像素≠清晰度 手機(jī)攝像頭基礎(chǔ)知識(shí)解析

　　【手機(jī)中國 技術(shù)講堂】毋庸置疑，現(xiàn)今拍照已成為手機(jī)最重要的功能之一，也是消費(fèi)者購買手機(jī)時(shí)的重要考量因素。甚至從某種程度上來說，手機(jī)已經(jīng)替代專業(yè)的相機(jī)，成為我們?nèi)粘Ｉ钪凶钪饕呐臄z工具。因此，在核心硬件玩到發(fā)燒之后，手機(jī)廠商們又開始把心思放在了大家關(guān)注的拍照功能上。

　　“XXX像素”、“XXX傳感器”、“XXX鏡頭”、“XXX光圈”，當(dāng)面對(duì)這些被瘋狂叫囂的相機(jī)賣點(diǎn)時(shí)，作為并不精通相機(jī)的普通消費(fèi)者，很多人變得茫然，開始只會(huì)做加減算法，似乎最高的就是最好的，而關(guān)于這些參數(shù)所代表的真正意義，卻并不了解。

　　所以，為了讓大家掌握一些基本的手機(jī)攝像頭知識(shí)，今天筆者就以市面上幾款熱門手機(jī)為例，對(duì)手機(jī)攝像頭構(gòu)成、成像要件進(jìn)行簡要的解析，感興趣的朋友可以翻頁查看，同時(shí)也可以關(guān)注新浪微博@SoloPhone進(jìn)行交流。

像素≠清晰度

　　手機(jī)攝像頭的構(gòu)成

　　首先，我們來了解一下手機(jī)攝像頭的構(gòu)成。需要注意的是，盡管我們將其稱為“手機(jī)攝像頭”或“手機(jī)相機(jī)”，但實(shí)際上，它的構(gòu)成組件和工作原理與傳統(tǒng)數(shù)碼相機(jī)無異，只是體積較小，所以“手機(jī)的數(shù)碼相機(jī)”的稱謂才是完整、正規(guī)的。

手機(jī)攝像頭

　　像素

　　“像素”似乎是我們最熟悉的相機(jī)參數(shù)，在了解某款手機(jī)的相機(jī)時(shí)，首先看到應(yīng)該的就是“XXX萬像素”，多數(shù)廠商也會(huì)把它當(dāng)做首要的宣傳點(diǎn)，那么這個(gè)像素究竟意味著什么呢？

　　“像素”指的是相機(jī)傳感器上的最小感光單位，而我們通常所說的“XXX萬像素”實(shí)際是指相機(jī)的分辨率，其數(shù)值大小主要由相機(jī)傳感器中的像素點(diǎn)（即最小感光單位）數(shù)量決定，例如500萬像素就意味著傳感器中有500萬個(gè)像素點(diǎn)，和手機(jī)屏幕中的像素?cái)?shù)量決定屏幕是720p或1080p分辨率是一個(gè)道理。

傳感器上的像素點(diǎn)模擬圖

　　像素決定照片質(zhì)量？

　　人們通常會(huì)以為相機(jī)像素越高，拍的照片就越清晰，實(shí)際上這是很片面的。相機(jī)的像素唯一能決定的是其所拍圖片的分辨率，而圖片的分辨率越高，只代表了圖片的尺寸越大，并不能說明圖片越清晰。

　　刨除其它因素，1300萬像素?cái)z像頭和800萬像素?cái)z像頭所拍的圖片，在電腦屏幕上呈現(xiàn)的只是尺寸不同，而清晰度幾乎是沒有區(qū)別的。

　　不同的是，手機(jī)上查看圖片時(shí)，屏幕一般會(huì)將兩張圖片縮放至同一尺寸，此時(shí)1300萬像素?cái)z像頭所拍圖片會(huì)擁有更高的像素密度（每英寸屏幕所擁有的像素?cái)?shù)），理論上來講，清晰度更高、畫面細(xì)節(jié)更豐富。

