵，JPEG encoder的性能也是關(guān)鍵指標(biāo)之一。而JPEG encoder又分為硬件JPEG壓縮方式，和軟件RGB壓縮方式。

DSP控制芯片的作用是：將感光芯片獲取的數(shù)據(jù)及時(shí)快速地傳到baseband中并刷新感光芯片，因此控制芯片的好壞，直接決定畫面品質(zhì)(比如色彩飽和度、清晰度)與流暢度。

上面所說(shuō)的DSP是CCD中會(huì)使用，是因?yàn)椋贑MOS傳感器的攝像頭中，其DSP芯片已經(jīng)集成到CMOS中，從外觀上來(lái)看，它們就是一個(gè)整體。

圖像傳感器

在攝像頭的主要組件中，最重要的就是圖像傳感器了，因?yàn)楦泄馄骷?duì)成像質(zhì)量的重要性不言而喻。

傳感器將從鏡頭上傳導(dǎo)過來(lái)的光線轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再通過內(nèi)部的DA轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。由于傳感器的每個(gè)pixel只能感光R光或者B光或者G光，因此每個(gè)像素此時(shí)存貯的是單色的，我們稱之為RAW DATA數(shù)據(jù)。要想將每個(gè)像素的RAW DATA數(shù)據(jù)還原成三基色，就需要信號(hào)處理器ISP來(lái)處理。

圖像傳感器是起感光記錄作用的元件，和膠卷類似。有CMOS和CCD兩種類型 CCD又叫電荷轉(zhuǎn)移器件，光電二極管排成一列叫一維型直線式傳感器，光電二極管行排列叫二維型面積式圖像傳感器。

CCD由光電二極管感光部件、ccd轉(zhuǎn)移部件和電荷放大器件組成，當(dāng)光照射時(shí)，光子激發(fā)電荷，電荷產(chǎn)生堆積，感光部件與轉(zhuǎn)移部件之間加上柵電壓，堆積的電荷在柵電壓的作用下，開始定向移動(dòng)至轉(zhuǎn)移部件，經(jīng)放大輸出，這些輸出的電荷信號(hào)帶有圖像信息。

CMOS圖像傳感器由金屬氧化物半導(dǎo)體集合而成，每一個(gè)像素可以集成多種器件，比如放大器，A/D轉(zhuǎn)換器等。

圖像傳感器的發(fā)展趨勢(shì)是高敏感化、高分辨率、省電、低壓工作等高性能方向發(fā)展。

手機(jī)攝像頭的成像原理

物方光線進(jìn)入系統(tǒng)，經(jīng)過鏡頭，到達(dá)圖像傳感器，光子打到傳感器上產(chǎn)生可移動(dòng)電荷，這是內(nèi)光電效應(yīng)，可移動(dòng)電荷匯集形成電信號(hào)，由于處理器無(wú)法識(shí)別電荷信號(hào)，需要把電信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，對(duì)于圖像傳感器是cmos的系統(tǒng)不需要外加模數(shù)轉(zhuǎn)換器，而對(duì)于以ccd作為圖像傳感器的系統(tǒng)需要A/D轉(zhuǎn)換器，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器件，電荷信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)經(jīng)過放大電路進(jìn)入微處理器，數(shù)字信號(hào)經(jīng)過DSP數(shù)字信號(hào)處理芯片經(jīng)過存儲(chǔ)處理后，傳輸?shù)狡聊恍纬珊臀镆粯拥膱D像。

手機(jī)可以取代傳統(tǒng)相機(jī)嗎?

可以這樣說(shuō)，作為記錄的話，我們大部分人其實(shí)都不再需要單反了。作為普通人，我們?nèi)粘Ｉ钪袑?shí)用相機(jī)的時(shí)候無(wú)非是想記錄當(dāng)下。路過的一處風(fēng)景，三五知己的留念，一餐豐盛的早餐，都能激發(fā)起我們記錄下來(lái)的沖動(dòng)。但是，現(xiàn)在手機(jī)已經(jīng)能完美的做到這些了，而大部份人也是這樣做的。

