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谨防被忽悠 常见手机摄像头成像因素解析
11-08 来源: 】 浏览:次 评论:0

 随着手机摄像头发展得越来越快,各类层出不穷的技术名词也如潮水一般在我们的眼前席卷开来,但这些技术究竟对拍照画质能有多大影响呢?消费者往往对此存在疑惑。本文我们暂且不去讨论那些令人眼花缭乱的技术,仅仅就最基本的CMOS感光芯片、镜头以及软件调校这三个方面去解读一下市面上的手机摄像头。而通过对这三点的判断,相信一颗摄像头的实力也已经能看出大半了。


常见手机摄像头成像因素解析

  CMOS感光芯片

  自从数字成像技术替代胶片成像技术之后,作为实现最关键“光电转换”过程的感光芯片已经成为了成像画质最关键的因素。经过一代代技术的演变与竞争,目前 手机业界已经形成了以堆栈式CMOS芯片作为技术主体的发展态势。在感光芯片结构基本定型为堆栈式的前提下,目前我们消费者对于感光芯片的优劣主要能看得 到的参数就是“单芯片感光面积”与“单像素感光面积”。

  单芯片感光面积

  这里的指的主要是感光芯片的“感光总面积”,也就是摄影玩家常说的“底有多大”。目前手机摄像头的“底”普遍在1/3.06英寸到1/2.3英寸之间,当然也有 像Nokia 808 PureView和Lumia 1020这样比较奇葩的机型。下面笔者整理了一份常见手机与单反CMOS尺寸对照表,以方便大家直观地了解各个尺寸之间的换算关系(由于一般描述类似 “1/2.3英寸”都是采用的对角线长度,所以面积的上的差距会比看上大很多)。

 

  1/3.06英寸一般为主流拍照手机的CMOS尺寸,典型代表是苹果iPhone 6。

  1/2.3英寸一般为小型数码相机(DC)的CMOS尺寸,也有部分拍照手机CMOS达到了这个尺寸,典型代表是索尼Xperia Z3和魅族MX4。

  2/3英寸和1/1.2英寸一般介于“微单”与“小型数码相机”的CMOS尺寸之间,代表机型分别是Lumia 1020和Nokia 808 PureView。

  4/3英寸还有1.5英寸,就是典型的微单尺寸了,代表机型分别是奥林巴斯EP-1和佳能G1X。

  APS-C画幅就是常见的中低端单反的CMOS尺寸。

  单像素感光面积

  这里指的主要是单个像素在感光芯片上“分到的感光面积”,计算公式就是单芯片感光面积除以像素数量。目前市面上常见的单像素感光面积普遍在1.12μm×1.12μm左右(以IMX214、1300万像素为例,以下将直接写为1.25μm²方便更加直观得对比),当然也同样有像HTC Utral Pixel摄像头那样达到4μm²的,当然这是特例。以下是笔者整理的主流拍照手机单像素面积对照表,方便大家查阅。

主流拍照手机单像素面积对照表
手机型号 单芯片感光面积 像素数量 单像素感光面积
HTC M8 1/3英寸(16:9) 400万 4μm²
iPhone 6 1/3英寸 800万 2.25μm²
Nokia 808 1/1.2英寸 4100万 1.96μm²
魅族MX4 1/2.3英寸 2070万 1.44μm²
Xperia Z3 1/2.3英寸 2070万 1.44μm²
Lumia 1020 1/1.5英寸 4100万 1.25μm²
vivo Xshot 1/3英寸 1300万 1.25μm²
GALAXY S5 1/2.6英寸 1600万 1.25μm²
从上表可以看出,单芯片感光面积大的未必单像素感光面积就大,这还要取决于像素的数量而定。那面对如此多种的组合,我们应该如何去选择呢?这里我们就要 将像素数量和单像素感光面积组合起来看了(由于这两者乘起来也就是单芯片感光面积,所以看一款手机的“底”有多大也是估计其拍照画质的一个粗略参考指标, 至于更细致得就要看更详细数据了)。

  像素数量是否越多越好?

  首先,在保证一定的单像素感光面积下,增加像素数量是可以提高手机的解析力的。换句话来讲,就是高像素设备会比低像素设备收集到更多的细节,你放大来看会更清晰。但是加大像素数量会带来这样几个问题:

  1.数据量吞吐:典型例子就是Lumia 1020,由于其自身的ISP处理性能不够,导致其拍摄后处理时间较长影响体验,而且照片也比较占据内存空间。当然现在骁龙801处理器自带的双ISP已经拥有了足够的性能去处理高像素的数据吞吐量,但是拍摄后占据内存空间的问题依然存在。

  2.对单像素面积的妥协: 由于目前手机尺寸的关系,机身内部对摄像头感光元件尺寸也是有很大限制的。所以一般在提升像素数量的同时,很难再提升单像素面积,甚至是降低单像素面积, 这样就会造成摄像头对光线的收集能力减弱(单像素面积越大收集到光线越多),从而造成“高感画质”变差,“宽容度”下降等问题。