　　但是當(dāng)前主流的手機(jī)屏幕為1080p級(jí)別（1920×1080像素），無論是1300萬像素相機(jī)所得的4208×3120像素照片，還是800萬像素?cái)z像頭的3200×2400像素照片，都超出了1080p屏的解讀范圍，最終都會(huì)以1920×1080像素顯示，所以肉眼所看到的清晰度也是沒有區(qū)別的。

　　那么高像素的優(yōu)勢(shì)在哪里呢？

　　如前文所言，更高像素的相機(jī)所拍圖片的尺寸更大，假如我們想把樣張打印出來，以常規(guī)的300像素/英寸的打印標(biāo)準(zhǔn)來計(jì)算，1300萬像素相機(jī)所拍的4208×3120像素樣張，可打印17英寸照片，而800萬像素相機(jī)的3200×2400像素樣張，打印超過13英寸的照片就開始模糊了。很顯然1300萬像素相機(jī)樣張可打印的尺寸更大。

　　總之，像素不能決定照片質(zhì)量，或者說像素并不是決定照片質(zhì)量的唯一要素。在電腦、手機(jī)屏幕等主要查看路徑上，1300萬像素相機(jī)、800萬像素相或者更高的1600萬像素、2070萬像素所拍照片的清晰度表現(xiàn)都是沒有區(qū)別的。

　　所以，如果你對(duì)手機(jī)拍照的需求僅限于日常記錄和分享，那么市面上配備800萬像素、1300萬像素?cái)z像頭的主流千元手機(jī)，就能完全滿足你對(duì)照片清晰度的要求，而不必跟風(fēng)追求更高的像素?cái)?shù)。

傳感器最關(guān)鍵

　　既然像素不是決定圖片質(zhì)量的關(guān)鍵因素，那么誰才是呢？答案是傳感器。

　　我們知道，在數(shù)碼相機(jī)還未興起的時(shí)候，傳統(tǒng)相機(jī)都使用“膠卷”作為其記錄信息的載體，而數(shù)碼相機(jī)的傳感器就等同于“膠卷”。傳感器是相機(jī)最重要的組成部分，也是最關(guān)鍵的技術(shù)。

　　相機(jī)傳感器主要分兩種，CCD和CMOS。CCD傳感器雖然成像質(zhì)量好，但是成本較高，并不適用于手機(jī)，而CMOS傳感器憑借著較低的功耗和價(jià)格以及優(yōu)異的影像品質(zhì)，在手機(jī)領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛。

CMOS傳感器

　　CMOS傳感器又分為背照式和堆棧式兩種，二者系出同門，技術(shù)最早都由索尼研發(fā)，索尼背照式傳感器品牌名為“Exmor R”，堆棧式傳感器為“Exmor RS”。

　　相對(duì)來說，傳感器尺寸越大，感光性能越好，捕捉的光子（圖形信號(hào)）越多，信噪比越高，成像效果自然也越出色，然而更大的傳感器卻會(huì)導(dǎo)致手機(jī)的體積、重量、成本增加。

相機(jī)、手機(jī)傳感器尺寸對(duì)比

　　背照式傳感器的出現(xiàn)，有效的解決了這個(gè)問題，在相同尺寸下，它使傳感器感光能力提升了100%，有效地改善了在弱光環(huán)境下的成像質(zhì)量。所以，之前在選購拍照手機(jī)時(shí)，用戶都會(huì)首先考慮攝像頭是否應(yīng)用了Exmor R背照式傳感器。

背照式與正照式傳感器對(duì)比

　　2012年8月，索尼發(fā)布了全新堆棧式傳感器（Exmor RS CMOS），需要注意的是，它和背照式傳感器并非演進(jìn)關(guān)系，而是并列關(guān)系，堆棧式傳感器的主要優(yōu)勢(shì)是在像素?cái)?shù)保持不變的情況下，讓傳感器尺寸變得更小，也可以理解為，在與背照式傳感器的像素?cái)?shù)相同時(shí)，堆棧式傳感器的尺寸會(huì)更小，從而節(jié)省了空間，讓手機(jī)變得更薄、更輕。

