手機(jī)攝像頭如何拍出好照片

先來(lái)談?wù)凴GBW傳感器

在智能手機(jī)領(lǐng)域，CMOS傳感器一統(tǒng)江湖，而RGBW就是基于CMOS之上的技術(shù)（圖1）。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，CMOS是由無(wú)數(shù)個(gè)單色像素小點(diǎn)組成的陣列，要想為我們呈現(xiàn)一個(gè)彩色的“視界”，就需要在圖像傳感器前面增加一個(gè)布滿濾光點(diǎn)且與下層像素點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)的濾光層。

其中，每一個(gè)濾光點(diǎn)只能通過(guò)紅（R像素）、綠（G像素）、藍(lán)（B像素）之中的一種顏色，而在每個(gè)綠點(diǎn)的四周都分布著2個(gè)紅點(diǎn)、2個(gè)藍(lán)點(diǎn)、4個(gè)綠點(diǎn)，最終R像素、G像素和B像素會(huì)呈現(xiàn)出1：2：1的比例分布（圖2）。這些RGB三色經(jīng)過(guò)調(diào)和計(jì)算可以組合出各種顏色，于是CMOS采集的信號(hào)在經(jīng)過(guò)一番處理后就能拍出彩色照片來(lái)了。

顧名思義，RGBW的原理就是用一個(gè)白色（W像素）的濾光點(diǎn)，替換原1：2：1比例紅綠藍(lán)（RGB）三色之中的一個(gè)綠色濾光點(diǎn)，組成四種顏色后再進(jìn)行計(jì)算。這么做有什么好處呢？

RGBW傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)

由于濾光層中的紅、綠、藍(lán)三色濾光點(diǎn)在透過(guò)一個(gè)顏色的同時(shí)會(huì)過(guò)濾掉其他顏色，這就導(dǎo)致光線損失過(guò)多而降低了亮度。而白色濾光點(diǎn)不會(huì)過(guò)濾光線，此時(shí)透過(guò)濾光層照射到CMOS上的光線就會(huì)更多（圖3），從而起到增加亮度、減少光環(huán)境下噪點(diǎn)的功效。華為稱RGBW傳感器能幫P8提升照片32%的亮度（高對(duì)比度），低光環(huán)境下降低78%的彩色噪點(diǎn)，聽(tīng)起來(lái)貌似好處多多。

實(shí)際上，索尼早期IMX135（1300萬(wàn)像素）和IMX134（800萬(wàn)像素）堆棧式傳感器理論上就已支持RGBW編碼技術(shù)，但最終索尼卻沒(méi)有將該技術(shù)付諸實(shí)施。原因很簡(jiǎn)單，RGBW存在一點(diǎn)點(diǎn)“副作用”。

我們都知道，每一個(gè)CMOS傳感器上的像素點(diǎn)陣數(shù)量都是有限的，當(dāng)RGBW將四分之一的綠色點(diǎn)換成了白色，這就意味著色彩信號(hào)下降了四分之一，這種原始信號(hào)的減少將導(dǎo)致色彩飽和度的下降和色彩層次的丟失。當(dāng)然，我們可以通過(guò)后期“軟處理”強(qiáng)行提高色彩飽和度，但色彩層次感的下降卻是很難通過(guò)后期ISP的算法來(lái)優(yōu)化解決的。

因此，在跳過(guò)IMX200（2070萬(wàn)像素）、IMX214（1300萬(wàn)像素）、IMX220（2070萬(wàn)像素）、IMX240（1600萬(wàn)像素）等傳感器之后，索尼最終才在最新的IMX278傳感器（1300萬(wàn)像素）中引入了RGBW編碼技術(shù)，而這顆IMX278傳感器也就有了“RGBW傳感器”的稱號(hào)。

像素靠邊站 傳感器是王道

繼續(xù)前面的話題，智能手機(jī)清一色都是800萬(wàn)、1300萬(wàn)、1600萬(wàn)、2070萬(wàn)像素?cái)z像頭（圖4），為什么會(huì)出現(xiàn)1300萬(wàn)不如800萬(wàn)，或是兩款同屬1300萬(wàn)像素的手機(jī)拍照效果也會(huì)大不同呢？

