從計算攝影到量子攝影

郭育青

相機傳感器的尺寸大幅減小源于消費群體對于便攜、實時、高畫質的追求。計算攝影便擔負起這種在矛盾中求統一的重任。伴隨計算攝影時代的到來，很多物理原理上的不可能居然變成了可能，比如我們在前面提到的計算景深、實時美顏、多幀合成，等等。

在計算攝影的時代，器材本身可能不再是拍攝的最關鍵因素，移動計算平臺上的圖像算法才起到了決定性作用?；蛘哒f，算法軟件本身已成了名副其實的器材。借助它們，從拍攝到處理、存儲、發布的全流程緊密地結合在移動計算平臺中，實現攝影全流程重構。

因此我們可以總結，計算攝影時代有兩個顯著的特征：基于移動計算平臺的影像算法將成為決定性因素;開放的、豐富的圖像算法讓攝影全流程流程發生重構，給攝影增加了難以想象的無窮多的可能性。

這樣帶來的結果之一是，我們常說的“底大一級壓死人”是否還合適。通過分析計算攝影的不同技術特點我們可以看到，這些技術和方法和小尺寸傳感器的搭配更加緊密。因為這類器材器材足夠小、足夠輕，計算攝影的可能性才能夠更加徹底地釋放出來。因此單純說“底大一級壓死人”是有失偏頗的。當我們去說所獲得影像的信噪比和畫質時，這么說可能還合適，但說到創作空間、實現效果、用戶適用等時，就未必合適了。

同時我們也能看到，傳統相機廠商在設計制造相機時還是相對封閉和保守的，時常給人一種“擠牙膏”升級的感覺。而小尺寸傳感器相機在研發、設計、制造全流程更加開放透明，發展的可能性也應當更多。

但計算攝影就是攝影發展的一個最終形態嗎？并不是。當我們把眼光放得更遠，就能看到摩爾定律已經深處窘境，計算機芯片的能力在如今已經很難按照摩爾定律繼續提升。而智能圖像算法極度依賴算力與計算架構，因而在傳統計算架構內很快會面臨同樣窘境。

那么，接下來如何走？或許該輪到量子科學在攝影中大顯身手了。在公開發表的科技文獻上，我們已經可以非常清楚地看到相機的傳感器在將來會發生質的變化。它會向著下一個階段——量子影像傳感器（Quanta Image Sensor）過渡和進化。當下這個時間點，仿佛重現了幾十年前相機制造廠商大量使用CCD作為圖像傳感器時，CMOS傳感器出現的那個時刻。

關于量子圖像傳感器（QIS）最早可見的描述來自2004年——數碼相機剛剛開始普及的年代?？茖W家們認為，隨著半導體器件的進步，圖像傳感器在未來10到15年將有能力采用亞衍射極限（SDL）像素，并提高電路設計和縮放比例，以合理的功耗實現更強大的計算能力。

量子傳感器中 映像點的概念圖

夜間拍攝獵豹，展現出量子影像傳感器驚人的暗光表現力

量子攝影先行者EricFossum教授

CMOS影像傳感器是一種數字式傳感器，只能記錄0或1。而在量子科學世界里，一個感光元件上可以記錄下除了0和1以外的中間狀態。正因如此，在量子影像傳感器中，我們將不再以像素的數量作為衡量傳感器性能的指標，而會采用一個新的單位——映像點（jot）。每一個映像點都可以探測到單個光子，可以實現光子的全捕獲，最大限度利用進光量。因此，量子影像傳感器擁有比現在任何CMOS傳感器更好的“視力”，能夠實現更高速、高分辨率、精確的成像。2017年，世界上第一個量子影像傳感器由美國達特茅斯學院Eric Fossum教授帶領研究團隊試制成功。

量子影像傳感器的使用和設計涉及很多量子力學的知識，在此我們無法深刻講解。但通過文獻資料，我們可以這樣簡單地認識量子影像傳感器，即借助每一個映像點記錄的光信息，我們能進行大量的計算，從而讓影像呈現出更多可能的模樣。量子影像傳感器的出現，會令相機的設計和制造產生革命性變革，必將把我們帶入下一個更加令人向往的量子攝影時代。