背照式和堆棧式傳感器對(duì)比

　　相比而言，背照式傳感器的優(yōu)勢(shì)在于，在與堆棧式傳感器的像素?cái)?shù)相同時(shí)，雖然傳感器尺寸更大一些，但單個(gè)像素點(diǎn)面積（單個(gè)感光面積）也會(huì)更大，從而使感光性能提升，自然暗光拍攝效果也就更好，整體成像效果更出色。

　　所以，兩者各有特色、各有優(yōu)劣，不能簡單加以好壞之分，關(guān)鍵還要看廠商在傳感器尺寸和感光能力上如何取舍。

鏡頭:多多益善

　　鏡頭是將拍攝景物在傳感器上成像的器件，相當(dāng)于相機(jī)的“眼睛”，通常由由幾片透鏡組成，光線信號(hào)通過時(shí)，鏡片們會(huì)層層過濾雜光（紅外線等），所以，鏡頭片數(shù)越多，成像就越真實(shí)。

手機(jī)鏡頭

　　從材質(zhì)上看，鏡頭可分為塑膠透鏡（Plastic）和玻璃透鏡（Glass），玻璃透鏡透光性以及成像質(zhì)量要更好，但成本也更高，所以手機(jī)鏡頭大多由塑料鏡片組成。

　　假若鏡頭由5層塑料鏡片組成，我們就稱其為5P（Plastic）鏡頭，而如果鏡頭由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。不過由于行業(yè)對(duì)此缺乏統(tǒng)一的認(rèn)知標(biāo)準(zhǔn)，通常會(huì)把5P鏡頭理解為由5層鏡片組成的鏡頭，即使是4P1G鏡頭也會(huì)將其稱為5P鏡頭。

　　目前市面上的手機(jī)大多采用5P或6P鏡頭，例如小米3就采用了5P鏡頭（4層塑料鏡片+1層藍(lán)玻璃濾光鏡片），而小可樂則采用了更高級(jí)的6P鏡頭（5層塑料鏡片+1層藍(lán)玻璃濾光鏡片），理論上來講，小可樂的鏡頭成像更真實(shí)。

小米3的5P鏡頭

小可樂手機(jī)的6P鏡頭

光圈:還是大了好

　　除了過濾雜光外，鏡頭還決定了一個(gè)非常重要的相機(jī)參數(shù)，光圈。

　　光圈由鏡頭中幾片極薄的金屬片組成，可以通過改變光圈孔的大小控制進(jìn)入鏡頭到達(dá)傳感器的光線量。光圈的值通常用f/2.2、f/2.4來表示，數(shù)字越小，光圈就越大，兩者成反比例關(guān)系。

光圈演示圖

　　它的工作原理是，光圈開得越大，通過鏡頭到達(dá)傳感器的光線就越多，成像畫面就越明亮，反之畫面就越暗。因此，在夜拍或暗光環(huán)境下，大光圈的成像優(yōu)勢(shì)就更明顯。

　　除了控制通光量，光圈還具有控制景深的功能。生活中，我們時(shí)常會(huì)看到背景虛化效果很強(qiáng)的照片，不僅突出了拍攝焦點(diǎn)，還具有很唯美的藝術(shù)感，而這就是所謂的景深。光圈開的越大，景深越小，背景虛化效果就更明顯。

小景深（背景虛化）效果圖

　　所以，我們?cè)谶x購拍照手機(jī)時(shí)，應(yīng)該優(yōu)先選擇光圈更大的產(chǎn)品。

　　目前市場上的手機(jī)大多采用了f/2.4、f/2.2或f/2.0大光圈，而聯(lián)想VIBE Z的光圈則達(dá)到了f/1.8，是現(xiàn)今光圈最大的手機(jī)。

ISP芯片是“大腦”

