超能课堂(128)：揭开手机摄像头专业名词背后的秘密
现在买新手机需要考虑什么？想必拍照素质如何已经成为很多人考量一台手机好坏的重要因素。曾经一手单反，一手长枪短炮旅游的我们，已经被一台轻便的手机所替代，可以说手机已经在绝大多数情况下替代了专业相机，成为我们记录美好生活的工具。而且近些年来，手机厂商一把心思全放在照片功能上，各种新技术加成让拍照体验得到极大提升，但有时候却看不懂厂商们的宣传语，一大堆专业晦涩的词语频频出现，今天我们就以手机摄像头模块为例，为大家解读一番其背后暗藏的信息。
“4000万像素”、“索尼IMX363传感器”、“莱卡/蔡司认证镜头”、“F1.5光圈”、“专业人像双摄”，不仅仅不精通的相机的普通消费者懵圈，有时候面对厂商为了噱头创造出来的一些词汇，小编也是相当茫然。但仔细了解背后的技术，你就会发现，有时候一些参数并不是越大越好，最高并不一定就是最好。
影像传感器（感光元件尺寸）
这里我们讲得主要是手机中图像传感器，也就是我们常看到某某手机用了索尼的IMX363传感器，为什么要提这个呢？其实这个传感器已经是集数码相机的大成，构成组件和工作原理与传统数码相机无异，只是为了适应手机的尺寸，将尺寸做到极致罢了。其实手机厂商选用了什么影像传感器基本上就决定了手机摄像头的一系列参数。
在老法师们口中有一句名言“底大一级压死人”，所谓的“底”其实就是影像传感器的CMOS尺寸大小，简单地说，它能够把光信号量化成电信号，然后传输给ISP处理。那为什么底越大越好呢？
不同尺寸CMOS对应参数
因为CMOS尺寸直接关系到感光器件的面积大小。在同等像素下，传感器越大，单一像素的面积也相应越大，其接受光信号的能力越强，捕获的光子越多，信噪比得到极大提高， 得到画质更加干净。当然了传感器尺寸大小也是与其设计生产成本成正比的，越大越好，但是也越贵。
手机摄像头的CMOS其实真的很小一个
像素
像素在从前可是最重要的手机拍照能力指标，手机厂商通常将旗下某某手机拥有4000万像素镜头作为宣传重点，但是高像素就一定等于更高清晰度吗？
非也！我们通常所说相机是1300万像素其实说CMOS上有1300万个感光点，4000万像素就有4000万感光点，不过组成这4000万像素可是一道数学题哦，？×？=4000W？举个例子，华为新机P20 Pro的拍照分辨率为7296×5472，其实这和手机屏幕1080P分辨率是一个关系的。
按道理来说，4000万像素远高于1300万像素啊，拍出来的照片肯定更加清晰，细节更好，而事实上图片分辨率越高，只代表图片尺寸越大，图片清不清晰还和成像算法、摄像头素质有关系。
还有一个重要因素，我们的手机分辨率通常都是1920×1080，7296×5472的照片还不是要经过压缩才能显示在屏幕上，都超出了屏幕分辨率范围，所以肉眼上的清晰度是没有区别，但是你放大后区别就会出现了，理论上4000万拥有更好的细节。如果你需要把照片打印出来，那么这个时候的4000万像素就更能排上用场了，可以打印出比1300万像素更大的照片。
总而言之，像素不能决定照片最终的质量，但对于保留细节上有一定作用。
像素大小
结合之前CMOS尺寸以及像素问题，你应该发现一个问题，如果CMOS尺寸大小是一定的，像素越多，那么像素大小岂不是越小了吗？
对的，其实像素小了以后也有副作用，那就是细节。CMOS工作原理决定了只有光线信号强度超过最低阈值时，才能正常驱动模数转换电路工作，如果像素接收到的光线信号强度过低，这部分画面就不能被有效表达。因此，大像素点比较小像素点会获得更大的进光量，进而能够获影响画质表现。
