玩了这么多年手机,你知道手机是怎么拍照的吗?

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1975年,在美国纽约罗彻斯特的柯达实验室中,一个孩子与小狗的黑白图像被CCD传感器所获取,记录在盒式音频磁带上,这是世界上第一张数码照片。

图片 | gigazine.net

得益于感光元件的发展,2000年的时候,数码照相功能被搬到了手机上,人人都是摄影大师的时代到来。但玩了这么多年手机,你知道手机是怎么拍照的吗?

手机主要从3个核心角度完成拍摄:看远近、辨明暗、识颜色。

看远近

镜头是什么?最简单的镜头就是一个凸透镜。光学概念上,改变凸透镜最佳成像距离的方法有两种:改变透镜的焦距或者改变透镜到感光元件的距离。手机使用马达控制镜头和感光元件之间的距离,以此来实现对焦。

真正用在拍摄中的镜头,不会只有一个凸透镜,通常还会有多个凹透镜或非球面镜,来矫正光学畸变。

现在的很多手机也会有多个镜头

辨明暗

在知道手机摄像是如何辨明暗之前,我们先了解一下什么是像素。

像素是图像的基本单位,它们通常以点或方块的形式显示,呈棋盘网格式排列。每个像素都有确定的位置和颜色值,照片就是像素点的二维集合。在没有经过有损的压缩,或镜头合适的前提下,单位面积内的像素越多代表分辨率越高,所显示的影像也就越接近真实物体

感光元件的作用就是确定每个像素点的明暗值。手机内使用的感光元件是CMOS芯片,由数百万个互补式金属氧化物半导体组成的像素阵列,一个半导体就是一个像素点。当暴露在光下时,CMOS可以感应光线,产生与光强度成正比的电荷,通过测量电荷,就可以获得像素的光亮数值,也就得到了图像的灰度。

识颜色

图像的灰度已经确定了,那么该如何获得物体的颜色呢?

在每个感光元件上都覆盖一个红、绿或蓝色的滤光片,组成一个彩色滤色阵列,这个方阵被称为Bayer Filter (拜尔滤色镜)。这个滤光片阵列让每个像素只呈现一个单原色,处理器接收到的数据图像其实是一个三色棋盘。但是经过拜尔滤色镜的光是有缺失的,如果直接输出,将会得到如下图片:

这咋跟妈妈牌毛衣似的,保真度也太差了。这个时候,就需要靠数字信号处理器(DSP)进行色彩还原了。怎么还原呢?按照“近朱者赤,近墨者黑”的法则。如果绿色滤光片覆盖像素,我们需估计该像素的红色和蓝色分量,绿色像素附近必定有红色(蓝色)像素,只要取周围红色(蓝色)像素的平均值就好。

图片 | Wikimedia Commons

DSP将处理过的数据编码为手机所支持的图像、分辨率等数据格式,然后存储为图像文件,写在手机存储器中,我们也就得到了一张高保真的照片。


一个酷炫的光线测试

手机摄像能够模拟人眼,将光信息转化成电信息,再通过处理器最终输出一张高清照片。但在光线不足的时候,手机又该怎么看远近、辨明暗、识颜色呢?

我们做了一个光线测试,将同一个镜头放置在不同的光线环境中,看看TA的表现吧~

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视频里我们一共做了7个实验,并且用OPPO Reno拍摄了7张照片↓

7个现象所需要的灯光是不一样的:氯糖反应、鲁米诺和焰色反应,因自身发光,不需要额外的灯光,环境较暗;黄金雨和碘都是晶体,为了让他们闪耀起来,需要给一束光;氢氧化物沉淀和颜料色彩较多,需要较明亮的环境光才能拍清楚细节。

鲁米诺拍摄花絮,光线较暗

如此高清的照片,OPPO Reno是怎么做到的?

