手機拍照“黑科技”盤點 難怪Pixel獨佔鰲頭

近年來，手機的性能得到了大幅的提升，性能已經不再是人們選購手機的唯一考慮因素，手機的可玩性成為人們不斷關注的一個點。而在手機的可玩性中，拍照擔當著一個相當重要的角色。同時，性能、外觀逐步趨同的大趨勢下，手機廠商們也不約而同地舉起了拍照的大旗，企圖在拍照做差異化，以此來進入消費者的心智。

一時之間，各種各樣的“黑科技”層出不窮，Dual PD對焦、960幀慢動作視頻拍攝、DSP獨立圖形晶片……一大堆行銷詞彙令人眼花繚亂，有時甚至不知所云。今天的超能課堂就和大家一起盤點手機廠商口中的拍照“黑科技”，看懂他們在說什麼。

1.對焦中的王者：全圖元雙核對焦

全圖元雙核對焦(Dual Pixel AF)是兩年來手機拍照中最備受關注的一個“黑科技”，相對于傳統的對焦方式等，全圖元雙核對焦可以提供更加快速、更加精准的合焦效果。這種技術最先出現在單反相機上，而後隨著索尼IMX260/362、三星ISOCell 2L7/2L9等的相繼問世而逐漸被手機廠商廣泛應用。那麼，這位對焦技術中的“王者”是如何上位的呢？

首先，例行介紹一下的原理：全圖元雙核對焦技術是給感測器中的每一個圖元都配置了2個光電二極體，每個光電二極體獨立接收光線。因此，採用全圖元雙核對焦技術的感測器在對焦時可以獲得2個圖像信號(A像和B像)，然後通過比較A像和B像的視差信號計算出鏡頭的驅動量和驅動方向，拍攝時再將2個信號拼合成1個圖像信號進行輸出。這樣，相機就能在不影響畫質的情況下，同時實現自動對焦和圖像捕捉功能。

全圖元雙核對焦感測器工作示意圖

全圖元雙核對焦感測器最大的特點就是所有的圖元都能參與對焦，一個圖元還能分割成兩個圖元使用，也就是一個1200萬圖元的感測器可以輸出2400萬圖元的圖片。於是乎，深諳消費者心理的手機廠商給這種技術帶來了更多的玩法。

藍廠的旗艦手機X20搭載的感測器便使用了全圖元雙核對焦技術。利用其分割成兩個圖元使用的技術原理，藍廠創造性地提出了“2*1200萬圖元，2400萬感光單元”的行銷口號，最高支援2400萬圖元的圖片輸出。

“2*1200萬圖元，2400萬感光單元”

然而，值得注意的是，這種分割圖元的討巧做法會對相機的成像產生一定的負面影響。前文中提到的X20手機使用的是三星ISOCELL Fast 2L9圖像感測器，單位圖元面積1.28μm，單純從字面上理解，分割後每個圖元的單位面積應該是0.64μm，但實際上卻遠達不到這個數值。

因為一旦涉及到兩個圖元，就必須考慮圖元之間的隔離問題，以避免圖元之間互相產生影響。受此影響，每個小圖元的光電轉換能力會下降30%左右。而單位圖元面積縮小最直接的體現就在於成像圖片的動態範圍，使圖元一分為二會對使得照片的動態範圍大幅下降。

藍廠一個圖元分割當兩個用的做法顯然有些討巧，而國內另外一家手機廠商努比亞的做法卻值得稱道——為手機攝影帶入了多點對焦技術。努比亞這一做法正是利用了全圖元雙核對焦感測器每個圖元都能參與對焦的特點，可以使得焦點覆蓋範圍更大、完成對焦更快、對焦更精准。

努比亞的多點對焦技術

2.高達960幀慢動作視頻拍攝是怎麼實現的？

慢動作視頻拍攝已經成為手機攝影功能中可玩性和趣味性較高的一個功能，已經成為一部分消費者十分重視的功能。而縱觀市面上的支援慢動作視頻拍攝的手機，240fps已經是大部分手機的極限，僅有索尼一家做到了“前無古人，後無來者”的960fps，四倍於大其他大部分手機，可謂是一個踏踏實實的“黑科技”。

不懂“960fps”是什麼意思？我們來舉個例子，若以960fps的幀率進行錄影，用30fps的幀率輸出視頻，那麼進行簡單的數學運算“960fps/30fps=32x”，也就是手機具備32倍的慢動作錄影能力。那麼，索尼是如何實現960fps慢動作視頻的拍攝的呢？

眾所周知，索尼是目前手機圖像感測器領域絕對的領軍企業，大多數旗艦手機都會使用其圖像感測器。作為一家圖像感測器大廠，自家使用的自然也不能太過寒磣，960fps慢動作攝影這一“黑科技”正是源於其技藝驚人的IMX400圖像感測器。索尼IMX400圖像感測器有效圖元達到了2120萬，單位圖元面積為1.22μm，支持最大幀率1000fps的1080P慢動作視頻拍攝。那麼，IMX400是如何實現1000fps慢動作視頻拍攝的呢？

傳統2層堆疊式感測器與3層堆疊式感測器對比

如上圖所示，與傳統2層堆疊式感測器相比，IMX400採用了新的3層堆疊式結構，在成像區域(Pixel Section)與處理回路(Circuit Section)中間加入了DRAM記憶體，使感光元件有了自己的緩存區。據悉，該DRAM層容量達到了1G bit，這個DRAM記憶體可以單獨處理錄製進來的影響資料，從而可以在短時間內處理大量的資料，實現高達1000fps慢動作視頻的拍攝。簡而言之，就是給感光元件加上記憶體，讓其可以自主完成部分影像資料本地處理。

