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手机拍照“任意门”:华为P40 Pro+10倍光学变焦是怎样炼成的?
2020-04-07 11:02:08  出处:快科技 作者:朝晖 编辑:朝晖   点击可以复制本篇文章的标题和链接

《哆啦A梦》中的“任意门”是很多人儿时做梦都想要的科幻道具,只需打开一道门,就能实让10光年之内的任意时空近在眼前,实现瞬间转移的效果。虽然科幻漫画脑洞大开,人类在短时间内难以实现,但科技的进步却实实在在改变了我们的日常生活体验。

比如我们最常用的手机拍照功能,从最早的“拍清楚”,到如今的“夜视仪”“望远镜”,进步之神速超乎想象。而在解决夜晚拍不清、远距离拍不到的问题上,近两年影像实力突飞猛进的华为立了不少功。

最新发布的华为P40 Pro+就成为全球首款10倍光学变焦手机,能够实现10倍光学变焦,20倍混合变焦,最高100倍数码变焦,让手机拍照实现在某种程度的“任意门”效果——远在天边,近在眼前。

手机拍照“任意门”:华为P40 Pro+10倍光学变焦是怎样炼成的?
华为P40 Pro+广角、3倍、10倍光变效果

具体规格上,P40 Pro+后置徕卡五摄,是迄今为止华为影像功力集大成的最高水平。具体来说包括:5000万像素主摄(1/1.28英寸RYYB传感器,并支持OIS)、4000万像素电影摄像头(1/1.54英寸)、800万像素3倍光变长焦(OIS)、800万像素潜望式10倍光学长焦头(OIS)以及一颗ToF 3D深感摄像头。

手机拍照“任意门”:华为P40 Pro+10倍光学变焦是怎样炼成的?

大家都知道,单反要想拍到更远的画面,实现千米之外打鸟的效果,必须要搭配长焦镜头。手机上也是类似,如果想要实现远距离拍照,且保证画质无损,必须要有光学变焦。显然,高倍数光学长焦镜头是手机上实现变焦的最佳方法,但镜头模组的物理特性(焦段越长、模组越长)跟手机的ID设计相悖。

在物理定律下,智能手机将更长的变焦镜头安装到其纤薄的机身中,手机制造商就算使用了比平常更小的图像传感器和巧妙的镜头设计,传统的高端智能手机只能实现2倍或3倍光学变焦系数。所以,实现5倍,甚至10倍光变的难度可想而知。

从量化标准来看,10倍的光学变焦,按照传统的镜头结构,不可能实现。所以,改进镜头结构,成为唯一可实现的方法。

手机拍照“任意门”:华为P40 Pro+10倍光学变焦是怎样炼成的?

在去年的华为P30 Pro身上,华为就率先试用了潜望式镜头实现破局,实现了5倍光变。简单来说,就是将CMOS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,然后使用一面反射镜将进入摄像头内的光线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。

而华为P40 Pro+在P30 Pro潜望式镜头横置长焦镜头模组和感光器件基础之上,独创了多反射潜望式超长焦结构,实现5次反射光路,光程比上一代潜望式长焦提升178%。如此一来,不仅有效消除了距离限制,能够看的更远,而且有效平衡了手机空间设计的难点。

手机拍照“任意门”:华为P40 Pro+10倍光学变焦是怎样炼成的?

当然,华为P40 Pro+的多反射潜望式超长焦结构并非只是多放几个反射镜这么简单。光线进入镜头,会经过多次反射,光路畸变势必会对成像质量有一定影响。如果要保证成像质量,就必须对模组内的反射镜组装平面的精度控制要求极高,只有纳米级的高精度反射面,才能有效降低光路畸变,实现画质无损

但如此高精度的光学模组组装工艺前所未有,也没有任何先例可以借鉴。要知道,目前芯片的组装工艺控制精度要求是10微米,远远达不到纳米级的要求(1微米=1000纳米)。而头发丝的直径一般不超过100微米,华为的要求是头发丝的两千分之一(不高于50纳米),难度之大可想而知了。

最终,华为相机团队经过一系列探索和分析,对关键参数工艺的参数深入研究,华为P40 Pro+最终实现了最高约30纳米的精度,即便在5次反射光路的情况下,依然保证了极高的成像质量和无损画质。除了高精度的安装工艺外,华为P40 Pro+的镜头模组还使用了透光率更高的玻璃镜头,极大减少了鬼影和眩光,让光晕变得更加柔和。

手机拍照“任意门”:华为P40 Pro+10倍光学变焦是怎样炼成的?

另外值得一提的是,P40 Pro+长焦模组的对焦马达也有特殊的需求。因为反射潜望式超长焦结构下,对焦马达不仅需要带动具有多反射面的反射镜移动的同时,还不能干扰光路,马达只能“躲”在反射镜后面的有限空间中,反射镜的大部分重量都是挂在马达的最前端。

这样的话,马达宛如一把从尾部抓着L型反射镜的大榔头,要保持在不同手机拍摄姿态下,都能高精度稳定移动反射镜,挑战非常大。

华为相机设计团队经过多番验证,采用了滑槽式承载方式,搭配极强的磁力与精密杠杆结构,精巧地平衡了前端的反射镜负载同时采用优异的润滑材料,使马达能够高稳定、高精度地移动反射镜,实现自动对焦功能,这也构成了这个模组独特的对焦马达专利。

除了独特的设计与功能,这颗马达还具备超长寿命的特点。即使经过数百万次的测试和极端环境的考验,依然硬朗运作。

10倍光学变焦让P40 Pro+实现了“千里眼”的效果,但华为并不满足,在中距离边焦段还加入了一颗3倍光学变焦长焦镜头在广角和潜望式长焦之间接力,实现中距向远距平滑过渡。这颗镜头特别适合用于人像摄影,能够有效减少透视畸变对人像的扭曲,镜头距离被拍摄者更远,减少拍摄动作的侵犯性,可以更好的定格自然神态。

手机拍照“任意门”:华为P40 Pro+10倍光学变焦是怎样炼成的?

解决了镜头模组的问题,远距离拍照的另外一个核心就是OIS光学防抖了。众所周知,在长焦端,手的抖动会被放大,变焦倍数越高,抖动被放大的效果就越明显。如果没有光学防抖的支持,再好的长焦镜头也没办法发挥出应用的效果。

为此,华为P40 Pro+为主摄、3倍长焦、10倍潜望长焦都加入OIS光学防抖机构,三OIS光学防抖的配置在智能手机上也是头一次见到。同时,华为独家的AIS智慧防抖能够实现基于语义的实时稳定性,通过软硬件之间精密契合,提升长焦拍摄防抖性能,提升高倍变焦成片率。

此外,基于麒麟990 5G强大的NPU打造的第三代华为AI图像引擎,让华为P40 Pro+支持所有场景像素级无损处理,全焦段全场景实现AI算法加持。

手机拍照“任意门”:华为P40 Pro+10倍光学变焦是怎样炼成的?

由此可见,华为P40 Pro+实现全球首次10倍光学变焦的背后,是华为硬件、软件、芯片共同作用的结果。硬件会决定照片质量的下限,软件决定了上限,而芯片可以帮助软硬件协同。

从技术角度来说,它在手机摄影上堆下了最强的料,还在镜头结构以及组装工艺上开创了新的里程碑,领先了对手一年甚至更久,加上华为的软件、自研芯片的优势,才最终实现了手机拍照的“任意门”效果。

而对于整个手机业界来讲,P40 Pro+对于10倍光变和无损画质的追求,可以说是华为在手机影像探索过程中,又一项令人印象深刻的壮举。

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