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手机摄像头的前世今生 好似一局绝地求生
2018-04-16 08:56:26  出处:中关村在线  作者:胡永彬 编辑:随心   点击可以复制本篇文章的标题和链接
猜你想看:智能手机 摄像头

手机的前世今生栏目已经创作了两期内容,分别和大家聊了手机屏幕与电池的发展历程。今天我们来聊聊更深,但也更有意思的手机摄像头的前世今生吧!

一说起绝地求生游戏,可能有些人还比较陌生,但一说“吃鸡”,估计很多人就熟悉了。本人也是吃鸡游戏的拥趸,而在构思这篇文章的时候,突发奇想觉得把手机摄像头的前世今生比喻成一场吃鸡游戏,竟有很多惊人相似的地方。(当然,有些地方可能会比较牵强,但为了便于大家理解,还请一笑而过。)

手机摄像头的前世今生 好似一局绝地求生

例如在游戏刚开始的时候,跳伞刚一落地,首先想的就是赶紧找一把枪,无论是手枪还是喷子,解决有无问题,才能在战场(市场)上生存。而手机刚刚普及摄像头的时候,也是先要解决有无问题;随后,随着枪(摄像头感光元件)的更新换代,子弹口径变粗(像素大小)杀伤力(画质)也逐渐增强;但光有枪(感光元件)也不行,还得有握把(防抖组件)以及倍镜(变焦镜头)的加持,才能让你在遭遇战中稳操胜券,提升你的生存能力,保证最终走到天命圈(口碑与市场双收)。怎么样?是不是听起来还蛮有道理的?那么演习马上开始,准备跳伞!

落地:先要找把枪

在绝地求生游戏一开始,主角降落到战场中,通常要做的第一件事就是找到一把枪,尽管这把枪可能并不是自己喜欢的。但为了防止手无寸铁的自己被别人袭击,以致落地成盒(游戏角色死了会变成一个装备盒子),所以哪怕是略显鸡肋的来福,也会毫不犹豫的拾起。

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第一款配备摄像头的手机——夏普J-SH04

在手机摄像头刚刚开始普及的时候,也经历了参数略显鸡肋的时期。2000年9月,世界上第一款配备摄像头的手机诞生——夏普J-SH04。它的摄像头像素仅有区区11W像素,连打印一寸照片的像素都不够。

没有自动对焦,没有美颜,没有闪光灯,显然很难赢得市场的重视。不过值得注意的是,当时手机摄像头的感光元件材质还是用的CCD,而非现在通用的COMS。因为后者在当时技术还不成熟。

尽管第一款拍照手机推出后,市场上的表现并没有预想中的那么热情,但在手机上加上拍照模块却成了随后几年手机发展的主流趋势。

2003年,自动对焦模块诞生

2003年,松下发布了一款独特旋转设计的手机——松下P505iS,可以侧面360度旋转,也可以向后旋转180度进行自拍。显然,这是主攻拍照功能的手机。而它最引人瞩目的是首次配备了自动对焦功能。在拍照模式下,通过半按机身侧面的快门按钮,自动聚焦功能就会对中间部位的拍摄对象进行自动对焦,直接按动即可拍摄。

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松下P505iS

如果把摄像头感光元件比作枪,那么自动对焦模块就好比枪上面的准星,它解决了早期摄像头仅能将焦距固定在无限远,而导致拍摄近处物体画质模糊的问题,从而让手机能够适应更多的拍摄场景,并带来清晰的画面。如今,几乎所有智能手机的后置摄像头都配备了自动对焦模块。

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VCM自动对焦模块结构图

然而在那个年代,想要让手机自动对焦却并非易事。由于手机的体积限制,人们无法将传统体积庞大的相机对焦模块移植到手机上。所以必须开创一款针对手机摄像头的对焦模块。最终方案定型为一种覆盖在感光元件上的金属罩。在罩子里面镜头并非完全固定,而是采用细小的弹簧固定,让其有一定的上下活动空间。

并被金属线圈缠绕,而在金属罩的边角部位还设计了磁铁以提供磁场,这样当线圈通过电流的时候,根据电磁感应原理,缠绕在镜头模组的线圈受到作用力而发生移动,从而达到对焦的目的。这种技术被称为VCM音圈马达。至今,依然有近80%的手机采用这种对焦组件。