当年HTC OneM8的UltraPixel就是这么干的，虽然CMOS底只有1/3英尺，但由于像素仅为400万，因而每个像素点高达2μm，从而获得了更好的进光量。其实做法当时备受消费者质疑，因为当时手机已经标配千万级像素摄像头，HTC突然来个400万像素是非常扎眼。
华硕Zenfone4发布时，关于像素大小与进光量对比
其后手机厂商为了兼顾像素以及像素大小问题，不断研发CMOS尺寸更大的摄像头，目的就是希望同时拥有这些优点。
光圈
在单反、微单相机中，大部分镜头的光圈都是可变，通过驱动镜头中几块超薄金属片开合状态，改变光圈孔的大小从而控制进入CMOS中的光线量。光圈的大小会用f/1.5、f/1.8来表示，f值越小，光圈越大，通过镜头到达CMOS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。
除了对照片画面明暗有控制作用外，光圈大小还能拥有控制景深的功能，光圈越大，景深就越小，从而产生了背景虚化效果，突出了拍摄重点。
一张图让你温习光圈、快门速度、ISO的关系
不过目前由于手机摄像头尺寸限制，并没有做到多级可变光圈，只有三星的Galaxy S9、S9+上的摄像头是具有f/1.5以及f/2.4两级自动切换外，其余手机光圈都是恒定的。
三星Galaxy S9/S9+配备的可变光圈摄像头，图片来自iFixit
对焦
讲起手机摄像头的对焦方式，真的是“一匹布”那么长，经过这么多年发展，为了让手机拍照功能易用性大大提升，先后出现了反差式对焦、相位对焦、激光/红外对焦、全像素双核对焦几种。
反差式对焦(Continuous AF)是元老了，以前都是基于这种方式。原理是根据焦点处画面的对比度变化，寻找对比度最大时的镜头位置，那么这就是成像最佳的位置。显然你可以一眼就知道问题，反差式对焦需镜头历遍所有成像画面，才能找到最佳对焦点，显然对焦太慢了。
传统反差式对焦需要经历的过程
相位对焦(Phase Detection AF)就是为了速度而诞生的，在CMOS感光元件上专门引入了遮蔽像素点， 由两个像素成对组成，它只用于进行相位检测。工作时两个像素通过微透镜各自成像（与人眼成像类似），对焦系统根据判断信号波峰的位置可判断出镜头应该往前还是往后偏移，从而迅速准确合焦。由于镜头对焦行程大大降低，对焦速度自然就上去了。缺点也有，就是需要被摄环境充足，夜景下表现一般般。
全像素双核对焦（Dual pixel phase detection AF）是最强的进化版本，相位对焦原理，在全部像素点上都分布有两个光电二极管，均能独立地接收光线，从而形成相位差，大幅度提升了手机对焦的速度，而且在暗光环境下的表现得到了提升。前年的三星Galaxy S7、S7 edge就开始配备这个技术的摄像头。
相位对焦与全像素双核对焦比较，来自三星S7发布新闻稿
激光/红外对焦 (Laser AF)似乎更加高大上了，但原理确实最简单的，激光/红外传感器向外发射低功率激光/红外光，计算光线到被摄物体间往返的时间来确定被摄物体距离镜头的距离，从而实现较为精准和高速的对焦。不过由于主动发射的光线功率太低了，传播距离有效，基本上远距离就抓瞎了，而且还有个问题，激光/红外模块都是独立于摄像头的，需要在背面再开孔，对于手机整体美观度设计会大打折扣，也因此采用激光对焦的手机比较少。
索尼Xperia XZ激光对焦
虽然目前有些手机支持反差式+相位对焦+激光对焦的混合对焦，但全像素双核对焦依然尤其独特优势，这个原本是三星旗舰手机对焦快得离谱的独家武器，目前已经有小米MIX 2s、vivo X20这些手机开始支持全像素双核对焦，拍照速度“咻咻咻”。
华硕的Tri-Tech混合对焦，号称对焦时间0.03秒
变焦
手机摄像头实现单反级别的变焦显然是不可能的，这是原理性问题。手机摄像头仅几毫米厚，根本塞不进可以驱动镜头组移动的模块，无法完成物理上的变焦。但为什么部分手机上依然出现了2×光学变焦、10×数码变焦呢？