配備DRAM的3層堆疊式影像感測器的截面圖

DRAM記憶體的加入不僅僅帶來了1000fps慢動作視頻拍攝能力，還給普通拍照成像帶來了優勢。得益於高速的資料處理能力，IMX400可以在1/120秒內讀取一個1930萬圖元的靜止圖像，比傳統產品快4倍，同時還可縮減讀取每行圖元的延時。也就是說，以前要1/30秒快門拍攝的照片，用新的感測器只需1/120秒就能拍攝到。更快的快門速度可以減少拍攝物體的失真，拍攝運動物體時也可以減少殘影或形變，是一個非常不錯的技術演進方向。

1/30″快門與 1/120″快門對比

然而， 配備DRAM的3層堆疊式 影像感測器也不可避免地存在著一些問題。首先是功耗問題，雖然索尼宣稱使用了低功耗的DRAM記憶體，但其功耗水準仍然不低，尤其是對於智慧手機這種整體續航水準一般的產品來說；其次是成本問題，由於DRAM的加入，無論從物料成本，還是工藝成本來說，這顆sensor都是要高於其他產品的。因此，除了略有冒險精神的索尼已經上馬了這顆感測器外，其他手機廠商暫時都還不敢貿然使用。

3.成像素質不夠，加個外掛來湊

受制於手機體積和感測器面積，短時間內依靠感測器發展提升成像品質的想法似乎不大靠譜。自身發展短時間內難以突破，於是就有從業者提出了給手機相機加上影像處理晶片“外掛”的想法。而後不久，搭載影像處理晶片“外掛”的手機很快就問世了。

在DXOMark手機拍照排行榜中，Google的親兒子Pixel 2以98分的成績獨佔鰲頭，令人不禁對這部僅配備了單攝的手機肅然起敬。而Google的工程師透露，Pixel 2系列內置了Pixel Visual Core圖形處理晶片，其計畫於之後Android 8.1固件中啟動這一晶片。

根據Google方面的說法，Pixel Visual Core的核心是Google設計的影像處理單元(IPU)。通過八個Google設計的定制內核，每個內核具有512個算數邏輯單位(ALU)，IPU每秒可以提供超過3萬億次的運算性能。使用這一晶片，HDR+的成像速度可以快上5倍，而功耗卻僅為原來的十分之一。

Pixel Visual Core開啟(右)與否(左)對比

另外值得一提的是，Google的這顆影像處理單元(IPU)是完全可程式設計的，這也就意味著這顆IPU不僅僅可以用於Google的HDR+圖像演算法，還可以用於其他應用程式，具備相當不錯的延展性。

除了Pixel 2外，華為剛發佈的Mate 10系列也為手機拍照成像配備了外掛NPU——來自人工智慧獨角獸寒武紀的1A處理器。 與Google將IPU用於HDR+演算法不同，華為對於NPU的定位似乎並沒有那麼專注在圖像領域，華為的做法是在拍照時利用NPU殘暴的圖片識別能力智慧識別場景，然後通過預先設定好的特殊演算法調整參數。

有這種基於大資料識別場景想法的，華為並不是唯一一家，努比亞在其新旗艦Z17S上也有這個功能。不用NPU也能實現圖像識別功能，那麼，採用NPU的優勢在於哪裡呢？由於NPU是可以獨立於CPU、GPU工作的，因而NPU的優勢就在於可以以更快的速度、更低的功耗完成這一識別動作。

與上面兩家將外觀封裝進CPU的高大上做法不同，vivo等手機廠商的外掛手法就顯得有些粗暴了，直接外掛了DSP圖形處理晶片。vivo將這顆擁有256MB RAM的獨立影像優化晶片稱為“vivo圖像魔方”，可以使手機處理圖片的速度大幅提升，在逆光時可以瞬間獲取多張不同光線的畫面，以複雜的演算法瞬間成像，達到了更加理想的逆光拍照效果。

相對於感測器自身的發展，給手機拍照增加影像處理晶片外掛的方法可以以更快更直接的方式提升手機的成像素質，也是手機拍照發展的一個相當不錯的方向。而從目前市面上搭載了圖像晶片外掛的手機來看，DSP晶片的延展性相對較差，僅能用於圖像優化；而IPU/NPU這種所謂的人工智慧晶片的延展性顯然就要好上不少，不僅可以用來優化成像效果，還有更大的想像空間。

除了在手機影像品質和攝製能力努力外，手機廠商們近年來還不斷嘗試從不同的方向提升手機拍照的可玩性和趣味性，比如，華為與徠卡合作，主推徠卡鏡頭；HMD經營下的諾基亞與蔡司重修舊好，搭載蔡司鏡頭；各家對雙攝的引入和發展……而在這些蓬勃發展的新技術中，雙攝的發展最令人矚目，已經發展出“黑白彩色雙攝”、“廣角長焦雙攝”、“廣角超廣角雙攝”等多個流派。

幾年來，智慧手機整體拍照體驗的提升有目共睹，這其中既有手機廠商們的努力，更有消費者們的訴求驅動。而從相機設備發展的角度來看，手機拍照的飛速進步已經讓其有足以媲美甚至超越曾經居家旅行必備的卡片相機(非單反、非微單的小型數碼相機)。展望未來，手機拍照是否能夠超越微單/單反相機？從目前的情況來看，可能性不大，畢竟微單/單反相機上的感測器面積不是手機相機所能比擬的。

然而，就像某手機廠商的廣告語一樣：“當蒸汽機出現，誰能想到轉動的齒輪推動了時代的巨輪？”科技的發展日新月異，“摩爾定律”仍然適用於不少行業，手機相機的發展也不會止步。況且，又有誰能否定簡易化、輕便化是相機發展的一個方向呢？因此，未來手機相機達到甚至超越目前微單/單反相機成像水準也不是不可能的。

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