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华为P40 Pro 的十倍光变是怎样实现的?

来源:新浪科技 发布时间:2020-04-07 点击量:

从过去的数字变焦、混合变焦,再到今天的光学变焦,手机的远摄能力正如它们的性能一样在不停变化。
在过去,我们的手机只能记录下眼前的东西,如今随着两倍、五倍、十倍、五十倍、一百倍变焦倍率的出现,手机的远摄能力正如单反相机换上了长焦摄像头,就连数百米外的景物也能纳入取景框内。
当然,为了能让相机拍得更远,手机的传感器性能、摄像头数量、变焦能力、算法也在不断进步,尤其是变焦技术,自手机具备变焦功能开始,变焦技术就已经发生过三次变革。
与此同时,变焦技术的升级也在不断影响着手机的形态。
数字、混合、光学变焦,它们都是什么东西?
光学变焦指的是摄像头内的光学结构镜片组,通过改变镜片的相对位置从而确定摄像头焦距长度。
随着光学变焦的倍数增大,其焦距越长,摄像头画面就能拍摄到更远处的景物,而且其画质依旧保持无损,屏幕上呈现出的就是传感器 100% 接收到的实像画面。
这一技术更多地被应用到传统的相机设备上,通过光学结构的方式来实现焦距的变化,则需要为镜片组留下足够长度的移动空间。
但高集成的智能手机,受限于体积和内部空间排布,要想在手机内放入一个硕大无比的光学变焦摄像头模组,是一件无比困难的事情。
「芬兰巨人」诺基亚曾经将光学结构引入到手机当中,试图引领移动摄影的高质量潮流,让手机也能获得如传统相机那样的拍照能力,但最终效果却不尽人意。备受消费者诟病的,还是因为硕大的光学结构模组并不美观,更重要的是这与手机越做越纤薄的道路相违背。
曾担任诺基亚成像技术部门主管 Juha Alakarhu 在接受采访时也表示:
「在 N93 之后,我们也曾打算将光学变焦功能放入 Nokia 808 Pureview 当中,经过长时间的努力研制出的光学变焦模组在图纸上看起来很美丽,但实际的制造工差却会眼中降低实际使用时的性能。」
相较于光学摄像头的物理结构,数字变焦则存在于软件算法层面,实现起来更加简单,因而被广泛应用到手机上。
数字变焦是在相机传感器所拍摄到的全像素画面基础上,将局部区域的像素点面积增大,从而实现对该区域的图像显示进行电子放大到整个画面。
这个过程就像是我们拍摄了一张图片之后,进入到相册查看这张图片,然后双指缩放将局部位置放大,紧接着按下截图按钮生成放大后的图像。
由于数字变焦只是将单个像素在屏幕上显示的面积增大,画面清晰度会随之直线下降。所以,数字变焦的成像效果和真正的光学变焦效果并不可同日而语。
在模组体积和成像素质之间要寻找一个绝佳的平衡点,这也就催生了「混合光学变焦」技术的出现。
如今,智能手机往往会采用多个不同等效焦距的摄像头,例如超广角、广角、长焦摄像头的组合,来实现由广角到长焦的覆盖。
至于混合光学变焦中「混合」的含义,则是选择用机内算法将手机光学变焦和数字变焦技术糅合起来,在多枚不同等效焦距摄像头之间,通过「接力」的方式来实现全焦段的覆盖。
若将这一套手机混合光学变焦模组类比到单反相机上的话,则相当于是将多枚定焦摄像头放到了手机之中。但在其进行变焦的过程中,相机的混合变焦算法会介入,促使整个变焦过程保持顺滑流畅。
广角端范围的拍摄一直都是智能手机的长项,反而焦距更长的广角摄像头意味着要占据手机内部更多的空间,这一技术难点一直都让手机厂商们感到头疼不已。
对此,「潜望式摄像头」的出现,让手机的多倍光变有了新的可能。
华为 P40 Pro+ 的十倍光变是怎样实现的?
在前文中,我们提到了三种变焦方式的区别,成像画质最好的莫过于是结构最复杂、占据面积最大的光学变焦。尽管这种变焦方式会给相机模组增加一定的厚度,但换来的高画质远摄也是其余两种变焦模式不可比的质量。
所以,当前使用光学变焦的手机厂商所面临的问题,是在使用光学变焦的基础上最大限度地削减、平衡相机模组的厚度,在有限的内部空间里,提升手机远距离拍摄的画面质量。
因此,最省内部空间的「潜望式结构」便成了当下最为常见的手机光变方案。通过潜望镜光线折叠的原理,手机能够在有限的厚度内,拍出比数字、混合变焦更清晰的远摄画面。
