手机相机的成像技术介绍

手机相机的成像技术介绍如今网络社交发展迅速，手机的拍摄功能越来越受消费者重视，每个人都有拿起手机记录精彩瞬间的实际需求，然而手机不是单反，无论是拍摄硬件还是软件，都不太可能做到非常专业的水平，在竞争激烈的市场中，为了让自己的产品脱颖而出，厂家也纷纷使出撒手锏，宣称自家手机的摄像如何先进。本文就从像素与清晰度、传感器、双摄像头、大光圈镜头、ISP、摄像头软件技术、闪光灯、镜片数量等方面介绍各厂家手机相机成像的最新技术发展状况。一、像素与清晰度摄像头像素是否越高越好？当然500万像素比200万、300万像素好，但1300万像素不一定比800万像素好。HTC支持“像素并非越高越好”这一观点。这家公司之前推出过1600万像素摄像头智能手机HTCTitanII。几年前该公司的旗舰智能手机HTCOne的摄像头像素仅为400万，HTC的解释是单纯拼像素的年代已经结束，于是HTC采用Ultrapixels（超像素）技术提升拍照质量，它的像素尺寸比传统像素尺寸大，可吸收更多光线。一个高质量500万像素摄像头的拍摄能力极有可能胜过一个劣质1200万像素摄像头。摄像头的拍摄效果优劣不是由像素的多寡来决定，而是由整个摄像头模块质量优劣决定。整个摄像头模块里包含多个部件，如镜头的尺寸和制作材料、光传感器、图像处理硬件以及软件等。另外图像传感器的尺寸也极度重要。一般说来越大的传感器像素就越大，而像素越大就能吸收更多光线，更多光线意味着更好的照片。数码照相机800万像素拍摄效果比同等像素智能手机拍摄效果好的原因就在于，数码相机摄像头拥有更大的传感器，可吸收更多光线。更多光线就意味着更少的噪点以及更好的动态范围。当手机像素集体从100万跳至200万像素时，就要缩小像素尺寸，在图像传感器保持不变的情况下放入更多像素。像素尺寸变小，导致光线更难进入传感器中的感光部分，最终导致图片分辨率提升不大，噪点反而更多了。像素数量和传感器物理尺寸之间的关系正是部分800万像素智能手机摄像头拍照效果超过1200、1300万甚至1600万像素的原因。智能手机追求纤薄也对传感器尺寸进行了限制。既然无法通过增加尺寸提高相片质量，那便只能采用增加像素的方式。PureView技术的核心部分就是将4100万像素的图像“浓缩”到500万像素的图像，这就是“超采样”过程，在实际过程中，每8个像素点会被整合成一个“超级像素点”。这也就意味着，同样条件下，同样强度的光线在进入镜头后会照射到比一般500万像素传感器所拥有的大得多的像素点上。二、传感器手机上面的传感器主要分为CMOS与CCD两种，其中CCD成像质量好，但是制造工艺复杂，能够生产的厂家也比较少，价格也相对来说比较高，并且功耗也很高，因此不适合在移动设备上使用。而CMOS传感器耗电低，但是画质水平比不上CCD，不过随着技术的提高，COMS的画质已经逐步赶上了CCD，另外，在相同分辨率下，CMOS价格比CCD便宜，所以目前市面上的手机摄像头都采用CMOS传感器。通常CMOS传感器又会分为：背照式CMOS传感器和堆栈式CMOS传感器。所谓背照式CMOS传感器其实是与传统正照式CMOS传感器相比的。简单来说就是将光电二极管和布线层进行对调（如上图），从而让光线首先进入感光电二极管，从而增大感光量，显著提高低光照条件下的拍摄效果。像我们所熟知的iPhone4/4S、小米2S、魅族MX2、索尼LT26i都是搭载的这类传感器。最先开始的为背照式传感器，其首先被应用在索尼公司的DV产品上面，通过改良传感器的结构，让光线先进入感光二极管，而传统的CMOS传感器的感光二极管被置于电路晶体管后方，这样的改进大大提高了开口率，提高了传感器的信噪比，为小尺寸传感器画质带来了飞跃式的进步。