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反差对焦的原理

然而,光有对焦组件还不够,怎样调节对焦模块,让它固定在我们需要的位置上也是厂商需要解决的问题。早期的手机上采用的便是最笨的反差对焦方式。其原理通过给镜组施加不同的电流,来调整镜头位置,从而调整焦距,然后根据焦点处画面的对比度变化,寻找对比度最大时的镜头位置,也就是准确对焦的位置。

尝试:寻觅市场的胃口

在功能机时代,软件对于用户的影响远非现在所能比拟。所以手机厂商想要打造产品的差异化,硬件是唯一出路。当手机厂商意识到拍照能够为用户带来更好地使用体验时,便开始探索更适合手机的摄像头模块。然而在发展初期,行业很难将像素数,对焦,补光,防抖,变焦等影响拍摄质量的元素全部兼顾到,所以我们看到市面上出现了很多产品只兼顾了某一方面的能力。

2004年,第一款光学变焦手机

在绝地求生游戏里,敌人离你很远的话,你如果没有倍镜是很难打中它的,只能遗憾地看着他从视线里消失。而在现实生活中,手机如果没有变焦功能,同样会在一些场景中,心有余而力不足,例如你坐在教室最后一排,却要拍摄老师黑板上的笔记等.....

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采用2倍光学变焦潜望式镜头的夏普 V602SH

2004年5月,世界上第一款光学变焦手机诞生,就是采用2倍光学变焦潜望式镜头的夏普 V602SH,不过200W像素的水平还是限制了它的实用性。

2004 年 7 月,紧接着夏普 V602SH,三星针对韩国市场推出 SPH-S2300,拥有 320 万像素摄像头,支持 3 倍光学变焦,自动对焦和一些手动设置,最高 ISO 400,那可伸缩的摄像头外观实在让人以为这是带了通话功能的相机。

诺基亚当然也不甘示弱,在2006年推出了可以实现3倍光学变焦的N93。

2005年,尝试与传统光学影像巨头合作

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诺基亚N90首款采用卡尔蔡司认证镜头的手机

2005年推出的诺基亚N90,在工业设计方面,我不想多评价,因为双转轴设计实在是太特别了。但是该机在拍摄方面还有一大成就就是采用了卡尔蔡司(Carl Zeiss)认证镜头。诺基亚开创了手机厂商与传统光学影像巨头合作的先河,尽管该机200W像素所呈现的画质并没有因为高大上的镜头而变得出类拔萃,但它以及它的后代产品却凭借大师级光学影像巨头的光环而收获了市场的认可。

如果让我匹配这一配置在绝地求生里的一件装备,我想只有在空投中才能获取的吉利服应该是比较贴切的吧。

2006年,第一款氙气闪光灯手机

闪光灯的作用是让手机能够拍摄正常情况下无法拍摄的景象,例如夜景,暗室等。这与绝地求生游戏里的手雷有点像,你明知道楼上有敌人,但现实是你上了楼梯就很容易被人爆头,OK,那一颗手雷解决问题。不过如果说LED闪光灯是手雷的话,氙气闪光灯就有点像炸药包了.......尽管威力是够,但带上一个,三级包都得占一半........

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索尼爱立信K790 第一款氙气闪光灯手机

作为2006年的主打产品,索尼爱立信K790配有320万像素的摄像头,并且被业界认为是第一款配备氙气闪光灯的手机,对比LED闪光灯在黑暗状态下能够带来更充足的光照,同时该闪光灯还具备数码相机才配备的红眼减弱功能。

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手机上已经小型化的氙气闪光灯组件,但依然很占地

可以看出,配备更优秀的补光组件是索尼爱立信对提升手机拍照功能所做出的努力,但从上面的产品图我们就能看出搭载这一组件的弊端——太厚。这是因为氙气闪光灯不仅包含灯体本身,还要涵盖一个体积不小的高压电容来供电。

对于手机这种随身携带产品来说,如果丧失了便携性,那么必然会受到市场的冷落,所以该机的销量并不好。在手机发展历史上,还有几款采用氙气闪光灯的产品,例如诺基亚Lumia 1020,Lumia 928等。但它们较厚的身材注定了无法被主流消费群体采用。也正因为此,具有更轻更省电特征的LED闪光灯才会在手机照明领域保持统治地位。

