手机成像技术简谈

手机成像技术简谈（测光篇）(2013-11-2300:44:24)转载▼标签：手机成像拍照测光lumia（本文首发于《大众软件》2013年11月下半月刊，转载时请注明出处和作者：欧阳洋葱）——手机也能拍出亮度适中的好照片照片拍好的第一步就是把焦对好，画面亮度也恰到好处，当然做特别的艺术创作偶尔可能会有例外。但即便是这两个基本步骤，也会由于客观因素的种种制约很难做到最佳，所以周围小伙伴所拍的照片，失焦、过曝或太暗的成片都不在少数。虽然现代的数码相机和手机摄像头在拍照时基本都做到了完全傻瓜式，无需用户调整参数，任意按下快门就能照出还不算差的照片。但某些场景，例如逆光、夜晚等，往往不是成像设备靠内部算法和自动调节就能有令人满意的照片呈现的。当然这与设备本身的成像素质与性能有关，但实际与拍摄者也有很大的关系。（手机摄像头模块外观）这篇文章，我们就仅从“测光”的角度，从理论和实际两方面来谈谈如何人为掌控成像亮度，拍出更好的照片。鉴于大部分小伙伴扫街或出游都更爱用手机拍照，所以我们主要谈的是手机摄像头的“测光”系统和操控方式。一、什么是测光与曝光不管是何种成像设备，单反、微单、普通DC抑或手机，若要在成片阶段对最终所拍照片的亮度做控制，那么在用户按下快门之前，首先就要对用户所需拍摄的场景或事物进行测光。只有在测光之后，成像设备才能对所摄内容进行明暗调节。（手机摄像头模块的构造，最右端为感光元件）数码相机和手机摄像头内部都藏有一个被称作感光元件（或称图像传感器）的受光传感器。这颗感光元件在扮演的角色上就好比胶片相机时代的底片——感光元件可感知进入摄像头内部的光亮。摄像头正是通过感光元件对外界光的感知，得到最终的成像。当代的数码相机和手机摄像头产品中，除了单反的测光系统偏复杂，其他大部分成像设备的测光工作也都是由这枚感光元件配合图像处理器完成的。也就是说，感光元件不仅担负最终的成像工作，而且也担负在成像之前对所摄画面的测光工作。在此，我们可以对手机测光做个简单的定义：感光元件感知用户所需拍摄画面光量多少的过程，即是测光。（不同手机在测光的倾向性上也有不同，有些偏保守，宁可欠曝也不过曝，有些偏激进，宁可过曝也不欠曝）不过测光实际上只是让手机摄像头知道了外界进入内部感光元件的光有多少，进入感光元件的光过多或过少都是不行的，都会让最终成像的明暗度无法达到用户预期。如果抵达感光元件的光过量，就会让最终成像“曝光过度”（或称过曝）；抵达感光元件的光太少，则会让成像“曝光不足”（或称欠曝）。这里所谓的“曝光”，即是指感光元件暴露在光照下的这样一种状态。成像设备在测光过后，需要完成的就是调节所拍画面的亮度，达到人眼的最佳观感。不管这种调节是用户手动操作还是经由图像处理器自动设置，其实质都是调整曝光参数的过程。需要特别指出的是，这种调节和照片后期的PS是不同的，因为PS是对数字图像既有信息的后期调整，而曝光参数的调整是基于所拍画面，在按下快门之前的前期调整。曝光参数的设置往往可以决定由于亮度关系导致的画面细节的去留，而PS显然是无法达成这一点的。1.决定曝光的几个参数我们上面已经谈到，测光后对所拍画面亮度做预调节，实质就是设置几项曝光参数。换句话说，这几项参数实际上就决定了成像的亮度。大部分对手机拍照略有研究的用户就多多少少有机会与这些参数接触，它们分别是光圈值、ISO值和快门速度（或称曝光时间）。这3个变量的此消彼长，不仅可以决定最终的成像亮度，而且也是进行各种摄影创作的核心基础，不过这里我们主要谈这三者对亮度的影响。（诺基亚N86是为数不多光圈值可变的手机产品，当然它也没有采用实体多叶光圈）由于当代手机讲究轻薄性，而且不太可能在摄像头上耗费太高的成本，所以这3个变量中的光圈值在手机中实际是个固定的量。光圈值是由物理焦距和光圈大小决定的——大部分手机的物理焦距和光圈孔径大小都不可变（可实现光学变焦的N93i一类手机是例外）。所以我们用手机拍照时，无需考虑光圈值的影响。