手机中的望远镜!揭秘华为P30 Pro如何实现超级变焦能力

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人类对于世界永远都保有一颗好奇心,总是试图通过各种手段打破物理限制,对远方的世界一探究竟。

早在盛唐时期,诗人王之涣便在《登鹤雀楼》里,用千古名句“欲穷千里目,更上一层楼”表达了自己对远方世界的欲望。

而在之后的1608年,荷兰眼镜商汉斯·利伯则因为偶然发现用两块镜片可以看清远处的景物,受启发制造了人类历史上的第一架望远镜。

望远镜能够把远物很小的张角按一定倍率放大,使之在像空间具有较大的张角,使本来无法用肉眼看清或分辨的物体变得清晰可辨。因此,望远镜成为了天文和地面观测中不可缺少的工具:天文学家观测星空的时候会用到它,早期战争中打探敌情时会用到它,现代人登高眺远的时候也会用到它。

强大的功能和用途,注定其诞生便是人来探索远方的开始。基于望远镜的变焦原理,德国人弗兰克·巴克发明了人类历史上的第一个变焦镜头Zoomar Variofocal 17-53mm f/2.9。

也有人说,世界上最早成型并得到应用的变焦镜头,是德国光学家赫尔穆特·纽曼(Helmut Newman)于1932年为西门子公司16毫米电影机设计的25-80mm f/2.8镜头。

当然,这些都已经无从考证。不过有一定是十分肯定的,那就是无论是前者还是后者,都是为单反相机而设计的变焦镜头。而之后的很多年时间里,随着技术的不断发展和人类需要的改变,变焦镜头得到了不断的优化和改良。

变焦镜头在左,智能手机在右

变焦镜头,是通过移动镜头内部镜片来改变焦点的位置,改变镜头焦距的长短,并改变镜头的视角大小,从而实现影像的放大与缩小。焦点位置发生变化,焦距会随之发生改变:当焦点向成像面反方向移动时,焦距会变长;反之,焦距会变短。

这是一个简单的变焦镜头光学结构示意图,它采用了光学补偿法以校正焦点漂移。L1和L3是前、后两块凸透镜,其中的L3是固定的。当中间的凹透镜L2从前往后移动产生变焦效果时,凸透镜L1也向前、向后做一个抛物线运动。(图片来自维基百科)

变焦镜头最大的价值在于,在不改变拍摄距离的情况下,通过变动焦距就可以改变拍摄范围,实现了镜头焦距可按摄影者意愿变换的功能。

然而,变焦镜头虽然可以实现影像的放大与缩小,但由于变焦镜头要呈现多个焦段的影像,导致其构造比较复杂、体积相对较大。

搭载了变焦镜头的单反相机

对于单反这样的大体积来说,搭载这样一个镜头自然是没有问题的,但对于智能手机这样空间十分有限且又追求纤薄设计的移动设备而言,几乎是不可能的。所以,手机摄影出于方便和快捷考虑,大多数手机都会采用定焦镜头。

由于定焦镜头只有一个固定焦段,这也导致搭载了定焦镜头的智能手机,如果要实现变焦功能的话,就只能依靠镜组、感光元件的特殊设计了。

技术的过渡:数码变焦与超采样

那么,如何在搭载了变焦镜头的智能手机中实现变焦功能呢?很显然,不少手机厂商都选择了一个折中的方案,那就是在定焦镜头中加入数码变焦。

数码变焦名为“变焦”,但焦距实际上并没有发生改变,它是通过数码相机内的处理器,增大原画面两个像素之间的距离,然后再根据对已有像素周边的色彩进行判断,把传感器上的一部份像素使用“插值”算法放大到整个画面。

前后对比图,通过数码技术被放大的图片画质已经渣到无法直视

这种手法就如同用图像处理软件把图片的面积改大,是对像素进行有损裁剪为代价的,尽管数码变焦会利用插值等方式来改善成像质量,但图像色彩和质量却大大下降。

与数码变焦相似的还有“超采样技术”,充分利用高像素传感器,通过剪裁CMOS某个区域来实现高品质数码变焦,对画质的损耗不是很大。

超采样技术示意图

然而需要注意的是,超采样技术的本质并不是因为技术上有什么突破,而是因为目前所有拍照设备都在拼命的飙升像素。而且,和数码变焦一样,超采样技术同样与真正的光学变焦完全不搭边。 

双摄变焦:一双被上帝吻过的眼睛

技术与需求向来都是双驱动的,当技术无法满足现实需要时,新的技术便会应运而生,例如随之而来的双摄变焦。

双摄变焦,就是利用手机后置双镜头的物理焦距不同,实现“广角”或“长焦”拍摄效果。

其基础首先是双摄,也就是两颗摄像头——通过加入多功能「副摄像头」的方法,实现了比单摄像头更丰富的手机拍照玩法。

需要注意的是,双摄变焦的两枚镜头本质上仍然是定焦镜头,而非变焦镜头,其所谓的变焦效果其实是利用两个镜头的物理焦距不同来实现的。

就目前市场来看,主要的双摄方案有两种:一个是“彩色+黑白”,一个是“广角+长焦”。

“黑白+彩色”双摄变焦原理图

其中,“彩色+黑白”的双摄方案利用两颗摄像头同时成像,再通过ISP后期合成。在拍摄过程中,彩色镜头负责色彩的捕捉,黑白镜头用于细节的抓拍,再通过黑白彩色双镜头结合,达到提升照片轮廓刻画等细节表现的效果。这样既保留了彩色摄像头的颜色信息,又可以保证黑白摄像头的清晰度。