缩圈激战:高端装备齐上阵

绝地求生游戏之所以有意思,不仅因为里面各式厉害的武器,还有每隔一段时间便会缩小战场范围的毒圈所营造的紧张感。因为随着战场范围的收窄,遭遇敌人的几率变得更大。然而你必须冒着风险奔去安全区,因为毒圈之外,只有死路一条。

如果说2000年到2006年,处于手机摄像头的初始发育期,手机厂商凭借功能机体积,厚度要求不高的特点,可以硬塞下光学变焦以及氙气闪光灯等组件。那么到了2007年,则迎来了一次历史性的时刻——iPhone诞生。这是一款颠覆了功能机时代操作逻辑的产品,它轻薄便携,超大的屏幕以及内置的APP社交软件让手机拍照变得比任何时候都更加重要。然而智能机的轻薄属性却又限制了摄像头的性能发挥。谁能在更小的体积内带来更好地拍照体验,它才能较为舒服的生存下去。手机行业的“毒圈”开始收缩了。

2012年,光学防抖技术诞生

在绝地求生游戏里,人们最爱用的步枪之一便是M416,因为这把枪射击的时候稳,让你枪枪到肉的打在敌人身上。但这种稳定性并不是在你刚拿到枪的时候就能体会到,而是需要握把,尾拖等配件的加持下,来减小步枪射击时横轴与纵轴的后坐力。

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Lumia 920

2012年,诺基亚推出Lumia 920配备了卡尔蔡司认证镜头以及OIS光学防抖技术。这一技术通过镜头的浮动透镜来纠正“光轴偏移”。其原理是通过镜头内的陀螺仪侦测到微小的移动,然后将信号传至微处理器,处理器立即计算需要补偿的位移量,然后通过补偿镜片组,根据镜头的抖动方向及位移量,利用之前提到的VCM音圈马达的原理对镜头加以补偿;从而有效地克服因相机的振动产生的影像模糊。这种防抖技术对镜头设计制造要求比较高,而且成本也相对高一些。

光学防抖功能的效果是相当明显的,一般情况下,开启该功能可以提高2-3档快门速度,降低手持拍摄产生模糊不清现象的几率。

2012年,4100W像素手机诞生

手机像素就好比游戏中自动步枪的子弹,如果一梭子子弹能容纳更多的数量,那么你的攻击能力(画质)就会显著提升。手机行业的像素一直都在进步,因为只有更高的像素,才能为图像带来更多细节。甚至CCD传感器被CMOS传感器所取代,一大原因也是CMOS能够带来更高的像素数量。

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诺基亚808 PureView

诺基亚对于拍照功能的探索可以用领先一个时代来形容。2012年诺基亚推出808 PureView,一款拥有令人乍舌的4100W像素手机,这样的参数即便是单反相机,也很难企及。而6年后的今天,有一款同它一样的配置手机,同样以此作为卖点。

2013年,Ultrapixel技术带来2μ像素尺寸

在手机领域,像素数量与像素尺寸是两个矛盾的概念。像素尺寸就好比游戏中子弹的口径,越大的子弹杀伤力(画质)就会越强。但由于子弹口径增大,势必会更占地方,所以在子弹匣容量不变的前提下,装载的子弹数量就会减小。

放在手机上也是同理,由于手机轻薄的体积,感光元件的尺寸无法做大,所以如果追求高像素,那么单个像素的面积便只能控制的较小,一般会在1.2μ左右。

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HTC One M7

然而,HTC选择了增大单个像素的面积,从而带来让单个像素拥有更高的进光量,以此获得更优秀的夜间拍照体验。2013年2月19日HTC发布的新一代旗舰型智能手机HTC One M7。该机搭载自主研制的Ultrapixel(简译为“超像素”) 摄像头,最大的特点是拥有2μ超大像素,感光率比普通手机摄像头的高出300%。然而遗憾的是,同样因为高像素尺寸,使其摄像头的像素数量仅有408W。

2013年,首款双色温闪光灯诞生

我们知道,但凡是高端相机,一般都会采用氙气闪光灯作为补光设备,一方面是因为它的光线强度更强,另一方面,也是因为它的色温非常接近太阳光的色温,从而令拍摄的照片更易于控制白平衡。