（相机镜头通过光圈叶片的开合来改变光圈孔径，但手机摄像头没有这样的条件）普通用户仅需了解的是，光圈值是用类似F/1.4，F/2，F/2.8，F/4，F/5.6这样的方式表述的。因为光圈值是焦距与光圈直径的比值，所以后面的这个数字越小，反而表示进入摄像头内部的光越多（注意：此数字越小，并不一定表示光圈就越大）。因此，如果仅考虑光圈值这一参数，那么标称F/2.0的手机摄像头（如Lumia920），一般在暗光环境下会比标称F/2.4光圈值的手机摄像头（如XperiaZ）更有优势，因为在快门速度不变的情况下，F/2.0的镜头通光量更多。（小米发布会上，雷军对光圈的注解，不过景深可没有好坏之分哦）有人会问，既然把镜头内部的光圈做大可以增加通光量，为什么手机这样暗光拍摄能力较弱的成像设备不考虑把光圈再做大一些呢。实际上，若考虑将光圈进一步做大，手机摄像头的镜头（即由镜片组成的镜组）制造工艺要求就会更高，用料与成本也更多，并且还会增加整个摄像头模块的体积。市面上虽然已经有不少标称F/2.0光圈的手机出现，但实际其镜片的光学素质远达不到优质标准。另一方面，光圈大小不仅影响通光量，而且还影响着景深——很多媒体在评测时将能否呈现浅景深作为衡量手机摄像头成像素质的标准之一，这就是相当大的误解。不同深浅的景深有各自应用的拍摄场景，如拍摄需要同时将前后景都清晰表现的场景时，我们就需要范围较广的景深，此时就要求尽量小的光圈。此外，光圈确实能够影响景深，但并不能看作是景深的决定因素，景深还受其他因素的影响，如感光元件的尺寸。很多媒体在评测Lumia1020时将其出色的背景虚化效果归结在F/2.2光圈上，这显然是错误的。景深是另一个比较大的话题，这里不做过多展开。（1）ISO值（感光度）ISO值可以理解为描述摄像头内部感光元件感光能力的值。ISO值本身是不影响外界进入摄像头内部并最终抵达感光元件的通光量的，但当感光元件的ISO值提高时，其感光度也就更高，画面也会更亮，将ISO值降低则会让画面更暗。（XperiaZ支持最高ISO值1600）一般的手机摄像头与成像设备，都会标称一个ISO值区间，即感光元件可在这个ISO值的范围内做感光度的调整，达到调节最终成像亮度的目的。2年前的手机摄像头，ISO值还普遍限定在800乃至400以下，现如今像iPhone5/Lumia920这样的手机摄像头已经支持最高3200的ISO值，也就意味着它们可以令成像更亮。但感光元件的感光度最高上限受到其本身性能的影响，例如目前大部分单反的感光元件ISO上限已达25600，这是手机摄像头望尘莫及的；而且，越高的ISO意味着画面更多的噪点，噪点多也就意味着画质损失严重，画面脏，观感差。所以iPhone5虽然能够将许多暗环境的画面拍得更亮，但它是纯粹靠提升ISO值来实现这一目的的，于是整个画面的噪点会显得非常多，几乎到了令人无法忍受的地步。事实上，虽然越来越多的手机摄像头开始支持最高ISO3200，但许多手机在ISO大于800时，画质就已经到了不可用的地步。仅有类似索尼RX1这样的高端数码相机，成像在ISO5000时才有一定的可用度，许多中低端单反在ISO超过2000时也基本已经失去了意义。反之，ISO值越低，就越能保证画面的纯净度，成像看起来也会越干净。这是许多摄影师宁可用低ISO，也要保证画质不受影响的根本原因。（XperiaZ拍摄，ISO1600，快门速度1/640秒）（XperiaZ拍摄，ISO100，快门速度1/50秒）（100%截图，ISO值为1600时的成像相比ISO100有明显的画质劣化）除了iOS设备一类纯傻瓜式的成像设备之外，大部分Android、WindowsPhone等设备在相机应用中通常都一定限度地支持用户进行ISO感光度设置。让用户自行在亮度和纯净度之间做抉择。一般情况下，相机应用的自动模式都是由系统自动设定ISO值的。不过，相比另一个可对亮度做调节的变量：快门速度，ISO值的提高通常拥有最低的优先级，因为毕竟快门速度的升降不会直接影响画质，而ISO值的升高就意味着画质的严重劣化。