手機相機的成像技術介紹

1、手機相機的成像技術介紹如今網絡社交發(fā)展迅速，手機的拍攝功能越來越受消費蕎重視，每個人都奮拿起手機 記錄精彩瞬間的實際需求，然而手機不是單反，無論是捫攝硬件還是軟件，都不太討能做 到非常專業(yè)的水平，在競爭激烈的市場中，為丫讓自己的產品脫穎而出，廠家也紛紛使出 撒手锏，寅稱£1家手機的攝像如何先進。本文就從像素與淸晰度、傳感器、雙攝像頭、人 光閣鏡尖、isp、攝像義軟件技術、閃光燈、鏡片數(shù)量等方而介紹各廠家手機相機成像的最 新技術發(fā)展狀況。一、像素與清晰度攝像失像素是否越高越好？當然500萬像素比200萬、300萬像素好，但1300萬像素 不一定比800萬像素好。htc支持“像素并非越髙

2、越好”這一觀點。這家公司之前推出過 1600萬像素攝像頭智能手機htc titan ii。兒年前該公司的旗艦智能手機htc one的攝像 尖像素僅為400萬，htc的解釋是單純拼像素的年代已經結澩，于是htc采用ultrapixels （超像素）技術提升拍照質鬚:，它的像素尺寸比傳統(tǒng)像素尺寸人，可吸收更多光線。一個®質m 500萬像素攝像尖的拍攝能力極有可能勝過一個劣質1200萬像素攝像頭。攝像尖的捫攝效果優(yōu)劣不是由像索的多寡來決定，而是由整個攝像頭模塊質s優(yōu)劣決定。 整個攝像頭模塊里包含多個部件，如鏡頭的尺寸和制作材料、光傳感器、圖像處理硬件以 及軟件等。另外圖像傳感器的尺十也極度

3、重要。一般說來越大的傳感器像素就越大，而像素越大 就能吸收更多光線，更多光線意味著更好的照片。數(shù)碼照相機800萬像素拍攝效果比同等 像素智能手機拍攝效果好的原因就在于，數(shù)碼相機扱像頭擁有史人的傳感器，可吸收更多 光線。更多光線就意味著更少的噪點以及更好的動態(tài)范圍。當手機像素集體從100萬跳至200萬像素時，就要縮小像素尺寸，在圖像傳感器保持 不變的情況下放入更多像素。像素尺、r變小，導致光線更難進入傳感器中的感光部分，最 終導致圖八分辨率提升不大，噪點反而更多了。像素數(shù)呈和傳感器物理尺寸之間的關系正 是部分800萬像素智能乎機攝像頭拍照效果超過1200、1300萬其至1600萬像素的原w。智能

4、手機迫求纖溥也對傳感器尺、r進行了限制。既然無法通過增加尺十提高相片質量, 那便只能采用増加像素的方式。pureview技術的核心部分就是將4100萬像素的圖像“濃 縮”到500萬像素的圖像，這就是“超采樣”過程，在實際過程中，每8個像素點會被整 合成一個“超級像素點”。這也就意味著，同樣條件k,同樣強度的光線在進入鏡頭后會 照射到比一般500萬像素傳感器所擁有的大得多的像素點上。二、傳感器手機上而的傳感器主耍分為cmos與ccd w種，其中ccd成像質量好，但是制造工藝 fi雜，能夠生產的廠家也比較少，價格也相對來說比較高，并.r.功耗也很高，因此不適合 在移動沒備上使川。而cmos傳感器耗

5、電低，似足岡質水平比不上ccd,不過隨肴技術的提高，coms的畫質已經逐步趕上了 ccd,另外，在相同分辨率下，cmos價格比ccd便宜，所 以fi前市面.k的手機攝像久都采用cmos傳感器。通常cmos傳感器又會分為：背照式cmos傳感器和堆棧式cmos傳感器。所謂背照式 cmos傳感器m:實是與傳統(tǒng)正照式cmos傳感器相比的。簡單來說就是將光電二極管和布線 層進行對調（如上圖），從而讓光線首先進入感光電二極管，從而垴大感光量，姑著提高 低光照條件下的拍攝效果。像我們所熟知的iphone4/4s、小米2s、魅族mx2、索尼lt26i 都是搭載的這類傳感器。最先開始的為背照式傳感器，其首先被府