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iPhone 5S

然而随着手机行业进入到智能机时代,轻薄的外观决定LED光源才是最优的补光材料。它有节能,体积小巧的优点。尽管亮度不及氙气闪光灯是客观事实,但是色温的问题却可以通过技术手段解决。而2013年苹果推出的iPhone 5S采用了双色温闪光灯,便是通过调节两个不同色温闪光灯的光线强度,从而改善拍摄环境的色温水平,已达到成片的真实色彩还原。从后续友商的跟进情况便可以看出,这是一套成熟且有效的方案。

2014年,激光对焦技术与相位对焦技术(PDAF)在手机应用

在前文中,我们将对焦技术看做是绝地求生游戏中的准星,如果说最开始的反差对焦是机瞄的准星,那么激光对焦以及相位对焦技术则可以看做是红点或者全息瞄准具,能够带来更快的瞄准速度(对焦速度),并且能够适应更多环境。(暗光环境)

2014年2月的MWC大展上,三星推出旗舰Galaxy S5,该机首次搭载PDAF相位对焦技术。该技术采用的图像传感器,感光区域中的部分像素点被牺牲掉,这些像素被称为掩蔽像素(Masked Pixels),是成对使用的。像素之间的距离、结合它们的相对变化,就可以帮助系统决定镜头到底需要为准确对焦而移动多远。就像人的双眼能够辨别物体远近一样。

有了此对焦系统,手机的对焦就不用像传统反差对焦那样,来回调整焦距(俗称拉风箱)才能断定正确的焦点了。总之,这一技术可以显著提升对焦速度。后来苹果也在iPhone 6上搭载了这一相位对焦技术,名叫Focus Pixel。

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LG G3

同年5月,LG发布2014年度旗舰LG G3,让人眼前一亮的是,LG G3不仅配备双LED闪光灯,更拥有具备激光自动对焦功能的传感器。该传感器会从和摄像头同侧的一个窗口中发射出一道锥形激光光束,不断的反复根据激光反射回来的时间长短来判断物体的距离,继而完成对焦。

该技术使对焦速度达到276毫秒,甚至比人眨一下眼还要快。并且,由于它采用主动发射的对焦技术,所以在暗光环境下,也能带来迅速准确的对焦体验。不过它也有个弊端,就是因为激光发生的功率有限,所以只能对焦近处的物体。

2014年,ISOCELL深槽隔离技术

说起手机图像传感器的制造,大家可能首先相当的是索尼的IMX系列,但是其实三星在这一领域也有着举足轻重的地位。在2014年发布S5的时候,三星就位该机的摄像头感光元件配备了ISOCELL深槽隔离技术。

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三星Galaxy S5

这一技术建立在BSI(背照式传感器)技术的基础上,更注重减少像素之间的干扰;相比于BSI技术,ISOCELL技术能够减少30%的像素串扰。通过在形成像素间的物理屏障,从而避免像素间形成的干扰问题,让像素能够吸收更多光子,获得更好的照片效果,从而提升画质。另外,在设计集成化方面,ISOCELL还能够进一步缩小相机模块,让手机变得更加轻薄。

或许,看完刚才这些,大家会觉得这一技术有些似曾相识。那很有可能是因为大家了解过iPhone 6s的拍照性能。因为它也搭载了这一技术,而且相比于三星的相对低调,苹果似乎更愿意将这一技术作为拍照方面宣传的重点。然而该机的发布时间是2015年,和相位对焦技术一样,比三星晚了一年。

致命毒圈:命运的考验

在绝地求生游戏的后期,随着毒圈一点点收窄变小,不仅对手的装备已经达到了很高的水准,而且圈外面的毒气威力也变得奇大无比。所以摆在玩家面前的选择,只有谨慎的走好每一步。

在2016年以后,随着移动互联网以及智能手机普及潮所带来的换季热潮逐渐消退,手机厂商面临的竞争压力变得越来越大,如果产品定位上出现失误,可能就意味着口碑的严重倒退,以致出现命运危机。很多手机厂商都是在这种情况下被历史淘汰的。

在手机摄像头发展上,近两年新技术的推出相对缓慢,但是野心是非常巨大的,因为手机厂商已经将竞争目标瞄准了专业数码相机领域......