  3.高像素的实用性: 目前我们使用手机拍摄的图片基本都是在手机屏幕上观看,那么即便是1920×1080的分辨率也仅仅只需要200万像素。那假如有朋友需要裁剪呢?800 万像素也足够你裁剪掉3/4的画面也能够满足手机屏幕的浏览需求了,而且这个像素数量也基本能够满足4K的需求(3840×2160等于830万像素,当 然这是在你不裁剪的情况下)。所以目前动辄1300万以上甚至2000万像素在实用性上看来并不如800万更好。(因为高像素会损失宽容度以及高感性能)

  单像素面积与高像素如何进行取舍?

  从经验上来讲单像素面积越大越好,而像素数量超过一定范围则实用性大大降低。所以很明显的取舍就是在保证足够使用的像素数量下,尽量增大单像素感光面积,这 样对于画质的影响是最为积极的。当然,这只是在同一工艺结构水平的CMOS传感器中的理论比较,毕竟工艺与结构上的升级相对来讲才是更加巨大的。至于 IMX135是不是一定比IMX214要差呢?那还要看镜组搭配以及软件调试的好坏了。毕竟拍照画质这东西遵循木桶原则,哪一个方面做不好效果都不会好。

  摄像头的镜组

  与数码相机的原理一致,CMOS决定了手机摄像头至关重要的总像素和感光面积,而手机成像时的光圈和焦距则完全由手机镜头来控制,镜头采用的不同也是直接导致成像效果差异的主要原因。

  决定手机的光圈和焦距

  首先我们必须知道,手机镜头由于空间所限,无法做到光圈大小和光学焦距的调节,这就意味着所有的手机镜头都是恒定光圈的定焦镜头。很多手机厂商宣称它们 的手机镜头光圈达到了F/2.4甚至F/2.2,这是一个相对而言的光圈标准值,数字越小代表可用光圈越大,但是依然不能跟数码相机镜头的光圈相提并论。


两种不同的手机镜头模组

  接下来就是镜头焦距,除了已经过时的MF(手动对焦)镜头之外,目前手机上分为AF(自动对焦)和ZOOM(光学变焦)两种级别,一般使用的是AF级固 定焦距镜头,也就是拍照应用打开之后的默认焦距,在这个焦段下,通过镜头和CMOS协作就可以在屏幕上显示图画,并且显示的画幅是固定的。虽然有些手机支 持10倍数码变焦,但往往都是通过技术手段实现,最终效果并不理想。而少数支持光学无损变焦的是ZOOM级别的变焦镜头,其外形已经接近专业相机的镜头 了。

  以iPhone 4S和iPhone 5为例,以下两张图分别为它们的拍摄样张,其中iPhone 5的照片是苹果官方提供的,而iPhone 4S则是外媒记者专门到拍摄地点特地拍摄的。


iPhone 4S拍摄样张(35mm等效焦距)


iPhone 5拍摄样张(33mm等效焦距)

  从照片的EXIF数据分析,苹果iPhone 5内置的镜头等效焦距为33毫米,而iPhone 4S的镜头等效焦距则为35毫米,这样一来iPhone 5的拍摄范围要稍微大一些(焦距不同和镜头优劣并无关系)。单单从这一张照片的表现上看,iPhone 5要好于iPhone 4S,图像的边缘锐利饱和度也更高,而且由于焦距的差别,取景范围会广一些。

  手机镜头的内部构造

  在微小的手机镜头里面,主要分布着Sensor、IR和Lens最重要的三重结构,分别是图像感应器、红外滤波片和镜片。其中影响手机镜头部分最重要的因素就是Lens的构造。


手机镜头的内部构造图

  Lens一般有两种材料,一种是球面玻璃(Glass),代号为G;另一种是非球面塑胶(Plastic),代号为P,手机镜头制造商在前面用数字表示镜片数量。例如厂商们宣传的5P或6P镜片,意思就是它们的手机镜头采用的是5层或6层塑胶镜片。

  事实上,真正成像好的镜头理论上必须使用玻璃镜片才能够达到,比如使用4G镜片。我们知道玻璃镜片的透光率高于塑胶镜片,而且光学折射和热膨胀系数远低 于塑胶,但是唯一的缺点就是制造成本高、工序复杂,在成本低廉的手机上不可能大规模采用,没有谁愿意花费高昂的代价使用全玻璃镜片。好在目前非球面塑胶的 工艺在逐渐提高,基本可以满足民用摄像领域。