從攝影的角度看，要做到很好的記錄以上的場(chǎng)景其實(shí)并不需要很好的攝影裝備，因?yàn)橹皇菫榱诉_(dá)到記錄的需求，所以對(duì)于光線，鏡頭素質(zhì)，相機(jī)的性能要求不高，現(xiàn)在的手機(jī)攝影的功能已經(jīng)很強(qiáng)大，在光線條件好的情況下拍出的照片絲毫不比專業(yè)相機(jī)差。

但是，受制感光元件的大小，從某種意義上說(shuō)，近幾年手機(jī)攝像頭的素質(zhì)并沒有質(zhì)的提升。論成像效果，手機(jī)永遠(yuǎn)比不了單反。

目前手機(jī)的感光元件最大的也止步1英寸。而在相機(jī)領(lǐng)域，如今全畫幅已成購(gòu)買相機(jī)的基本門檻。這之間的差距巨大，從畫質(zhì)上來(lái)說(shuō)，手機(jī)沒有趕上和超越的可能。但手機(jī)飛速進(jìn)步的成像技術(shù)與算法讓手機(jī)拍照有了質(zhì)的變化。

拼不過畫質(zhì)拼算法

近年來(lái)，有一項(xiàng)技術(shù)越來(lái)越受到手機(jī)廠商的重視，那就是HDR，High-Dynamic Range高動(dòng)態(tài)范圍。

HDR肯定不是什么新鮮技術(shù)，不過如今手機(jī)中的HDR技術(shù)與過去的“欠曝、正常、過曝”所得的HDR照片可以說(shuō)完全不同。

最近發(fā)布的兩款新機(jī)便向我們展示了手機(jī)中具有代表性的HDR新技術(shù)，即蘋果iPhone Xs的SmartHDR和谷歌Pixel手機(jī)的HDR+。

Smart HDR

蘋果一直被嘲炒冷飯、擠牙膏式的創(chuàng)新，不過在相機(jī)算法方面，蘋果毋庸置疑的處于領(lǐng)先地位，它在拍照方面升級(jí)的Smart HDR新技術(shù)非常值得關(guān)注。Smart HDR拼的不僅僅是速度，更是AI，即神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算能力。

蘋果的A12芯片主要由CPU、GPU和一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)處理器NeuralEngin構(gòu)成，Smart HDR便是利用了NeuralEngine結(jié)合GPU的計(jì)算，并非過去簡(jiǎn)單的手機(jī)拍照處理器或者ISP。

iPhone的Smart HDR功能在按下快門時(shí)相機(jī)會(huì)自動(dòng)拍下4張照片，并選取最好的一張，蘋果稱其為零快門延時(shí)(Zero shutter lag)技術(shù)。

不光如此，在幀之間還拍攝了它們的復(fù)制幀，稱為幀間(interframe)，有著不同的曝光級(jí)別，以保留高光細(xì)節(jié)。

以及另外一幀長(zhǎng)曝光來(lái)捕捉更多暗部細(xì)節(jié)。

最后NeuralEngine會(huì)從中挑選最佳的4張照片合在一起，低曝光的“幀間”照片和長(zhǎng)曝光的暗部細(xì)節(jié)，都意味著最終能夠更好地避免明亮區(qū)域的溢出、過曝情況。

這些所有背后的操作，都是在極高速下實(shí)現(xiàn)的，蘋果說(shuō)每拍攝一次可以運(yùn)行1萬(wàn)億次，這并非夸張，因?yàn)樵谙鄼C(jī)實(shí)時(shí)取景過程中，Smart HDR就已經(jīng)在開始運(yùn)算了，但對(duì)此我們?cè)谑褂脮r(shí)可能并不會(huì)有任何感知。

HDR+

有別于傳統(tǒng)的HDR技術(shù)，HDR+采用了多張曝光時(shí)間相同的欠曝圖片進(jìn)行合成，并不單單是傳統(tǒng)的機(jī)內(nèi)jepg堆棧技術(shù)，而是先采集RAW堆棧再壓縮為jpeg的路徑，從而明顯提升細(xì)節(jié)動(dòng)態(tài)范圍。

實(shí)際上，在你按下快門的前一刻，相機(jī)就已經(jīng)提前拍攝了很多照片，當(dāng)你按下快門后，算法會(huì)從已拍攝圖片中篩選出質(zhì)量最好的。

那為什么單反相機(jī)就不能連續(xù)拍攝10張來(lái)自動(dòng)合成超級(jí)HDR照片?這除了跟圖像處理器性能有關(guān)之外，還因?yàn)樗褪謾C(jī)拍攝的出發(fā)點(diǎn)原本就是不一樣的。