双摄技术:画质,景深,变焦一把抓

想到了一句经典句式,没有什么一个摄像头办不到的,如果有,那就是再来一个摄像头。双摄技术其实在2011年,就已经在手机行业应用,不过当时的路走错了,走的是3D拍摄的路线,但体验很差劲,所以很快就被淘汰了。

如今双摄经过发展分为几个派别,分别是以华为系手机为代表的黑白彩色双摄,以iPhone Plus机型为代表的变焦双摄以及以一颗高参数的主摄像头再加一个参数可怜只为虚化的辅助摄像头三个派别。显然前两个是最有技术含量的,华为的黑白彩色双摄中的黑白摄像头由于去掉了色彩滤光片,所以像素接受光的能力更强,能够带来细节更丰富锐利的画面,而通过算法,使它和彩色摄像头的色彩信息相结合,从而保留了两个摄像头的优点。并且支持大光圈模式。

iPhone Plus机型的双摄则是通过采用两个不同焦距的摄像头,使其实现2倍的光学变焦能力。并且通过双摄算法,使iPhone 也有自己的大光圈模式,只不过名字叫“人像模式”。

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华为P20 Pro

近期最新推出的华为P20 Pro手机甚至采用了三摄方案,也就是在原有方案基础上增加了一个长焦镜头,从而让自家产品也有了光学变焦的能力。

堆叠式感光元件:让时间变慢

在绝地求生游戏中决定枪好坏的因素除了之前提到的稳定性,子弹尺寸,弹匣容量等因素外,还有一个重要指标就是子弹的射速(单位时间射出子弹的多少)。一秒钟发240发与960发子弹在总伤害上肯定差距是很明显的。

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索尼XZ Premium

而在手机摄影领域,慢动作视频已经成为备受厂商青睐的技术。在去年,索尼发布了全新一代IMX400系列感光元件,这一系列最大的改进便是采用了堆叠结构,在传统的感光层与底部电路之间增加了一层DRAM动态存储器,从而让感光元件具备短时间拍摄大数据量影像的能力。

而具体的数据是1秒钟能录960帧720P分辨率的视频,如果将这段视频以正常速度回放,相当于时间放慢了32倍!诸如泡泡破裂,子弹出膛等转瞬即逝的画面在这一技术面前,都会变得清晰震撼。该技术率先搭载在来了索尼自家的XZ Premium上。

可变光圈技术:这才是理想的光圈方案

今年2月的MWC大展上,三星推出了S9系列手机,该机在拍照方面的一大卖点是采用了可变光圈技术,也就是光圈可以在F1.5与F2.4变换。或许有人会疑惑,手机光圈不是应该越大越好吗?其实不然,因为光圈越大,手机镜头面临画质降低的风险就越高,所以你会发现iPhone的光圈参数在同一时期里的手机里并不是最高的。

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三星S9 plus

然而大光圈在手机上存在的意义主要在于通过提升进光量来降低曝光时间,增加在暗光环境的出片几率。但如果在明亮环境想保证更好画质的话,则需要降低光圈。所以我认为可变光圈才是目前手机最好的光圈方案。

关于未来:手机拍照的战场上,没有吃鸡

纵观手机摄像头这18年的发展,我们发现它的功能与手机所处的发展阶段紧密相关。在功能机时代,手机还仅仅作为一个通信工具,尽管它很重要但通信才是核心,所以摄像头的发展只是锦上添花,更多是将现有相机技术移植到手机上;

然而到了智能机时代,随着移动互联网与社交软件的盛行,摄像头成为手机创造数据与价值的重要组件,此时它便受到了量身定制的特殊待遇,大光圈,高像素,光学防抖,激光对焦等,一众新技术只为它而来;再到后期,随着手机更新潮的衰退,手机厂商为了自保需要推出拳拳到肉的拍照产品,来满足消费者日益挑剔的需求。

然而在拍照的战场上,没有吃鸡,只有源源不断的新空投与新敌人,只不过在追逐空投的路上,有的厂商有可能成为别人枪口下的炮灰,有的厂商却获得了威力无比的新装备….

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