　　在說ISP（Image Signal Processing 中文譯為“圖形信號(hào)處理”）之前，我們先來了解一下手機(jī)的拍照過程。按動(dòng)快門后，光線從鏡頭進(jìn)入，到達(dá)傳感器，傳感器負(fù)責(zé)采集、記錄光線，并把它轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)，然后交由ISP圖形信號(hào)處理器（以下簡稱ISP芯片）進(jìn)行處理，最后由手機(jī)處理器處理儲(chǔ)存。

　　所以，ISP芯片是拍照過程中的運(yùn)算處理單元，其地位相當(dāng)于相機(jī)的“大腦”。

　　ISP芯片的作用就是對(duì)傳感器輸入的信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理，最終得出經(jīng)過線性糾正、噪點(diǎn)去除、壞點(diǎn)修補(bǔ)、顏色插值、白平衡校正、曝光校正等處理后的結(jié)果。ISP芯片能夠在很大程度上決定手機(jī)相機(jī)最終的成像質(zhì)量，通常它對(duì)圖像質(zhì)量的改善空間可達(dá)10%-15%。

　　ISP芯片分為集成和獨(dú)立兩種，獨(dú)立ISP芯片處理能力優(yōu)于集成ISP芯片，但成本更高。

一、集成ISP芯片

　　當(dāng)前的手機(jī)大多采用處理器附帶的集成ISP芯片，也就是ISP芯片集成在手機(jī)的處理器里。目前高通驍龍系列、英偉達(dá)Tegra系列處理器內(nèi)部都集成有ISP芯片。例如索尼xperia Z2、OPPO Find5就是采用了高通處理器附帶的集成ISP芯片。

集成ISP芯片的高通驍龍?zhí)幚砥?/P>

　　采用處理器配套的集成iSP芯片優(yōu)勢(shì)是降低了手機(jī)的研發(fā)和生產(chǎn)成本，但缺點(diǎn)是：1、優(yōu)秀的處理器廠商并不一定擅長開發(fā)ISP芯片，其成像質(zhì)量不如獨(dú)立ISP芯片；2、無法保證與所選用的傳感器契合，兩者如果配合不好，對(duì)成像質(zhì)量是有負(fù)作用的，這就限制了手機(jī)對(duì)傳感器的選擇；3、當(dāng)前相同價(jià)段的手機(jī)大多采用相同的處理器，相同的處理器就意味著相同的ISP方案，這就導(dǎo)致嚴(yán)重的同質(zhì)化現(xiàn)象。

　　不過這其中也有一個(gè)特例，那就是iPhone，眾所周知，iPhone搭載的是自家的蘋果處理器，所以，盡管iPhone采用了集成ISP芯片，但以上缺點(diǎn)卻是不存在的。

二、獨(dú)立ISP芯片

　　獨(dú)立ISP芯片是獨(dú)立于處理器而存在的，雖然成本較高，但優(yōu)勢(shì)也是比較明顯的。除了運(yùn)算能力、成像質(zhì)量更優(yōu)秀外，一般的獨(dú)立ISP芯片都是手機(jī)商向ISP提供商定制的，所以與相機(jī)其他組件的契合度更佳，成像也有屬于自己的風(fēng)格、特色。

富士通MB91696AM獨(dú)立圖像信號(hào)處理器結(jié)構(gòu)框架

　　目前富士通是主要的獨(dú)立ISP芯片提供商，三星GALAXY S4就是采用了富士通的獨(dú)立ISP芯片。

富士通獨(dú)立ISP芯片

軟件算法很重要

　　除了ISP芯片處理外，軟件算法同樣對(duì)手機(jī)成像效果起到至關(guān)重要的作用。

　　ISP芯片對(duì)傳感器輸入的電流信號(hào)進(jìn)行處理后，首先會(huì)生成未經(jīng)加工的原始圖像，而軟件算法就好比對(duì)原始圖像在內(nèi)部進(jìn)行了一番“PS”，優(yōu)化圖像的色彩、色調(diào)、對(duì)比度、噪點(diǎn)等，最后生成我們所看到的jpg格式圖片。