一些單反相機(jī)也開始加入自動(dòng)HDR模式，但也與手機(jī)HDR合成不同，手機(jī)主打的就是按一下快門，就不必做其他處理，處理步驟讓芯片去執(zhí)行就好。但如果是使用單反去拍攝HDR風(fēng)光照片的人，不會(huì)僅僅依賴機(jī)內(nèi)堆棧合成，而往往是包圍曝光，然后在后期處理時(shí)拼接合成，類似于一種更精確的手工處理。

另外一點(diǎn)，相機(jī)的追求的更多是操控體驗(yàn)、攝影真實(shí)記錄以及更純粹的攝影體驗(yàn)，過多智能的東西加入，只會(huì)讓攝影的體驗(yàn)會(huì)更差。這是兩種不同的方向。

手機(jī)“雙攝”技術(shù)

現(xiàn)在，似乎人人都在討論“雙攝”。手機(jī)發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)就是輕薄化，7mm逐漸成為手機(jī)薄厚的一個(gè)標(biāo)桿和分水嶺。要想在如此輕薄的手機(jī)上追求更高的成像質(zhì)量，即使有前面提到的技術(shù)加持，而受制于傳感器尺寸和鏡頭素質(zhì)(這兩項(xiàng)直接決定了手機(jī)的成像質(zhì)量)，即使單攝像頭參數(shù)很好，也依然會(huì)有高感表現(xiàn)差、背景虛化不到位、特寫不足等等問題。

這時(shí)候，在一顆攝像頭的基礎(chǔ)上再加入一顆，以此來(lái)提高手機(jī)整體拍照質(zhì)量便成了新的突破口。

其實(shí)雙攝像頭的理論基礎(chǔ)就是把原本要求縱向空間的光學(xué)體系，在橫向空間的平面上鋪展開來(lái)。這樣即達(dá)到了成像水平，也不會(huì)使攝像頭突出影響手機(jī)整體的美觀。

目前，主流雙攝像頭的功能主要可以分為兩大類：

1、利用雙攝像頭產(chǎn)生立體視覺，獲得影像的景深，利用景深信息進(jìn)行背景虛化，3D掃描，輔助對(duì)焦，動(dòng)作識(shí)別等應(yīng)用;

2、利用左右兩張不同的圖片信息進(jìn)行融合，以期望得到更高的分辨率，更好的色彩，動(dòng)態(tài)范圍等更好的圖像質(zhì)量或?qū)崿F(xiàn)光學(xué)變焦。這兩大類大致可以分為4點(diǎn)：1、通過雙攝測(cè)距，可以進(jìn)行距離相關(guān)的應(yīng)用，這方面目前應(yīng)用最廣泛的就是背景虛化;2、光學(xué)變焦;3、暗光增強(qiáng);4、3D拍攝及建模。

雙攝像頭的工作原理

雖然都是兩顆攝像頭，但是不同的手機(jī)，主攝像頭和副攝像頭的工作原理卻有很大的不同。目前，雙攝手機(jī)工作原理主要有以下幾種：

1、彩色+彩色攝像頭(RGB+RGB)，優(yōu)勢(shì)在于可以計(jì)算景深，從而實(shí)現(xiàn)背景虛化和重新對(duì)焦(即先拍照后對(duì)焦);

2、彩色+黑白相機(jī)(RGB+Mono)，優(yōu)勢(shì)在于可以提升暗光或夜晚手機(jī)成像質(zhì)量;

3、廣角+長(zhǎng)焦鏡頭(Wide+Tele)，這個(gè)組合最大優(yōu)勢(shì)在于可以實(shí)現(xiàn)光學(xué)變焦(目前大多數(shù)主流手機(jī)廠商采用的雙攝原理);

4、彩色+深度相機(jī)(RGB+Depth)，可以實(shí)現(xiàn)三圍重建等。前面提到的雙攝的功能就是通過這四種組合實(shí)現(xiàn)的。

四種中，彩色+黑白相機(jī)(RGB+Mono)和廣角+長(zhǎng)焦鏡頭(Wide+Tele)兩種應(yīng)用的最廣泛，兩種雙攝的代表分別是華為P9/10系列、Mate 9系列和iPhone 7 Plus、OPPO R11系列以及小米6等。