去年华为 P30 Pro 就是去年率先用这种结构实现五倍光变的手机。而在今年的 P40 Pro+ 上,手机的光变能力达到了十倍。用最简单的语言来说,平日我们最常用的焦段基本都能实现无损记录。
虽然 P40 Pro+ 十倍光变大体都是用潜望式方案,但华为也是在这套方案的基础上升级才会做到这个高倍率变焦。
宏观来看,这次 P40 Pro+ 的潜望式模组采用的是「多反射潜望式光路折叠技术」,通过 5 次光路反射的原理延伸传感器的拍摄焦距,最终使得光路的光程在没有太大增加模组厚度的前提下,比上一代的潜望式方案提升 178%。
如果我们尝试将潜望式摄像头所折叠的光路展开,模组高度可能已经超出手机本身可容纳相机的厚度,前面的诺基亚 808 就是在非潜望式方案下采用光学镜头的例子。
但是要让手机拍得更远,光有潜望式结构还不够,光路需要进行多次折叠,这就需要更好的反射镜面来对应每次光路的反射,否则每次反射的光线也会因为镜组精度不足而造成损耗。
有一个华为没有在发布会上公开的细节是,在设计 P40 Pro+ 的相机模组时,他们原先是想借鉴手机芯片的组装工艺技术。
但在最后比较时发现,芯片组装的变形控制并不能达到相机团队的要求,因为相机团队给出的工艺要求是「头发丝的两千分之一」。
所以,要将光线以最高质量的程度从摄像头外传入传感器,这便需要纳米级的高精度反射面才能最大程度减少光路在反射时出现的畸变。
虽然目前暂时还没有公开文件介绍华为最后是怎样做到这种组装工艺,但根据官网给出的数据,这些反射面的最高精度大约是 30 纳米(1 微米=1000 纳米)。
那么在解决了拍照倍率后,摄像头怎样实现对焦的?
其实潜望式摄像头的对焦方式和其他摄像头对焦原理大同小异,都是通过马达调整摄像头和 CMOS 距离来完成远近景物的对焦。
但难点在于潜望式摄像头的结构比普通摄像头更加复杂,光线在内部需要经过多次反射,这就需要重新设计对焦马达的位置。
首先一点,是别让马达挡到镜组的反射光路。
为此,华为相机团队在设计对焦马达时也下了一些功夫。
比如这次镜组的重量主要集中于前端,因此该摄像头所用的对焦马达所用的是全新设计的滑槽式承载,它是通过磁力和杠杆结构来平衡前端镜组的负载,并通过特殊的润滑材料,实现出高速的对焦效果。
根据华为的公开资料显示,这枚滑槽式马达通过了官方实验室数百万次的使用和极端环境测试,在测试后依然能正常工作。据悉,目前华为已经为该马达设计申请了技术专利。
通过以上对功能的解读,笔者发现想要理解潜望式摄像头的工作原理,实际上并不算难,这门技术本质上是通过改变镜片的数量、镜组的排列方式,以此实现出更远的变焦距离。
但要是将这个要求下放到厂商的相机团队手上,实际所需要攻克的困难远比想象中要多,单从上面介绍的内容看,其实就已经涉及到了镜组设计、材料、组装工艺、马达设计几个大方面,而这些我们也只能通过文字来进行轻描淡写,他们真正面临的各种难题,或许是我们所了解的数倍之多。
不单只有看像素,远摄也要看变焦方式
相比起一味地追求超高像素摄像头,而后直接使用数字裁剪来实现的变焦成像,高倍率的无损光学长焦摄像头,才是获得远摄高清画质的基础和重点。
这也就意味着,当你在寻找一个能拍远摄的手机时,不要简单地去关注手机厂商宣传的是几倍变焦,而是要更多地考虑光学变焦的倍数。
甚至在有条件的情况下,直接去查看手机摄像头真正覆盖的等效焦距,这才是一个可以被标准量化的数据指标。
在华为 P30 Pro 发布的时候,华为就表示高倍数光学长焦摄像头,是手机上实现变焦的最佳方法。为了进一步在长焦远摄上进行画质突破,华为 P40 Pro+ 在上一代 P30 Pro 的 5 倍光学变焦潜望式摄像头模组和感光器件的基础上,将光学变焦倍率提升至 10 倍光学变焦,得益于此,P40 Pro+ 的双目变焦也到达了 100 倍的水平。
虽然受限于手机内部体积,相机传感器的能力暂时还未能达到超越专业单反相机的水准,但随着手机厂商在不断寻求技术突破,手机拍照的像素、对焦、变焦、功能都一直在拔高向专业相机靠拢。
手机厂商「一机走天下」的愿望最终会在这些突破下实现,但它并不是想取代专业相机,而是希望我们每次从衣兜里拿出手机,就能将眼前美景以最接近人眼的方式保存下来,甚至记录下在我们视线之外的画面。

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