我们知道,在暗光下提高拍照质量一般有三种办法:提高CMOS芯片的感光能力、增大光圈、延长曝光时间。

OPPO Reno为了拍出更美的夜色,不仅在镜头、CMOS芯片、光圈上精益求精,还配备了全新的复合多帧算法,通过合成多张照片,呈现出更好的光影效果。


第1招:提高感光能力

OPPO Reno主摄采用索尼IMX586, 1/2英寸大尺寸sensor,容纳4800万个光敏元件,翻译成人话就是4800万超清像素。另外为了扩大单个像素感光面积,索尼IMX586将4个像素点作为一组,可以提高手机的感光度。在暗光环境中,OPPO Reno能够捕捉到更多的光线,看清“暗物质”,让画面更清晰。

图片 | sony.net

4800万像素的主摄+1300 万潜望式长焦镜头+800 万超广角镜头的三摄组合,造就了OPPO Reno的10倍光学变焦,让你看得更远。


第2招:增大光圈

光圈,其实就是镜头的“瞳孔”,控制着进光量。当环境光强烈时,我们的瞳孔会收缩变小,上下眼睑也会适当合拢,尽量减少光线进入;而当环境光变弱时,瞳孔就会扩大,配合睁大眼睛的动作,增大进光量。

眯眯眼 | giphy.com

同理,在光线不足的环境下,可以通过扩大光圈的方法来满足拍摄需求。OPPO Reno采用F1.7超大光圈,让进光量更多,在黑暗的环境中也能拍出明亮的照片。


OPPO Reno拍摄的夜景

同时,因为进光量的增加,快门可以变得更快,运动的物体也就可以被镜头凝固下来。比如idol魅惑的舞姿,比如舍友傻fufu的样子,比如白鸽略过的剪影,OPPO Reno都能帮你抓拍。

随着光圈孔径的增加,背景光点弥散圆的直径成比例地增加,虚化程度加强,景深变得更浅,分分钟拍出摄影大片。

光圈越大,景深越浅,背景越模糊


第3招:复合多帧算法

一般意义上,延长曝光时间可以增加进光量,让照片在 CMOS感光能力和镜头光圈大小一定的情况下曝光充足。在拍摄夜景时,曝光时间有时候可以长达数秒。但夜景中明暗差距大,很容易出现亮处过曝或暗处曝光不足的情况。

OPPO Reno为了让每一处曝光合适,采用复合多帧算法,合成连续拍摄的多张照片,汲取最准确的画面,扩大曝光的动态范围,真实地展现现实世界的明暗对比。

同时,复合多帧算法还能减少噪点,使画质更纯净。在手持模式下,一张夜拍照片有5重曝光,三脚架模式更是多达17重曝光。

以往的夜拍,城市和人像只能二者保一,要么是夜景明亮人像泛白,要么是人像清晰夜景模糊。OPPO Reno可以对人和景进行分区处理,甚至还会针对人像进行肤色保护,避免晚上人脸惨白,还原你真实的美丽。

OPPO Reno拍摄的人像

不仅如此,OPPO Reno的三摄组合还内含OIS光学防抖技术,可以说是手抖星人的必备神器了。

在这么多技术的加持下,OPPO Reno就可以真实地还原夜色之美了。

OPPO Reno拍摄的夜景


参考资料:

[1] Cosmology: The Study of the Universe. Universe 101: Big Bang Theory. NASA. 2010-12-10

[2]吴钢. 《摄影史话》. 中国摄影出版社. 2006. ISBN 7-80007-955-4.

[3]翟锦文. 《写我心情—数码摄影基本技法示范》. 中华书局(香港)有限公司. 2006

[4]James R. Janesick. Scientific charge-coupled devices. SPIE Press. 2001: 4

[5]The History of Kodak Roll Films. 2016

[6]Wei Tang. RuiWang. Tingfeng Wang, Outfield experiment of semiconductor laser jamming on color CCD camera.Optik Volume 173, November 2018:185-192

[7]"3CCD colour advantages -AT". www.adept.net.au. Retrieved 11 April 2018.

[8]Jeff Mather. Adding L* to RGBG. 2008.

[9]W.Snoeys.Monolithic CMOS sensors for high energy physics. Elsevier B.V. 2019,924:51-58

[10]https://web.archive.org/web/20061016105340/http://www.myanimator.com/research/hdri_ibi/tutorial/index.html

[11]Xiaofei Pan, Jiaqi Zhang.HDR video quality assessment: Perceptual evaluation of compressed HDR video. Journal of Visual Communication and Image Representation.2018, 57: 76-83

[12]https://blog.csdn.net/shiyimin1/article/details/81607693

[13]Wadman, Bill. The Difference Between Dynamic Range And Latitude. The Phoblographer. 2014

[14] https://gigazine.net/news/20080509_first_digital_camera/

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