前面提到，廣角+長(zhǎng)焦鏡頭組合帶來(lái)的最大優(yōu)勢(shì)就是可以在手機(jī)上實(shí)現(xiàn)光學(xué)變焦。光學(xué)變焦(Optical Zoom)其實(shí)是相機(jī)上的一個(gè)名詞，它是通過改變光學(xué)鏡片組結(jié)構(gòu)來(lái)改變鏡頭焦距，從而實(shí)現(xiàn)變焦。但是鏡片組結(jié)構(gòu)復(fù)雜，整體尺寸無(wú)法安置于手機(jī)中。而此前的手機(jī)如果想要放大圖片，方法是后期對(duì)圖片進(jìn)行裁切然后將一部分放大，這樣做的后果是圖片內(nèi)的每個(gè)像素面積就會(huì)增大，圖像的畫質(zhì)就會(huì)被嚴(yán)重壓縮。而廣角+長(zhǎng)焦雙攝則解決了這一難題，在手機(jī)中實(shí)現(xiàn)了光學(xué)變焦。

廣角+長(zhǎng)焦雙攝的光學(xué)變焦在于左右攝像頭擁有不同的可視角，這樣兩個(gè)攝像頭就會(huì)有不同的取景范圍。當(dāng)想要拍攝廣角照片時(shí)，可以使用左攝像頭取景。如果想要長(zhǎng)焦照片，則用右攝像頭取景，獲得長(zhǎng)焦效果。通俗點(diǎn)說(shuō)即，廣角鏡頭取景更寬更廣，但是取不到遠(yuǎn)處物體;而長(zhǎng)焦鏡頭雖然取景比較窄，但是能“看”的更遠(yuǎn)。這樣，廣角和長(zhǎng)焦鏡頭組合搭配，在拍照時(shí)通過鏡頭切換和算法來(lái)實(shí)現(xiàn)比較平滑的變焦。

在這里可能很多人會(huì)有疑問，即為什么長(zhǎng)焦鏡頭像素會(huì)比平時(shí)主要使用的廣角鏡頭像素要高?這在于廣角鏡頭在變焦時(shí)會(huì)損失圖像信息，此時(shí)高像素的長(zhǎng)焦鏡頭就會(huì)進(jìn)行彌補(bǔ)，從而保證手機(jī)成像質(zhì)量并提高手機(jī)變焦性能。

此外，廣角+長(zhǎng)焦雙攝還會(huì)根據(jù)所拍攝的環(huán)境光線等決定使用哪一顆攝像頭進(jìn)行拍攝。簡(jiǎn)單說(shuō)，當(dāng)光線良好時(shí)，通常會(huì)使用副攝像頭，當(dāng)光線不佳時(shí)則會(huì)使用主攝像頭。這在于，主攝像頭擁有更好的性能，在弱光下在保證畫面亮度下還能很好的控制噪點(diǎn)，這也是為什么一般在采用廣角+長(zhǎng)焦雙攝方案的手機(jī)主鏡頭光圈都比副攝像頭光圈大的部分原因所在。

到這里，相信大家已經(jīng)對(duì)于雙攝以及廣角+長(zhǎng)焦雙攝的原理應(yīng)該有了一個(gè)大致的印象，在經(jīng)過了野蠻生長(zhǎng)后，回到最終的體驗(yàn)上，拼的依然是廠家自身的研發(fā)實(shí)力和技術(shù)積累。而雙攝特殊性在于它影響的是手機(jī)的拍照，而并不像2K屏幕或者全面屏等可有可無(wú)，因?yàn)楫?dāng)單攝像頭的創(chuàng)新無(wú)法再對(duì)手機(jī)成像有大的提升時(shí)，雙攝就會(huì)顯得至關(guān)重要，或者也可以說(shuō)雙攝是手機(jī)成像發(fā)展過程中所必須經(jīng)歷的一步。就目前的成像成像體驗(yàn)來(lái)說(shuō)，無(wú)論變焦還是虛化，都沒有令人失望。

對(duì)于手機(jī)拍照來(lái)說(shuō)，沒有什么是一顆攝像頭解決不了的，如果有，那就再來(lái)一顆吧。

審核編輯：劉清