首先我們需要淡忘像素值，1300萬(wàn)像素只代表能拍攝出比800萬(wàn)像素更高分辨率的照片，但絕不代表拍照效果。iPhone 6/6 Plus憑借一顆800萬(wàn)像素?cái)z像頭秒殺一眾Android旗艦就足以說(shuō)明問(wèn)題，影響手機(jī)拍照效果的最核心要素其實(shí)是CMOS傳感器型號(hào)（圖5）。目前智能手機(jī)領(lǐng)域的傳感器品牌主要以三星ISOCELL、索尼IMX和豪威OV三家為主，而索尼堆棧式IMX傳感器更是占據(jù)了90%以上的中高端智能手機(jī)市場(chǎng)份額，因此本文后面的內(nèi)容也將以索尼傳感器為主。

比如索尼IMX135和IMX214都是1300萬(wàn)像素堆棧式CMOS傳感器，但I(xiàn)MX214是IMX135的升級(jí)版，不僅支持1300萬(wàn)像素每秒30幀高動(dòng)態(tài)范圍（HDR）輸出，還減少了片上微透鏡與感光二極發(fā)光管之間的距離，使其相比IMX135擁有更高的集合光線效率（圖6）。

而索尼自家的Xperia Z3和Xperia Z2手機(jī)都是2070萬(wàn)像素?cái)z像頭，但由于Z3武裝的是IMX220傳感器（ISO范圍是50～12800），而Z2則為上一代的IMX200傳感器（50～6400），前者還具備更大的廣角與更小的對(duì)焦距離等優(yōu)勢(shì)，所以Z3無(wú)論是夜拍環(huán)境還是日常拍攝效果都要領(lǐng)先Z2很多。

問(wèn)題來(lái)了，如果說(shuō)CMOS傳感器是影響手機(jī)拍照效果的最核心要素，那理論上只要CMOS傳感器相同，兩款手機(jī)的拍照效果應(yīng)該一模一樣才對(duì)。那實(shí)際和理論為什么出現(xiàn)了偏差？

決定拍照效果的“三駕馬車”

無(wú)論是瀕于淘汰的傳統(tǒng)DC、高端的單反機(jī)還是時(shí)下正熱的小巧手機(jī)，都是由影像傳感器、光學(xué)鏡頭和影像處理器這“三駕馬車”決定實(shí)際的拍照效果，而這三駕馬車也會(huì)遵從“木桶原理”，共同影響輸出圖像的質(zhì)量。

有人說(shuō)，索尼Xperia Z系列手機(jī)拍照很出色，是因?yàn)镋xmor RS傳感器（CMOS）、G鏡頭（鏡頭玻璃）、BIONZ影像處理器（ISP）構(gòu)成了Xperia系列影像系統(tǒng)的三駕馬車（圖7）。實(shí)際上，所有的智能手機(jī)都包含上述三個(gè)要素，只是不同方案的搭配，最終會(huì)呈現(xiàn)截然迥異的結(jié)果。Exmor RS傳感器的重要性前文已經(jīng)介紹過(guò)了，接下來(lái)我們?cè)賮?lái)談?wù)勭R頭和ISP。

我們都知道，光線中包含紅外線等諸多“雜光”，未經(jīng)過(guò)濾處理的光線直接通過(guò)CMOS傳感器時(shí)會(huì)嚴(yán)重影響成像質(zhì)量。因此，在CMOS傳感器的前面需要加入用于濾光的玻璃，也就是所謂的“鏡頭”。需要注意的是，這個(gè)鏡頭可以由數(shù)量和材質(zhì)不等的透明鏡片組成。