凭借iPhone4这款当初号称“再一次改变一切”的手机，背照式CMOS传感器开始在手机上面发扬光大，手机夜拍的实用性大大提高，而它的到来也为手机摄像头传感器掀开了新的篇章，毕竟各大手机厂商都喜欢拿每代一代新的iPhone做对比，甚至以“秒”iPhone为乐，催生了一批批采用背照式传感器的手机出现。而堆栈式CMOS传感器则是背照式CMOS传感器的衍生产物，它是目前手机摄像头中应用最广泛的一种，也是最先进的一种，属于索尼的独家技术，但最先是被应用在2013年OPPO的顶尖机型Find5上面，在拥有背照式传感器结构的基础上，把信号处理电路芯片放到后面去，做成堆栈式的设计，增大了传感器感光的面积，同时加入白色像素，进一步提高了信噪比。最新的第二代堆栈传感器已经发布，并最应用在最近发布的OPPOFind7与一加手机上面。堆栈式CMOS传感器使用有信号处理电路的芯片替代了原来背照CMOS图像传感器的支持基板，在芯片上重叠形成背照CMOS元件的像素部分，从而实现了在较小的芯片尺寸上形成大量像素点的工艺。由于像素部分和电路部分分别独立，因此像素部分可针对高画质优化，电路部分可针对高性能优化。三、双摄像头传感器尺寸和镜头素质直接决定了相机的成像质量，在智能手机中，由于体积和厚度的限制，不可能无限提高传感器尺寸和镜头的光学素质。在这种情况下，通过加入第二颗摄像头来提高成像质量就成了一个自然而然的选择。从单摄像头过渡到双摄像头可以看做是二维到三维的过渡，这个应该比较容易理解，二维只有x、y两个轴，比如一张素描画，我们整体的感觉是“平”的，而三维则是多了一个z轴的维度，这个z轴的直观理解就是点离我们的距离。就仿生学来说，包括人类在内的许多动物都是两只眼睛，而昆虫等动物拥有数量众多的眼睛，我们称之为阵列。可以说，手机从单摄像头到双摄像头或阵列镜头是一次自然进化的结果。理论上，两颗1300万像素的摄像头，通过算法合成可拍摄出接近双倍清晰度的照片，即接近2600万像素的照片。在实际拍照过程中采用双摄像头能拍摄到更多画面细节。这就解决了当前单摄像头方案的像素越高模组高度越大，但手机却越做越薄的矛盾。另外，双摄像头在弱光环境下拍摄的照片也会有更佳的效果，因为采用双摄像头，其入光量理论上会增加一倍，能够直接提高照片的感光度，降低图像噪点，在弱光拍照和夜景拍摄中效果表现更佳。还有就是在宽动态的表现上，单摄像头方案在逆光情况下，通常都难以拍摄到清晰理想的照片，要么暗乎乎的一片，要么就白花花的一片。双摄像头也能够有效的解决这个问题。通过算法实现更智能的HDR，宽动态更加优秀。而在对焦方面，双摄像头也可以更加智能，传统的拍照是先对焦后拍照，而双摄像头方案却颠覆了这一传统，可实现先拍照后对焦。不需要在拍照时提前对焦，只需对准画面点击按钮完成拍摄，手机就会自动保存不同焦距的照片，拍完后在预览或者图库里找到图片，点击照片任意位置即可实现重新对焦，这也是我们前面提到，人眼能够实现的效果。华为刚刚发布的P9手机就是双摄像头，华为P9在相机方面最主要的提升在于对于低光照环境的优化，徕卡深度参与开发过程。采用实际焦距27mm的光学镜头，支持最大F2.2光圈。华为P9的相机拥有1.25um的单个像素尺寸，采用索尼最新IMX286处理器，可以们拍摄1200万像素的照片。镜头方面，华为P9前置800万，后置双1200万像素摄像头，配备索尼12mpIMX286镜头传感器，支持激光对焦、反差对焦以及深度对焦三种方式，在1.2m以内的距离内将采用激光对焦，用以提升对焦速度，在1.2m之外的距离将采用景深对焦模式。另外，得益于双摄像头，华为P9还可以通过软件算法实现接近专业的背景虚化效果。在去年的MWC大会上，以色列的创业公司Corephotonics副总裁说：“Corephotonics双镜头技能始于2014年，第一代产物在2015年根基成型，但供给链并未完满。