智能手机之手机成像

编程入门行业动态更新时间:2024-10-12 01:26:40

手机成像是由：lens（镜组——眼睛），sensor（传感器——视网膜），ISP（大脑）以及算法决定的。

“像素”指的是相机传感器上的最小感光单位，而我们通常所说的“XXX万像素”实际是指相机的分辨率，其数值大小主要由相机传感器中的像素点（即最小感光单位）数量决定，例如500万像素就意味着传感器中有500万个像素点，和手机屏幕中的像素数量决定屏幕是720p或1080p分辨率是一个道理。

传感器上的像素点模拟图

　　人们通常会以为相机像素越高，拍的照片就越清晰，实际上这是很片面的。相机的像素唯一能决定的是其所拍图片的分辨率，而图片的分辨率越高，只代表了图片的尺寸越大，并不能说明图片越清晰。

　　刨除其它因素，1300万像素摄像头和800万像素摄像头所拍的图片，在电脑屏幕上呈现的只是尺寸不同，而清晰度几乎是没有区别的。

　　不同的是，手机上查看图片时，屏幕一般会将两张图片缩放至同一尺寸，此时1300万像素摄像头所拍图片会拥有更高的像素密度（每英寸屏幕所拥有的像素数），理论上来讲，清晰度更高、画面细节更丰富。

　　但是当前主流的手机屏幕为1080p级别（1920×1080像素），无论是1300万像素相机所得的4208×3120像素照片，还是800万像素摄像头的3200×2400像素照片，都超出了1080p屏的解读范围，最终都会以1920×1080像素显示，所以肉眼所看到的清晰度也是没有区别的。

　　更高像素的相机所拍图片的尺寸更大，假如我们想把样张打印出来，以常规的300像素/英寸的打印标准来计算，1300万像素相机所拍的4208×3120像素样张，可打印17英寸照片，而800万像素相机的3200×2400像素样张，打印超过13英寸的照片就开始模糊了。很显然1300万像素相机样张可打印的尺寸更大。

　　总之，像素不能决定照片质量，或者说像素并不是决定照片质量的唯一要素。在电脑、手机屏幕等主要查看路径上，1300万像素相机、800万像素相或者更高的1600万像素、2070万像素所拍照片的清晰度表现都是没有区别的。

　　所以，如果你对手机拍照的需求仅限于日常记录和分享，那么市面上配备800万像素、1300万像素摄像头的主流千元手机，就能完全满足你对照片清晰度的要求，而不必跟风追求更高的像素数。

镜头

　　镜头是将拍摄景物在传感器上成像的器件，相当于相机的“眼睛”，通常由由几片透镜组成，光线信号通过时，镜片们会层层过滤杂光（红外线等），所以，镜头片数越多，成像就越真实。

手机镜头

　　从材质上看，镜头可分为塑胶透镜（Plastic）和玻璃透镜（Glass），玻璃透镜透光性以及成像质量要更好，但成本也更高，所以手机镜头大多由塑料镜片组成。

　　假若镜头由5层塑料镜片组成，我们就称其为5P（Plastic）镜头，而如果镜头由4层塑料镜片+1层玻璃镜片组成，我们就应当称其为4P1G镜头。不过由于行业对此缺乏统一的认知标准，通常会把5P镜头理解为由5层镜片组成的镜头，即使是4P1G镜头也会将其称为5P镜头。

　　目前市面上的手机大多采用5P或6P镜头，例如小米3就采用了5P镜头（4层塑料镜片+1层蓝玻璃滤光镜片），而小可乐则采用了更高级的6P镜头（5层塑料镜片+1层蓝玻璃滤光镜片），理论上来讲，小可乐的镜头成像更真实。