6、用在索汜公司的dv產品 上面，通過改良傳感器的結構，讓光線先進入感光二極管，而傳統(tǒng)的cmos傳感器的感光二 極管被置于電路晶體管p方，這樣的改進大大提高了開口率，捉高了傳感器的信噪比，為 小尺寸傳感器畫質帶來了飛躍式的進步。憑借iphorw4這款當初號稱“再-次改變一切”的于機，背照式cmos傳感器開始在手 機上而發(fā)揚光大，手機夜捫的實用性大大提高，而它的到來也為乎機攝像尖傳感器掀開了 新的篇章，畢競各人手機廠商都喜歡拿每代一代新的iphone做對比，甚至以“秒” iphone 為樂，催生了 一批批采用背照式傳感器的手機出現(xiàn)。表面照射型原理囲背照型原理圖（光電二極笆而堆棧式cmos傳感器則是背

7、照式cmos傳感器的衍生產物，它是r前手機攝像失中 應用廣泛的一種，也是敁先進的一種，屬于索尼的獨家技術，但敁先是被應用在2013年 oppo的頂尖機型find 5上面，在擁奮背照式傳感器結構的基礎上，把信號處理電路芯片 放到后而去，做成堆棧式的設計，增大了傳感器感光的而積，m時加入白色像素，進一步 提高了信噪比。最新的第二代堆棧傳感器己經發(fā)布，并最應用奮:最近發(fā)布的oppo find 7 與一加手機上面。堆棧式cmos傳感器使川行信兮處理電路的芯八替代丫股米背照cmos圖像傳感器的支 持基板，在芯片上重疊形成背照cmos元件的像素部分，從而實現(xiàn)了在較小的芯片尺寸上形 成人量像素點的工藝。由于

8、像素部分和電路部分分別獨立，因此像素部分可針對商畫質優(yōu) 化，電路部分可針對高性能優(yōu)化。三、雙攝像頭傳感器尺、r和鏡義素質直接決定了相機的成像質量，/十:智能手機中，由于體積和厚度 的限制，不可能無限提商傳感器尺寸和鏡頭的光孕素質。在這種怙況下，通過加入第二顆 攝像頭來提高成像質m就成了一個自然而然的選擇。從單攝像義過渡到雙攝像炙可以看做 是二維到三維的過渡，這個應該比較容易理解，二維只冇x、y兩個軸，比如一張素描o， 我們整體的感覺是“平”的，而三維則是多了一個z軸的維度，這個z軸的直觀理解就是 點離我們的距離。就仿生學來說，乜括人類在la）的許多動物都足兩只眼晴，而昆蟲等動物 擁冇數(shù)fi眾多

9、的眼睛，我們稱之為陣列?？梢哉f，手機從單攝像爻到雙攝像孓或陣列鏡尖 是一次自然進化的結果。現(xiàn)論上，w顆1300萬像素的攝像頭，通過算法合成可拍攝出接近雙倍淸晰度的照片， 即接近2600萬像素的照片。在實際拍照過程屮采用雙攝像失能拍攝到更多畫面細節(jié)。這就 解決了當前單攝像頭方案的像素越高模組高度越人，但乎機卻越做越薄的矛后。另外，雙攝像頭在弱光環(huán)境下拍攝的照片也會有更佳的效果，因為采川雙攝像頭，其 入光量理論上會增加一倍，能夠直接提高照片的感光度，降低圖像噪點，在弱光拍照和夜 景拍攝中效果表現(xiàn)更佳。還有就是在寬動態(tài)的表現(xiàn)上，單攝像頭方案在逆光情況下，通常都難以拍攝到清晰理 想的照什，要么喑乎乎的

10、一什，要么就a花花的一片。雙攝像久也能夠冇效的解決這個悶 題。通過算法實現(xiàn)更智能的hdr,寬動態(tài)更加優(yōu)秀。而在對焦方面，雙攝像頭也可以更加智能，傳統(tǒng)的拍照是先對焦后拍照，而雙攝像頭 方案卻顛覆了這一傳統(tǒng)，nj*實現(xiàn)先拍照后對焦。不耑要在捫照時提前對焦，只需對準畫面 點擊按鈕完成捫攝，手機就會自動保存不同焦距的照r,捫完活迕預覽或者圖庫里找到圖 片，點擊照片任意位s即可實現(xiàn)重新對焦，這也足我們前面提到，人眼能夠實現(xiàn)的效果。華為剛剛發(fā)布的p9手機就是雙攝像尖，華為p9在相機方而最主耍的提升在于對于低 光照環(huán)境的優(yōu)化，徠卡深度參與丌發(fā)過程。采用實際焦距27mm的光學鏡頭，支持最人 f2.2光圈。華為