手机镜片之间的两种镀膜

  另外,稍微提一下镜头镀膜。镜头镀膜分为增透膜和滤色片镀膜两种,分布于手机镜片之间。增透膜主要用于提高光线在镜片之间的通过率,从而改善鬼影和眩光 问题(由于镜片构造所限,只能称之为改善,无法彻底杜绝);滤色片镀膜主要用于控制画面的色彩均衡。在透光率和清晰度这两个矛盾之间,并不是单纯认为镜片 越多越好或者越少越好,而是达到整体的协调性才是最重要的。事实上,最外面一层的保护玻璃,姑且也可以认为是一层镜片,而且是影响透光率最为主要的镜片, 所以用手机拍照之前记得一定要保证镜头是干净的。

  手机镜头的认证标准

  手机的大范围普及不过是最近十几年的事情,世界上第一台拍照手机来自日本夏普,世界上第一台千万像素拍照手机来自三星,而将手机摄像头发扬光大的的却要归功于诺基亚和索尼。不仅仅是因为它们的手机出货量很大,而是率先引入了手机镜头的认证标准。


手机所采用的三种镜头认证标准

  按照时间顺序,以上图表列举了三种最为常见的手机镜头认证标准和典型手机厂商。一般认为,配备标准认证镜头的手机摄像头,其拍照素质将更有保障。

  当然,也不必因此而神化手机镜头的认证标准。事实上,这些经过认证的手机镜头并非由认证机构原厂生产,而是指它们的镜头达到了该镜头认证商的制造标准或性能标准,一定程度上具备更稳定的使用价值,起码能让用户感受一些品牌的魅力,获取用户的好奇和信任。

  摄像头的软件调校

  上文分别说到,CMOS感光元件和镜头是两个影响拍照质量的重要因 素,那么最后要说到的因素就是厂商对摄像头的调试了。在手机拍照中,厂商的调试和优化可以说是成像的最后一道关卡,是直接影响拍照质量的。毫不夸张地说, 哪怕感光元件、摄像头等并不占优势,只要厂商对摄像头、成像的算法优化、调试得好的话,拍照出来的质量依然是杆杆的。这就好比一样的食材煮同样的菜式,好 的厨师能将最普通的食材烹饪成最美味的佳肴。因此,拍照质量也是十分考验手机厂商的优化功力。

 

  但是,厂商会对手机摄像头会进行什么样的调试优化,这是涉及手机厂商的摄像头方面的技术专利,一般只是公布其技术名词,基本上是不对外公布其细节的。因 此笔者也没有办法在这里探究每个手机厂商具体的调试方案的具体参数,那么最直接的比较方法就是为大家呈现不同厂商手机的拍照效果。

索尼IMX214传感器技术参数
传感器尺寸
对角线 5.867mm(1/3.06英寸)
有效像素
4208 (H) × 3120 (V) 约1313万像素
传感器制造工艺
193nm ArF沉浸式光刻 & H2O浸液65nm节点 & 背照式+厚度降低结构
单位像素 1.12 µm (H) × 1.12 µm (V)
输出格式 MIPI 4, 2 Lane
HDR视频录制
1300万全像素 30帧/秒 & 4K 30帧/秒 & 1080P 60帧/秒
索尼IMX214传感器凭借其优秀的画质已经被现在众多的主流旗舰机所采用,所以笔者就挑选了数款搭载IMX214传感器的机型来进行对比,来看看它们之间的相机优化差别。它们分别是一加、Find7、锤子T1和小米4,接下来就来对比样张:


一加、Find7


锤子T1、小米4

  从第一组的照片中就可以看出四款手机之间的拍照差异了。小米4的照片色彩最为浓烈,饱和度比较高,但是色彩过渡略显生硬,一加手机的次之;而Find7和锤子T1在色彩方面就相对保守些许。


一加、Find7


锤子T1、小米4

  在此场景中,一加、Find7的拍照效果大致相当,色彩的倾向和风格都趋于一致,画面看起来也是比较舒服的;锤子T1色温略偏冷,而小米4的样张色温则明显偏暖。可见在白平衡方面,前三家厂商的算法和调节效果都是比较相近的。


一加、Find7


锤子T1、小米4


在这组样张中,一加和Find7的照片风格也是大致相同,两者看起来是近乎一致的,只不过锤子T1和小米4在色彩方面也是更为鲜艳一些。

  从以上的三组对比样张中可以看出,虽然四款机型均是搭载了相同的索尼IMX214传感器,但最后得出的照片相互是呈现出不同差别的。如在色彩方面,小米4就 调校得比较鲜艳,可见不同厂家的成像算法和对摄像头的调试,会影响照片最终的画质效果、色彩风格、画面观感和白平衡等表现。

  总结:

  手机摄像头的发展可以说一日千里,其中对拍摄画质提升十分巨大的技术笔者也并没有完全覆盖到。比如传感器层面上的三星ISOCELL技术就能够大幅提高 进光量,这使得其单像素面积虽不大但也能获得很好的画质;镜组方面也还有光学防抖技术能够提升快门时间,对进光量也有着巨大的提升。所以消费者要擦亮自己 的眼睛,一切最终还是要用样张来说话。笔者推荐最好自己去专卖店试一试,这样才能够最接近实际使用中的效果。


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