目前，开辟和供给链环节都已成熟，可以或许完满顺应今朝智能手机的处理处罚器及应用设施架构”。这种勇敢的实验带来的不光仅是新奇并且是技能的奔腾。之前就一贯传闻iPhone7或7plus将拥有双摄像头，这只是一个推测，但却是有依据的揣摩。因为苹果固然不会落后，苹果收购了以色列另一家主攻摄像头技能的LinXImaging公司。回首整个手机生长史，将手机的照相成果媲美相机无疑是手机生长的美妙愿望，纯真前进像素是一个方面，而若何加强手机照相的质感则是另一个完满办理方案。四、大光圈镜头光圈的大小影响了单位时间内摄像头的光线通过量，所以大光圈越大的摄像头在同一时间内进光量越多，要求达到同样亮度时对快门与ISO的要求更低，这意味着有大光圈镜头的手机，能让用户在弱光环境下用安全快门与较低ISO的情况下拍摄更为靓丽的照片。其工作原理是，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。摄影爱好者都知道，照片的亮度可以通过快门、光圈、ISO来控制，而提高ISO往往会增加噪点。在弱光环境下，我们一般通过大光圈或更慢的快门来获得理想的照片亮度。而过慢的快门速度容易拍出抖动的照片，特别对于手机来说，先从光圈动脑筋比较好。除了控制通光量，光圈还具有控制景深的功能。所谓景深，就是当焦距对准某一点时，其前后都仍可清晰的范围。它能决定是把背景模糊化来突出拍摄对象，还是拍出清晰的背景。简单来说，景深小可以拍出背景虚化的照片，景深大可以拍出清晰的背景。而光圈跟景深的关系是，光圈越大景深越小，背景虚化效果就更明显，光圈越小景深越大。通过加大光圈提高拍摄质量，在近段时间比较成功的例子有iPhone6，其相对于iPhone5来讲，光圈由F2.4加大到F2.2，加大了进光量，弱光下拍摄会更为清晰。三星的GalaxyS6更是搭载F1.9大光圈镜头、实时HDR和OIS光学防抖功能，即使在强光或暗光环境下也能从容拍摄,OIS光学防抖有效避免成像模糊。自动对焦与快速启动。另一方面，大光圈镜头也为手机摄影带来了更为唯美的景深效果。不同大小的光圈大镜头光圈大也不一定是好事，这带来了画面锐度与边缘画质难以控制的缺点，但总的来讲，大光圈镜头对手机来讲还是利大于弊。五、ISPISP（ImageSignalProcessing）就是图像信号处理单元芯片，可以称作为相机的大脑，它分为独立与集成两种形式，在自动对焦、过滤图像中的杂讯、人脸识别和自动场景识别等多个功能当中，都离不开ISP。一般情况下，配备独立ISP的手机，在图像处理方面有更大的优势，且随着手机摄像头像素的提高，高速连拍，全高清甚至4K录制的加入，手机对ISP的处理性能要求越来越高。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。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。索尼xperiaZ2、OPPOFind5就是采用了高通处理器附带的集成ISP芯片。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：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；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；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。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。市面上还有很多通过配备性能良好的ISP而提升拍摄性能的例子，例如前段时间热门的OPPON3，