11、p9的相機擁有1. 25um的單個像素尺寸,采用索尼最新imx286處理器， 可以們拍攝1200萬像素的照片。鏡義方而，華為p9前置800萬，后置雙1200萬像素攝像 頭，配備索尼12mp imx286鏡頭傳感器，支持激光對焦、反差對焦以及深度對焦三種方式, 在1.2m以內的距離閃將采用激光對焦，用以提升對焦速度，在1.2m之外的距離將采用景 深對焦模式。另外，得益于雙攝像頭，華為p9還可以通過軟件算法實現(xiàn)接近專業(yè)的背景虛 化效果。在去年的mwc大會上，以色列的創(chuàng)業(yè)公司corephotonics副總裁說：“corephotonics 雙鏡頭技能始于2014年，第一代產物在2015年根基成型，似

12、供給鏈并未完滿。目前，開 辟和供給鏈環(huán)節(jié)都已成熟，可以或許完滿順應今朝智能手機的處理處罰器及應用設施架 構”。這種勇敢的實驗帶來的不光僅足新奇外且足技能的奔騰。之前就一貫傳聞iphonc7 或7plus將擁有雙攝像尖，這只是一個推測，但卻是有依據(jù)的揣摩。因為蘋果固然不會落 后，蘋果收購了以色列另一家主攻攝像尖技能的linx imaging公司。冋首整個手機生長史，將手機的照相成果媲美相機無疑足手機生長的美妙愿望，純真前進像素足一個方淅，而若 何加強手機照ffl的質感則是另一個完滿辦理方案。四、大光圈鏡頭光圈的大小影響了單位時間閃攝像頭的光線通過m，所以大光圈越大的攝像頭在同一 時間內進光s越多

13、，要求達到同樣亮度時對快門與iso的要求更低，這意味著冇火光圈鏡 頭的手機，能讓用戶在弱光環(huán)境卜用安全快門與較低iso的情況下拍攝更為靚to的照片。其工作原理是，光圈開得越人，通過鏡頭到達傳感器的光線就越多，成像畫而就越明 亮，反之mifii就越暗。因此在:夜捫或暗光環(huán)境下，人光圈的成像優(yōu)勢就更明顯。攝影愛好 者都知道，照片的亮度可以通過快門、光圈、iso來控制，而提髙iso往往會增加噪點。 在弱光環(huán)境下，我們一般通過人光圈或更慢的快門來獲得現(xiàn)想的照片亮度。而過慢的快門 速度容易拍出抖動的照片，特別對于手機來說，先從光圈動腦筋比較好。除了控制通光景，光闡還具有控制景深的功能。所謂景深，就是當焦

14、sl對準菜一點時， 其前后都仍可清晰的范圍。它能決定是把竹景模糊化來突出拍攝對象，還是拍出清晰的竹 景。簡單來說，景深小可以拍出背景虛化的照片，景深大可以拍出清晰的背景。而光圈跟 景深的關系是，光圈越人景深越小，背景虛化效果就央明濕，光陶越小景深越人。通過加 大光圈提高拍攝質量，在近段時間比較成功的例子有iphone6,其相對于iphone5來講， 光圈由f2.4加大到f2.2,加大了進光量，弱光k拍攝會更為淸晰。三呈的galaxy s6更 是搭載f1. 9大光圈鏡失、實時hdr和ots光學防抖功能，即使在強光或喑光環(huán)境下也能從 容拍攝，ots光學防抖有效避免成像模糊。自動對焦與快速啟動。另一

15、方面，大光圈鏡頭也 為手機攝影帶來了更為唯美的景深效果。f/2f/2.8f/s.6f/sf/nf/j6f/22不同人小的光圈人鏡尖光圈大也不一定是好事，這帶來了凼而銳度與邊緣m質難以控制的缺點,但總 的來講，大光圈鏡尖對手機來講還是利大于弊。五、ispisp (image signal processing)就是圖像信號處理單元芯片，可以稱作為相機的大 腦，它分為獨立與集成兩種形式，在b動對焦、過濾圖像屮的雜訊、人臉識別和&動場景 識別等多個功能當中，都離不開1sp。一般情況下，配備獨立1sp的手機，在圖像處理方wf冇更人的優(yōu)勢，且隨著手機攝像頭像素的提高，高速連捫，全高淸ttii4k