（2）快门速度所谓的快门，可以理解为感光元件前方能够一开一合的幕帘，而这扇幕帘的开合速度就是指快门速度。用户在按下拍照应用中的拍照按钮后，系统就会根据预设的快门速度来控制这扇幕帘的开合。快门速度所控制的是感光元件的曝光时间，快门幕帘开启时，感光元件接收到来自外界的光，幕帘关闭时，感光元件曝光结束。不难理解，快门速度也直接影响外界进入摄像头内部的光的多少。快门速度越快，也就是幕帘开合越快，那么抵达感光元件的光也就越少，反之快门速度越慢，则抵达感光元件的光越多，成像亮度也会相应更高。这里为了便于理解，我们将快门单纯地理解成有幕帘开合的机械快门。但实际上，大部分便携式DC和手机摄像头的感光元件前方是没有这样开合的实体机械组件的，系统是通过控制感光元件的通电与断电来达到曝光时间的控制——这种快门被称作电子快门。有极少数手机，例如808PureView、Lumia1020这样较注重成像质量的设备用到了镜前的实体机械快门（Lumia1020结合了机械与电子快门）。（808PureView与Lumia1020都配备了镜间机械快门，不拍照和按下拍照按钮时快门会降下）按此理解，要控制通光量，调节快门速度就可以了。虽然机械快门存在最高快门速度的极限，但快门速度的控制相较另外两个同样能控制成像亮度的参数ISO值和光圈值而言，是最经济和没有过高技术难度的一个值。比如，大部分手机拍照应用会将最低快门速度限定在1/17秒这个水平上，但实际上，这些手机也可轻易将快门速度再行降低到1秒（不考虑感光元件问题），这样就可以获得更多的通光量，暗光环境拍摄能力可直线上升。可是手机厂商却没有这么做，为什么？快门速度如果降低到一定程度，比如在手机上降至1/17秒以下，那么手持拍摄的成功率也会随之大大降低。这是因为手持拍摄时，人手总无可避免地抖动位移，快门速度一旦降下来，例如降到哪怕1/10秒的程度，在快门幕帘开合的这0.1秒里，最终的成像都会因为可感知的手抖造成最终画面的抖动模糊。应对这种问题，一是可以用外部稳定辅助，如三脚架让成像设备处在稳定不会有位移的环境中。另外，也可以在摄像头内部集成光学防抖系统，像Lumia920/HTCOne那样，可有效提升低速快门下的拍摄成功率。但这些都需要额外耗费资源对低快门的不稳定做弥补，甚至需要付出类似牺牲手机轻薄度这样的代价，况且我们用手机拍摄更不可能每天带着三脚架出门。（低速快门可令画面产生运动模糊，而高速快门则能捕捉瞬间画面）另一方面，就算有可靠的稳定系统做助力，设定1秒的快门速度，用于拍摄运动中的物体，哪怕被摄物体只是小幅度运动，那么最终的成像，被摄物体在画面中也会产生运动模糊。或许，有些摄影师在进行创作时偶尔需要这样的运动模糊，但大部分情况下，我们只是希望能拍到清晰、锐利的瞬间，而不希望对方的脚或手有个奇怪的拖影。可见快门速度的控制也存在很大的局限性。低速快门与高速快门都有各自的应用领域，例如要呈现道路上车辆穿梭的运动感，那么就需要选择低速快门；如果需要拍摄水滴溅起的瞬间，就必须使用高速快门了。在决定这样的创作方式之后，画面的亮度就只能靠光圈值和ISO值的调整来权衡了。（诺基亚专业拍摄应用，为用户提供了从1/16000秒~4秒的快门速度选择）一般很少有手机的拍照应用会将快门速度的手动调节下放给用户。某些第三方拍照应用，如诺基亚专业拍照、ProShot等，能够提供快门速度调整。比如Lumia1020就支持用户手动设定最慢4秒的快门速度——但这也并不意味着诺基亚Lumia1020的光学防抖组件牛叉到可在4秒的快门速度下让用户手持拍摄，而是主张用户采用三脚架进行拍摄。在光圈、快门速度和ISO值的收放都存在各自局限的情况下，如何对三者进行参数上的配合调节就成为曝光量控制的关键。三者的取舍与创作的场景也有很大关系，而我们暂且停留在知道他们都可对曝光量形成影响的层面上即可，毕竟手机摄像头的创作空间还是相当有限。（3）有关曝光补偿要将曝光补偿的概念