手机中的千里镜!揭秘华为P30 Pro若何实现超级变焦能力

早在盛唐期间,墨客王之涣便在《登鹤雀楼》里,用千古名句“欲穷千里目,更上一层楼”表达了自己对远方天下的希望。

而在之后的1608年,荷兰眼镜商汉斯利伯则由于有时创造用两块镜片可以看清远处的景物,受启示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不雅观测中不可短缺的工具:天文学家不雅观测星空的时候会用到它,早期战役中打探敌情时会用到它,当代人登高眺远的时候也会用到它。

强大的功能和用场,注定其出身便是人来探索远方的开始。
基于望远镜的变焦事理,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,天下上最早成型并得到运用的变焦镜头,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,那便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。
而之后的很多年韶光里,随着技能的不断发展和人类须要的改变,变焦镜头得到了不断的优化和改良。

变焦镜头在左,智好手机在右

变焦镜头,是通过移动镜头内部镜片来改变焦点的位置,改变镜头焦距的是非,并改变镜头的视角大小,从而实现影像的放大与缩小。
焦点位置发生变革,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。

这是一个大略的变焦镜头光学构造示意图,它采取了光学补偿法以校正焦点漂移。
L1和L3是前、后两块凸透镜,个中的L3是固定的。
当中间的凹透镜L2从前今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)

变焦镜头最大的代价在于,在不改变拍摄间隔的情形下,通过变动焦距就可以改变拍摄范围,实现了镜头焦距可按拍照者意愿变换的功能。

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,导致其布局比较繁芜、体积相对较大。

搭载了变焦镜头的单反相机

对付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,但对付智好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,险些是不可能的。
以是,手机拍照出于方便和快捷考虑,大多数手机都会采取定焦镜头。

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好手机,如果要实现变焦功能的话,就只能依赖镜组、感光元件的分外设计了。

技能的过渡:数码变焦与超采样

那么,如何在搭载了变焦镜头的智好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,那便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间隔,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利用“插值”算法放大到全体画面。

前后比拟图,通过数码技能被放大的图片画质已经渣到无法直视

这种手腕就犹如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,只管数码变焦会利用插值等办法来改进成像质量,但图像色彩和质量却大大低落。

与数码变焦相似的还有“超采样技能”,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。

超采样技能示意图

然而须要把稳的是,超采样技能的实质并不是由于技能上有什么打破,而是由于目前所有拍照设备都在冒死的飙升像素。
而且,和数码变焦一样,超采样技能同样与真正的光学变焦完备不搭边。

双摄变焦:一双被上帝吻过的眼睛

技能与需求向来都是双驱动的,当技能无法知足现实须要时,新的技能便会应运而生,例如随之而来的双摄变焦。

双摄变焦,便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。

其根本首先是双摄,也便是两颗摄像头——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。

须要把稳的是,双摄变焦的两枚镜头实质上仍旧是定焦镜头,而非变焦镜头,其所谓的变焦效果实在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,紧张的双摄方案有两种:一个是“彩色+黑白”,一个是“广角+长焦”。

“黑白+彩色”双摄变焦事理图

个中,“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,彩色镜头卖力色彩的捕捉,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,又可以担保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,其双摄像头采取的是“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”双摄变焦事理图

“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,手机通过旁边摄像头利用不同的FOV(可视角),使两个摄像头取景不同:当拍近景时,利用广角镜头,拍远景时,利用长焦镜头,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,而且即便是拍一些间隔较长的物体,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,但对付手机而言,却不失落为一种新型的办理方案。

然而,要说的是,无论是“彩色+黑白”还是“广角+长焦”的双摄方案,虽然也办理了一些现实性的问题,但在实际利用中却存在一定的局限性,例如在面对更远间隔拍摄物体的时候。

超级变焦镜头:变焦大打破,比远更远

人自古以来就想走得更远看得更远。
那么,智好手机如何才能帮助人类记录下更远间隔的景物呢?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后置摄像头构造解析

华为P30 Pro采取分外设计的潜望式镜头,大略地说便是,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,然后利用一壁反射镜将进入摄像头内的光芒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。

须要把稳的是,潜望式变焦镜头在从观点到量产落地的过程当中有一个技能难题,那便是工艺掌握难度和良品掌握难度。
潜望式变焦镜头对付三棱镜的摆放精度、两道光路的调优,险些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刁悍的系统集成和家当链整合能力,以及与行业专业企业的共同努力,实现了从技能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。

视场领悟技能:超级变焦镜头+超分辨率算法

大概有人要问了: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利用的一个被称之为“视场领悟”的系统。
其最大浸染在于,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倍以下的变焦间隔内,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,该摄像头完备仰赖远摄镜头来实现变焦;而对付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利用情形

也正是基于这样的多镜头协作,华为P30 Pro打破了传统变焦镜头的焦段,实现了5倍光学变焦、10倍稠浊变焦、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展现了迄今在智好手机上看过最好的变焦性能,细节比最靠近的竞争机型要好得多,噪点也得到很好的掌握,可以天生细节最丰富且最清晰的图像。

在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上风非常明显。

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,手机拍照不断向前发展,而超级变焦镜头的涌现,使智好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的人像拍照,再到华为P20 Pro的4000万徕卡三摄,华为一贯都是智好手机的引领者。
而这次全新发布的华为P30 Pro,更是改写影像历史,实现拍照技能上的大打破,让未来充满更多想象空间。

来源：消费日报网