图为华为P9,来自于华为官网

比较具有代表性的产品包括华为P9,其双摄像头采用的是“彩色+黑白”的双1200万像素组合,RGB传感器用于色彩还原,黑白传感器用于捕捉画面细节。

除了成像效果出色,“黑白+彩色”双摄方案还支持背景虚化和夜拍,在夜拍模式下,整体的亮度会有提升,而且噪点减少,成像效果更让人满意。

“广角+长焦”双摄变焦原理图

“广角+长焦”的双摄方案,则是利用等效焦段较短的广角镜头与等效焦段较长的长焦镜头之间的切换,来实现类似“光学变焦”的效果。

以代表性产品苹果iPhone 7 Plus为例。iPhone 7 Plus的广角主摄像头为1200万像素,F1.8光圈,28毫米等效焦距;长焦副摄像头虽然也是1200万像素,但光圈是F2.8,等效焦距是56毫米。

图片来自于苹果官网

拍摄中,手机通过左右摄像头使用不同的FOV(可视角),使两个摄像头取景不同:当拍近景时,使用广角镜头,拍远景时,使用长焦镜头,从而实现光学变焦功能。

这样做的好处是,实现了光学变焦,还推出了背景虚化功能,而且即便是拍一些距离较长的物体,也能够保持图片的解析度。虽然不能替代真正意义上的光学变焦,但对于手机而言,却不失为一种新型的解决方案。

然而,要说的是,无论是“彩色+黑白”还是“广角+长焦”的双摄方案,虽然也解决了一些现实性的问题,但在实际使用中却存在一定的局限性,例如在面对更远距离拍摄物体的时候。

超级变焦镜头:变焦大突破,比远更远

人自古以来就想走得更远看得更远。那么,智能手机如何才能帮助人类记录下更远距离的景物呢?在这个问题上,华为率先于行业在P30系列手机中给出了答案:超级变焦镜头。

图为华为P30 Pro后置摄像头结构解析

华为P30 Pro采用特殊设计的潜望式镜头,简单地说就是,它将图像传感器垂直放置在手机内,并沿着一条与机身平行的光学轴线对准镜头,然后使用一面反射镜将进入摄像头内的光线反射到镜头和图像传感器上,如此一来即可创造出比传统摄像头的安装方向(即在手机表面上朝向外部)更长的等效焦距。

需要注意的是,潜望式变焦镜头在从概念到量产落地的过程当中有一个技术难题,那就是工艺控制难度和良品控制难度。潜望式变焦镜头对于三棱镜的摆放精度、两道光路的调优,几乎双倍严苛于现有的光学标准。

好在的是,华为研发团队已经通过强悍的系统集成和产业链整合能力,以及与行业专业企业的共同努力,实现了从技术理论模型到产品原型,再到可以大规模量产的消费电子产品。

视场融合技术:超级变焦镜头+超分辨率算法

也许有人要问了:超级变焦镜头何以带来如此惊人的变焦效果?

说到这里,就不得不提及华为P30 Pro使用的一个被称之为“视场融合”的系统。其最大作用在于,将光学变焦和由算法驱动的数字变焦相结合,可根据所选放大系数切换摄像头。

3倍以下的变焦距离内,手机通过超分辨率算法来实现所有变焦;3到5倍之间的变焦拍摄,手机通过合并主摄像头和远摄摄像头的图像数据来产生图像。5倍变焦系数时,该摄像头完全仰赖远摄镜头来实现变焦;而对于10倍变焦的最大倍数,摄像头则通过光学变焦和超分辨率的组合,以Raw格式在远摄图像上叠加四个帧来实现。

华为P30 Pro在不同变焦倍数下的摄像头使用情况

也正是基于这样的多镜头协作,华为P30 Pro突破了传统变焦镜头的焦段,实现了5倍光学变焦、10倍混合变焦、以及50倍数码变焦,可以说变焦效果非常惊人。

在专业影像评测机构DxOMark的测试中,华为P30 Pro展现了迄今在智能手机上看过最好的变焦性能,细节比最接近的竞争机型要好得多,噪点也得到很好的控制,可以生成细节最丰富且最清晰的图像。

10倍放大倍率下,超级变焦镜头与超分辨率算法相结合,其细节比竞争机型的领先优势非常明显。

这样的结果并不令人意外。从数码变焦、超级采样,到双摄变焦,手机摄影不断向前发展,而超级变焦镜头的出现,使智能手机的远景拍摄水平得到了前所未有的提升。

从华为P9的双镜头,到华为P10的人像摄影,再到华为P20 Pro的4000万徕卡三摄,华为一直都是智能手机的引领者。而此次全新发布的华为P30 Pro,更是改写影像历史,实现拍照技术上的大突破,让未来充满更多想象空间。

来源: 手机之家

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