比如，絕大多數(shù)低端手機(jī)都是由5層塑料鏡片組成，我們就稱其為5P鏡頭；中端機(jī)則多由4層塑料鏡片+1層玻璃鏡片組成，我們就應(yīng)當(dāng)稱其為4P1G鏡頭（也能稱為5P鏡頭）；而很多熱門手機(jī)則會(huì)將那1層普通玻璃鏡片換成藍(lán)玻璃濾光，或是改用更高級(jí)的5P1G鏡頭（又稱6P鏡頭）。總之，鏡頭的片數(shù)越多（圖8），成像就越真實(shí)。

至于IPS，我們可以將它理解為攝像頭的“大腦”。這顆芯片負(fù)責(zé)對(duì)傳感器采集的信號(hào)進(jìn)行線性糾正、噪點(diǎn)去除、壞點(diǎn)修補(bǔ)、顏色插值、白平衡校正、曝光校正等“優(yōu)化”（圖9）。如某款手機(jī)4K錄制的幀數(shù)更高、美顏效果更自然、抓拍速度更快，這些都是ISP芯片的功勞。

由于ISP芯片成本相對(duì)較高，所以更多的品牌喜歡使用CPU內(nèi)集成的ISP芯片（比如高通驍龍?zhí)幚砥骶图蒊SP），最終成像效果取決于手機(jī)廠商自己對(duì)相機(jī)其他組件和軟件系統(tǒng)的調(diào)校與優(yōu)化。而一些“講究”的手機(jī)便會(huì)采用獨(dú)立ISP改善拍照效果，索尼手機(jī)專用的BIONZ影像處理器、三星Note4和美圖秀秀等手機(jī)常用的富士通獨(dú)立ISP芯片（圖10）。一般來(lái)說(shuō)，獨(dú)立ISP芯片都是手機(jī)廠商向ISP提供商定制，三星Note4就把ISP硬件和后期調(diào)校都交給了富士通，所以獨(dú)立ISP與相機(jī)其他組件的契合度更佳，成像也有屬于自己的風(fēng)格和特色。

不可忽視的“軟實(shí)力”

當(dāng)兩款手機(jī)采用了同款CMOS傳感器，鏡頭和ISP規(guī)格相似時(shí)，為何拍照效果還是會(huì)出現(xiàn)不同的風(fēng)格呢？這個(gè)問(wèn)題的答案就是手機(jī)廠商的“軟實(shí)力”了。

比如，索尼Xperia Z3和魅族MX4 Pro采用的都是IMX220傳感器，且均配有獨(dú)立的ISP芯片，但通過(guò)用戶的實(shí)際對(duì)比來(lái)看，還是索尼Xperia Z3的拍照效果更為優(yōu)秀一些。當(dāng)然，這可能是索尼對(duì)自家芯片的理解力更好有關(guān)。但是，三星Note4的IMX240傳感器規(guī)格貌似不如IMX220，但網(wǎng)友對(duì)其的評(píng)價(jià)卻要優(yōu)于索尼Xperia Z3，在這背后就是廠商對(duì)攝像頭軟件優(yōu)化部分的實(shí)力體現(xiàn)了。

用同一款單反相機(jī)拍攝相同的畫面，不同用戶拍攝的照片肯定存在優(yōu)良中差，而這背后源于用戶對(duì)當(dāng)前光線、角度、ISO等參數(shù)的設(shè)置不同。手機(jī)也是一樣，攝像頭軟件默認(rèn)會(huì)工作在自動(dòng)模式下，它會(huì)根據(jù)光線、距離和對(duì)焦點(diǎn)自動(dòng)微調(diào)ISO和對(duì)比度等參數(shù)，所以拍照效果自會(huì)不盡相同。有些手機(jī)拍照的色彩還原度更真實(shí)，而有些手機(jī)拍照的色彩更鮮艷討好眼球，就是這個(gè)道理。

為了讓普通用戶可以拍攝更專業(yè)的照片，已經(jīng)有不少?gòu)S商在APP方面做出努力了。比如OPPO在拍照APP里可以下載豐富的拍攝模式插件（圖12），而努比亞手機(jī)則提供了更為專業(yè)的手動(dòng)拍攝模式（圖13），其目的就是讓用戶在特殊環(huán)境時(shí)使用指定模式，從而拍攝出更讓你滿意的照片。