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学会看手机样张 细节后面的技术魔鬼

时间:2017-06-29 14:33:42  来源:数码多  作者:夏昆冈

      《学会看手机样张》可能写成一下小系列,我们计划从成像的一些量化和观感指标上去让大家学会分析样张,分析其画质、分析其背后可能用到的技术。我们尽可能用通俗易懂的方式描述,不知道反响如何,先来一篇有关细节的、之后可能还有HDR、防抖、EXIF相关的,以及实例解析。

      解析力、细节

      解析力、细节是被法师们经常提起的,其实差不多就是一回事。解析力倾向于硬件能力的描述,而细节说的是看到的结果,其实想表达的意思都是“看起来真清楚”。解析力和细节与像素井结构设计有关,与像素密度有关,也与感光器分辨率有关,除此之外,还和镜头的光学素质有关。还和软件有关。

      像素井的镜子

iPhone 6s 所采用的感光器的像素井改良设计

 

      iPhone 6s 发布之时,提到了改进的像素井结构,它在像素井之间插入了“镜子”,让光线不再斜射到隔壁的像素井,这样让光线实现了更精准的捕捉,降低了像素井之间相互的影响,它对提高成像的细节是有帮助的。这个技术其实不是苹果首发,而是三星,三星在自家ISOCELL感光器上使用了F-DTI[Front-Side Deep-Trench Isolation 前侧深槽隔离]及VTG[Vertical Transfer Gate垂直传输]技术,其实就是一回事。

      FSI、BSI和堆栈式

前照式[FBI]感光器结构

 

前照式[FSI]和背照式[BSI]感光器结构差异

 

背照式和堆栈式感光器的结构区别

 

      古老的的感光器的感光单元结构,它从上至下的层分布为微透镜、色彩滤镜、金属连接层、基板的受光面。这种结构叫做前照式[FSI,Frontside illumination]。前照式受光面位于像素井井底,光线入射角度较大时,受光效率会降低,处于感光器边缘的像素井会受光不足,容易出现暗角。改良的结构是背照式[BSI, Backside illumination],它将金属连接层放置到受光面下方,这样像素井变浅,能接受更大角度的入射光线。它的好处是不只是受光效率的提升,它还更好的支持了大光圈镜头,因为暗角和边缘成像都获得了改善。

      堆栈式[Stacked]是背照式的一种衍生结构,它受光面中占用面积的电路基板放置于受光面下方,在像素井面积没增加的情况下,受光面积获得提升。堆栈式对高密度像素的感光器成像质量的改进是相当明显的,它已经成为当前手机感光器的技术主流。相机用感光器像素井结构也在逐渐在普及这些技术。

      RGBW

感光器的拜耳阵列

 

      传统的感光器子像素结构是RGGB,即红绿绿蓝四个子像素构成。在子像素上层有个色彩滤镜,滤镜实际上是会影响透光率的。所以出现了RGBW结构,用一个白色的子像素替代绿色的子像素,理论上,白色的子像素可以更好的感知光学的明暗变化。另外还有OmniVision的RGBC,其实和RGBW是一个意思。三星也搞过更激进的RWB,即用白色子像素完全取代绿色。

      缺失的绿色怎么处理?靠软件猜色还原,早期的算法有问题,这种感光器的成像虽然看上去噪点确实少一些,但色彩看上去怪怪的,现在情况有了改变,RGBW在色彩表现上已经和正常设计没什么太大区别。

      暴力的堆栈成像

      当前的手机感光器都具有高带宽高速度的技术特点,大部分型号可以轻松达到20FPS-30FPS的全像素连拍能力,甚至更高,这背后的技术支持是足够的的数据带宽以及强大的图像处理器。

Microsoft 微软 Lumia 950XL 智能手机-实拍-全尺寸原图-野渡无人舟自横

       制造商=MICROSOFT;型号=LUMIA 950 XL;焦距=0毫米;等效焦距=0毫米;光圈=F1.9;测光模式=平均;感光度=ISO50;白平衡=手动;曝光补偿=0.0EV;曝光时间=549/1000000秒;场景类型=标准;日期=2016.05.16 14:42:33;镜头=手动