　　當(dāng)然，由于每個(gè)人的PS技術(shù)和風(fēng)格都不一樣，所以即便是同一張照片，每個(gè)人最終也都會(huì)P成不同的風(fēng)格。同理，每部手機(jī)的軟件算法不同，最終的成像效果和風(fēng)格也是不一樣的，比如vivo手機(jī)通常會(huì)提升對(duì)比度，而iPhone則追求自然的效果。

　　最重要的是，如果軟件算法優(yōu)秀，就可以把圖片優(yōu)化的很漂亮。

　　我們都知道iPhone 5s的相機(jī)配置并不高，像素僅為800萬，背照式傳感器和自家集成ISP芯片在技術(shù)上雖然很優(yōu)秀，但也絕不是頂尖級(jí)別，那么為何iPhone 5s的整體成像素質(zhì)是最優(yōu)秀的呢？這除了iPhone 5s的單個(gè)像素面積高達(dá)1.5微米外，主要?dú)w功于iPhone 5s的軟件算法比較優(yōu)秀。

軟件算法是iPhone 5s的殺手锏

閃光燈哪個(gè)好？

　　閃光燈是增加相機(jī)曝光量的方式之一，在暗光環(huán)境下會(huì)打亮周圍景物，從而彌補(bǔ)光線不足，提升畫面亮度。另外，在光線復(fù)雜的環(huán)境下，利用閃光燈可以去除雜光，使照片的色彩還原更為真實(shí)。

　　目前應(yīng)用于手機(jī)的閃光燈主要有兩種，LED補(bǔ)光燈和氙氣閃光燈。

　　LED補(bǔ)光燈成本低廉、補(bǔ)光效果明顯，在手機(jī)中的應(yīng)用最為廣泛，有些手機(jī)甚至還配備了雙LED補(bǔ)光燈。普通的雙LED補(bǔ)光燈除了使亮度增加外，跟單個(gè)LED補(bǔ)光燈沒有實(shí)質(zhì)性的區(qū)別，而iPhone 5s的雙True Tone閃光燈則有很大不同。

　　iPhone 5S的雙True Tone LED補(bǔ)光燈并不僅是為了提供更多的光線，更重要的是為了提供更準(zhǔn)確的光線顏色。白色LED補(bǔ)光燈通常只會(huì)模仿陽光的顏色來提供光線，往往導(dǎo)致畫面偏藍(lán)、偏冷等色彩失實(shí)的問題，而iPhone 5s在白色補(bǔ)光燈下又增加了一枚琥珀色閃光燈，兩者分別提供不同色溫的光線，從而使光線達(dá)到平衡，混合后便獲得跟拍攝場景吻合的理想畫面色彩。

iPhone 5S采用雙True Tone LED補(bǔ)光燈

　　氙氣閃光燈是一種含有氙氣的新型閃光燈，它可發(fā)出非常接近太陽光的光線，不過由于其成本較高，在手機(jī)中的應(yīng)用率較低，諾基亞Lumia 1020就是采用了氙氣閃光燈。

氙氣閃光燈

　　所以，綜合而言，目前較為優(yōu)秀的、且適用于手機(jī)的閃光燈依然是iPhone 5s所采用的雙True Tone閃光燈。

總結(jié)：

　　寫到這里，決定手機(jī)成像質(zhì)量的主要攝像頭組件就大致介紹完畢了，相信耐心開完本文的朋友會(huì)對(duì)手機(jī)拍照方面的知識(shí)有一個(gè)更加清晰、深刻的理解，也希望大家此后在選購拍照手機(jī)時(shí)，能夠正確認(rèn)識(shí)廠商所宣傳的賣點(diǎn)，比如像素并不代表一切。

　　最后，由于手機(jī)攝像頭方面的專業(yè)性太強(qiáng)，本文借鑒了很多專業(yè)網(wǎng)站的內(nèi)容，其中的很多技術(shù)、觀點(diǎn)，可能會(huì)存在爭議，希望大家能夠積極留言討論，或關(guān)注新浪微博@SoloPhone進(jìn)行交流。

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