小米3的5P镜头

小可乐手机的6P镜头

光圈:还是大了好

　　除了过滤杂光外，镜头还决定了一个非常重要的相机参数，光圈。

　　光圈由镜头中几片极薄的金属片组成，可以通过改变光圈孔的大小控制进入镜头到达传感器的光线量。光圈的值通常用f/2.2、f/2.4来表示，数字越小，光圈就越大，两者成反比例关系。

光圈演示图

　　它的工作原理是，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。

　　除了控制通光量，光圈还具有控制景深的功能。生活中，我们时常会看到背景虚化效果很强的照片，不仅突出了拍摄焦点，还具有很唯美的艺术感，而这就是所谓的景深。光圈开的越大，景深越小，背景虚化效果就更明显。

小景深（背景虚化）效果图

　　所以，我们在选购拍照手机时，应该优先选择光圈更大的产品。

　　目前市场上的手机大多采用了f/2.4、f/2.2或f/2.0大光圈，而联想VIBE Z的光圈则达到了f/1.8，是现今光圈最大的手机

传感器

　　既然像素不是决定图片质量的关键因素，那么谁才是呢？答案是传感器。

　　我们知道，在数码相机还未兴起的时候，传统相机都使用“胶卷”作为其记录信息的载体，而数码相机的传感器就等同于“胶卷”。传感器是相机最重要的组成部分，也是最关键的技术。

　　相机传感器主要分两种，CCD和CMOS。CCD传感器虽然成像质量好，但是成本较高，并不适用于手机，而CMOS传感器凭借着较低的功耗和价格以及优异的影像品质，在手机领域应用最为广泛。

CMOS传感器

　　CMOS传感器又分为背照式和堆栈式两种，二者系出同门，技术最早都由索尼研发，索尼背照式传感器品牌名为“Exmor R”，堆栈式传感器为“Exmor RS”。

　　相对来说，传感器尺寸越大，感光性能越好，捕捉的光子（图形信号）越多，信噪比越高，成像效果自然也越出色，然而更大的传感器却会导致手机的体积、重量、成本增加。

相机、手机传感器尺寸对比

　　背照式传感器的出现，有效的解决了这个问题，在相同尺寸下，它使传感器感光能力提升了100%，有效地改善了在弱光环境下的成像质量。所以，之前在选购拍照手机时，用户都会首先考虑摄像头是否应用了Exmor R背照式传感器。

背照式与正照式传感器对比

　　2012年8月，索尼发布了全新堆栈式传感器（Exmor RS CMOS），需要注意的是，它和背照式传感器并非演进关系，而是并列关系，堆栈式传感器的主要优势是在像素数保持不变的情况下，让传感器尺寸变得更小，也可以理解为，在与背照式传感器的像素数相同时，堆栈式传感器的尺寸会更小，从而节省了空间，让手机变得更薄、更轻。

　　相比而言，背照式传感器的优势在于，在与堆栈式传感器的像素数相同时，虽然传感器尺寸更大一些，但单个像素点面积（单个感光面积）也会更大，从而使感光性能提升，自然暗光拍摄效果也就更好，整体成像效果更出色。

　　所以，两者各有特色、各有优劣，不能简单加以好坏之分，关键还要看厂商在传感器尺寸和感光能力上如何取舍。

ISP：

在说ISP（Image Signal Processing 中文译为“图形信号处理”）之前，我们先来了解一下手机的拍照过程。按动快门后，光线从镜头进入，到达传感器，传感器负责采集、记录光线，并把它转换成电流信号，然后交由ISP图形信号处理器（以下简称ISP芯片）进行处理，最后由手机处理器处理储存。

　　所以，ISP芯片是拍照过程中的运算处理单元，其地位相当于相机的“大脑”。

　　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。

一、集成ISP芯片

　　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。例如索尼xperia Z2、OPPO Find5就是采用了高通处理器附带的集成ISP芯片。

集成ISP芯片的高通骁龙处理器

　　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：1、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；2、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，这就限制了手机对传感器的选择；3、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。

　　不过这其中也有一个特例，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。