16、錄制的加入， 手機對1sp的處理性能要求越來越高。1sp芯片的作川就足對傳感器輸入的信號進行運算 處理，最終得岀經過線性糾正、噪點去除、壞點修補、顏色插值、白平衡校正、曝光校正 等處理后的結果。tsp芯r能夠在很大程度上決定手機相機最終的成像質量，通常它對圖 像質量的改善空間可達10%-15%。isp芯片分為集成和獨立兩種，獨立isp芯片處理能力優(yōu)于集成isp芯片，但成本更 高。當前的手機人多采用處理器附帶的集成isp芯片，也就是isp芯片集成在手機的處理 器里。h前高通驍龍系列、英偉達tegm系列處理器內部都集成有tsp芯什。索尼xperia z2、oppo就是采用了高通處理器附帶的集成is

17、p芯片。采川處理器配套的集成tsp芯八優(yōu)勢是降低丫乎機的研發(fā)和生產成木，但缺點是：優(yōu) 秀的處理器廠商并不一定擠長開發(fā)isp芯片，其成像質量不如獨立isp芯片；無法保證與 所選川的傳感器契合，兩苕如果配合不好，對成像質量是有負作用的；當前相同價段的手 機大多采川相同的處理器，相同的處理器就意味著相同的tsp方案，這就導致嚴重的同質 化現(xiàn)象。不過也脊一個特例，那就是iphone。眾所周知，iphone搭載的是家的蘋果處理 器，所以盡管iphone采用了集成isp芯片，但以上缺點卻是不存在的。獨立isp芯片是獨立于處理器而存在的，覓然成木較但優(yōu)勢也是比較明顯的。除 了運算能力、成像質量更優(yōu)秀外，一般

18、的獨立isp芯片都是手機商h'd isp提供商定制的， 所以與相機其他組件的契合度更佳，成像也有屈于pl己的風格、特色。市而上還有很多通 過配備性能以好的isp而提升拍攝性能的例子，例如前段時間熱門的oppo n3,擁有強大 的數(shù)裾處理能力，它能通過算法能實現(xiàn)一張合成的5000萬像素照片。iphoneg也是一個例 了，通過a7處理器的加入，自動對焦提開了兩倍，照片連捫的速度也更快。六、攝像頭軟件技術除了 isp芯片處理外，軟件算法m樣對手機成像效果起到至關重耍的作用。isp芯片 對傳感器輸入的電流信號進行處理首先會生成未經加工的原始閣像，而軟件算法就好 比對原始閣像在lai部進行了一番

19、“ps”，優(yōu)化閣像的色彩、色凋、對比度、噪點等，最后 生成我們所看到的jpg格式閣片。當然，由于每個人的ps技術和風格都不一樣，所以即便是同一張照片，每個人最終也 都會p成不同的風格。同理，毎部手機的軟件算法不同，最終的成像效果和風格也是不一 樣的，比如vivo手機通常會提升對比度，而iphone則追求自然的效果。敁重要的足，如果軟件算法優(yōu)秀，就可以把圖片優(yōu)化的很漂亮。所冇一部手機要捫出 好照片，就要軟硬兼?zhèn)?，正如市面上很多設備都配有索尼的1mx135攝像頭模塊，但在實際 捫攝上而，還是各廠家之間冇較大的差距，所以攝像義軟件優(yōu)化對一部手機來講也是非常 重要的。在手機攝像尖軟件優(yōu)化方謝，蘋果是業(yè)

20、界公認的標桿，其充分挖掘丁攝像爻的性 能，優(yōu)異的算法隱藏在“傻瓜式”拍攝界面的背后，u:川戶能夠較松地拍出好照片。iphone手機的拍攝界面簡單，但能讓每一個用戶輕松上手，且其色彩的飽和度比較高， 捫攝色彩豐富的物品吋會顯得非常討好人眼。focus pixel是蘋果獨創(chuàng)的技術，木質上來 說也是一種相位檢測像素技術，被應用到了 iphone6和iphone6 plus的身上。得益于蘋果 設計的全新圖像信號處理器，focus pixels可為傳感器提供更多圖像信息，帶來史好史快 的白動對焦，其至在預覽時就可一 h 了然。它們現(xiàn)在可以拍攝30/60 fps的1080p視頻， 以及240fps的720

21、p的慢動作視頻。nubia z7號稱手機當屮的單反相機，其內置了不少一般手機少有的專業(yè)功能，當屮可 以稱之為王牌的是測光與對焦分離功能，這讓用戶能夠在光線復雜的環(huán)境下拍攝fh更為明 亮的照片，使更為接近人眼真實所見。三s galaxy s系列的拍攝軟件出了名的功能多，而在新一代的旗艦機型galaxy s6上 面，多了相位檢測自動對焦(pdaf)功能，與傳統(tǒng)的“對比”檢測技術相比，相位檢測技 術可以更快更準確的對焦到fi標上，尤其是在比較&喑的場景下。這個軟件能夠在捫攝 50cm距離以外的物體時，-鍵完成多種對焦點選擇，帶來不同的畫面。它的原理是相機預 先拍攝一張泛焦的照片，然后通過后期