      手机感光器单个像素单元尺寸很小,采样质量不高,但可以通过多次采样来提升质量。一次采样不够,那就采集4次?甚至更多。通过堆栈图像提升成像质量。它可以通过对齐、对比像素差别排异等方法提升细节保留量。Google Pixel、微软Lumia 950XL以及iPhone等机型都可能使用了这种成像方法。

多帧筛选噪点示意

 

      堆栈成像是多帧的一种,但并不是多帧的全部,多帧不一定是堆栈。大家熟知的多帧降噪,是堆栈成像的一种。

      高像素

      高像素就是王道,这是放之四海而皆准的真理,前提是不凑数。高像素有什么好处?诺基亚早已指明了道路,就是超采样。4个像素当一个像素用,自然一颗赛艇,这是硬件层面的超采样。堆栈成像也可以视为一种超采样的方法,这是软件层面的。超采样带来的细节是明显提升的,诺基亚808并不是为了实现4000万像素这个数量,而是为了实现更好的800万像素的成像,808的4000万像素在100%展示时并不会比普通手机好多少。现在的手机感光器像素止步于2000W左右,作为硬件超采样还不够多。

      还有一种理论上可以实现的硬件超采样的方法就是双摄像头,目前难以解决的是视差问题,一旦实现,比单摄像头有明显优势是可能的。但目前,画质最好的手机都是单摄像头设计的。这也说明双摄超采样存在理论和现实的差距。

      大像素单元

      经常看到手机厂商提多少微米的大像素。说的是大面积的像素单元,简单的道理,越大越好。其中HTC爱说的UltraPixel,最大可达4微米,然而,UltraPixel在同时期的成像质量对比中,并没优势。大像素单元意味着像素密度的下降,它是双刃剑,像素密度与光学解像度是有一定正相关关系的,低分辨率一样会导致细节不够。又是大像素单元又是高分辨率感光器有没有,当然有,就是大底们了。

      镜头

      手机摄像头镜头体积很小,结构简单,量产规模大,所以可以做到降低成本,且保持良好的光学素质。手机镜头镜片很小,可以使用一些相对昂贵的镀层,大部分手机的抗眩光能力其实不比中高端单反镜头差,而解像度也保持了非常高的水平,这么小的镜头要完成几千万像素的成像,不好是不行的。这些年成像技术的进步,与镜头光学素质的提升紧密相关。至于LEICA蔡司G头什么的,只是个标,这些品牌对手机镜头的技术研发参与度其实不高。

      镜头矫正

      使用传统的前照式感光器,是很难使用大光圈镜头的。随着堆栈式的普及以及机内处理水准的提升,使用大光圈镜头也不会出现明显的暗角。因为新型的感光器对于斜射光更加友好,所以手机也在使用更大的广角,在数年前26毫米的等效焦距还是稀罕物,现在成为很多主流机型的选择。

      这背后是机内处理的功劳。机内处理包括畸变矫正、色散矫正、去暗角等。这些机内后期理论上都会引起像素重排导致画质下降,但新算法把画质影响降低到了很低的程度。现在的手机拍照,枕形失真球形失真都不再明显,紫边绿边很少见了,而边缘画质有了显著的进步。对比最近2年和以前的样张,能明显的看出这种巨大差异。

      细节表现的进步是技术综合的体现

      细节表现的进步是技术综合的体现,不能简单的说,因为用了LEICA镜头所以好,也不能说我堆栈了因此我牛,或者我大像素单元,SO成像杠杠的。进步依靠累积,它基于硬件软件技术的综合改善,我们看到手机样张时,如果能对其后的技术有所了解,将会更容易明白所以然,而不会被例如德味这样的洗脑,国产手机在摄像头硬件上不落后,但软件则明显落后,这也是与优秀品牌差距所在。在后续的文章中,我们会有针对样张的实例讲解。 

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