其实这些手机都配备了双摄像头，其中一个就是长焦镜头，拥有比平常摄像头更长的焦距，这样距离成像物体更近，2×光学变焦就是系统切换到长焦镜头拍摄得来的。而10×数码变焦是单纯依靠软件算法放大原有图片得来的，比方说我有一张照片，通过一系列算法插值、降噪等处理，局部放大10倍给你，仅此而已，效果绝对是比不上纯光学变焦。
iPhone X上的长焦镜头，来自iFixit
光学/电子防抖
是不是有时候总发现自己拍得照片里面有鬼影一般的模糊，那就是因为你没有稳定“麒麟臂”，导致摄像头在成像过程中被移动了，这个在晚上拍照特别明显。但是目前手机摄像头都有光学/电子防抖对此进行弥补。
光学防抖是一种物理防抖，镜头模组是处于“浮动”状态，陀螺仪侦测到微小的移动，然后将信号传至微处理器，处理器立即计算需要补偿的位移量，根据镜头的抖动方向及位移量加以补偿抵消掉原有抖动，从而有效地克服因相机的振动产生的影像模糊。
华为P20 Pro摄像头光学防抖，来自iFixit拆解视频
电子防抖就是纯算法的防抖，当陀螺仪检测到抖动后，就会把抖动的向速和移动量参数发送给微处理器，由微处理器对生成的图像进行算法上的弥补，降低照片的模糊。
就效果而言，优秀的电子防抖可以达到光学防抖效果，但是在实际视频拍摄中，光学防抖效果还是稍微更好一些。
可视角度
相信对于摄像头可视角度最关注的一定是女生了，因为这个关乎到自拍、合拍的效果。而可视角度却又和焦距挂钩，焦距越大可角度就越小，反之亦然。目前很多前置摄像头为了照顾女性的合拍需求，都会配备一个广角摄像头，顾名思义就是拥有更大可视角度，原本90°变成120°，原本只能拍三四个人，现在却可以拍上10多人。
索尼Xperia XA2 Ultra前置摄像头，来自索尼官网
双摄/三摄
如果说拍照成为了手机最重要的功能，厂商们一定不遗余力地提升拍照素质，由于手机需要便携性，不能像单发、无反相机拥有那么多机械结构，最后只能横向发展，结果就是采用两个或者三个摄像头，达到“傻瓜机”级别以上的拍照体验。
目前手机厂商对于双摄像头的方案也有很多，比方说一个常规摄像头搭配景深传感器、黑白摄像头、广角摄像头、长焦摄像头等，这些方案都有各自的特点。
景深传感器严格意义上不参与到成像中，但是它能够获取物体的距离信息，并利用这些信息来区分前景和背景，为照片创造出更好的景深效果，例如背景模糊。
HTC One M8 UltraPixel+景深传感器
黑白摄像头故名思意，没有RGB彩色滤镜，只能捕抓光线信息，但它却比寻常摄像头获得的光线信息更多，让照片在夜晚下有更好的成像体验。
华为P20 Pro 长焦、黑白、彩色摄像头
广角摄像头就像之前所说的一样，可以拥有非常宽阔的视野，不需要移动手机就能拍下宏大物体的全景。
索尼Xperia XA2 Ultra前置广角摄像头
长焦镜头也就是我们所介绍的提供光学变焦功能，比如iPhone 7 Plus开始提供的2x光学变焦，因为长焦摄像头的焦距是主摄像头的2倍，可提供2x光学变焦能力。
以上就是我们今天讲解的全部内容，主要就是针对手机摄像头硬件上的常见名词进行了解读，让大家了解一下它意味着什么，和我们平时拍照体验有什么关系。在最后，请允许我们使用一张来自Tech Insights汇总图，里面包含三星Galaxy S系列手机历年来摄像头模块的变迁，照片像素曾经占领过高地，但又回归理性， 像素点尺寸更大，还有DRAM融入后实现960fps慢动作拍摄，总之就在不断缓慢进步当中。当然我们也很高兴看到华为P20 Pro以极强的拍照素质打入了DXOMark榜单的前三，更期待未来手机拍照能达到什么样的境界。