22、處理，通過選擇對焦點的不同實現(xiàn)3部虛化，有一 定的趣味性。&從塞班吋代己經注重手機拍攝功能的諾基亞，在手機拍攝領域奮一定的造詣，其不 少windows phone 8手機擁有特色的專業(yè)拍攝功能。相機軟件創(chuàng)新性地通過類似轉盤的方 式讓用戶能夠快速進行設置，設置界而非常直觀，用戶a己設置的參數(shù)一鬥了然?？偟膩?講，m然手機拍攝的功能越來越花俏，但手機拍攝的宗旨是隨拍，一部相機軟件優(yōu)化良好 的手機，最重耍的是能讓用戶在打開捫照界而后最短時間內拍攝到滿意的照片。激光自動對焦最初出現(xiàn)在lg g3的身上，這種對焦技術需要在智能手機的鏡頭上附加 一個微型發(fā)射器。相信人家之前一定都聽說過在逑筑或室a裝

23、修領域，工人們會用到激光 技木來確定高度或水平距離。而lg g3上使用的1300萬像素激光自動對焦攝像尖就采用了 比較類似的工作原理。在lg3背謝的發(fā)射器可以發(fā)射出低強度脈沖激光，然f通過相機左 側的紅外傳感器將反彈折射回來的信號進行回收，從而實現(xiàn)對焦的鬥的。聯(lián)想4:去年的mwc移動世界大會上展示的最大亮點之一就是主打捫照的vibe shot。 這款機型除了鋁金屬和玻璃機5之外，還配備了 1600萬像素0is光學防抖鏡義和三色lisd 閃光燈，當然還有紅外自動對焦功能?；旧线@是lg激光對焦的另外一個版本，可以讓 vibe shot比普通的自動對焦技術快上2倍。七、閃光燈閃光燈是增加相機曝光呈

24、的方式之一，在暗光環(huán)境卜會打焭周圍景物，從而彌補光線 不足，提升皿測亮度。另外，在光線雜的環(huán)境下，利用閃光燈可以去除雜光，使照片的 色彩還原更為真實。手機上面的閃光燈，主要分為氙氣閃光燈與led補光燈兩種，因為led閃光燈的功耗 較低，成本低廉，補光效果明敁，且體積較少符合手機變薄的趨勢，在手機上面廣泛應用。 氙氣閃光燈足一種含有氙氣的新型閃光燈，它可發(fā)出非常接近太陽光的光線，不過由于其 成本較高，在手機中的應用率較低，諾恭亞lumia 1020就是采用了氙氣閃光燈。在市場競 爭的驅動下，閃光燈已經由數(shù)量的競爭走向質量的競爭，不再單只強調配備多少顆閃光燈。普通的雙led補光燈除了使亮度增加外，

25、跟單個led補光燈沒有實質性的區(qū)別，而 iph（）ne6的雙true tone閃光燈則有很大不同。iphone6的雙true tone led補光燈并不僅 是為了提供更多的光線，更重要的是為了提供更準確的光線顏色。白色lro補光燈通常只 會模仿陽光的顏色來提供光線，往往異致凼血偏藍、偏冷等色彩失實的m題，而iphone6 在白色補光燈下又增加了一枚琥珀色閃光燈，兩者分別提供不m色溫的光線，從而使光線 達到平衡，混合后便獲得跟拍攝場景吻合的理想畫面色彩。以htc m8和iphone6為代表的雙色溫led閃光燈開始出現(xiàn)，這樣的閃光燈能根據(jù)環(huán)境 的需要調節(jié)兩燈發(fā)光的強度，以達到更為接近自然的效果，做到了強度比單閃光燈強，色 溫比普通雙閃光燈更為準確，總體來講冇著較好的實川性，相信這些解決方案會在u沿廣 泛應用。另外，vivo xshot也是采川將別的閃光燈解決方絮。八、鏡片數(shù)量鏡頭是將拍攝景物在傳感器上成像的器件，就如同我們的眼睛一樣，人類的眼睛存視 網膜，那么鏡尖呢？鏡頭通常由由幾片透鏡組成，光線信號通過吋，鏡片會e層過濾雜光, 因此鏡片越多其過