引领高倍光学变焦 华为摄影全能王是如何炼成的?

2020-04-08 23:00:03 来源: 态℃ 网易号 举报
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作者 | 静静

出品 | 网易科技《态℃》栏目组

长焦是什么?

在很多人眼中,长焦的功能不过是个“望远镜”,可以拍拍月亮、打打鸟、望望远方。

然而,这只是长焦的一个基础特性,其实际意义在于拉近了世界和美好之间的距离。

不止于缩短与拍摄主体的距离,长焦镜头带来的背景虚化、空间压缩、画面层次感,让我们看到了更美的“远方”。

那种美,你无法通过“走近它、放大它”而得到。

长焦镜头就如同一根神奇的魔杖,给予我们望远的同时,还赋予了我们发现世界美的新视角。

回溯相机发展史,在经历了大像素、便携性的竞争之后,光学变焦的竞速也是高歌猛进,3倍、5倍、10倍……直到如今可以拍到月球环形山的125倍,人们从未停止对长焦极限的追求。

同样,手机影像也在走类似相机发展的道路,在经历了“像素大战”之后,也开启了“长焦新战场”,短短数年时间,就从2倍光学变焦做到了现如今的10倍光学变焦。

日前,华为发布了年度影像旗舰P40 Pro+,带来了全球最强的10倍光学变焦。这也是目前首款无外挂、非升缩式10倍光变产品,其探索的潜望式结构,开启了手机长焦新可能。


华为P40 Pro+ 的发布预示着手机影像将从陆地战升级到太空战。可以预见,接下来的两年,10倍光学变焦将是各家必须拿下的阵地。

光学变焦:长焦的终极之路

“像素大战”已近尾声,如今动辄5000万、6400万、1.08亿像素的主摄像头,让手机相机的像素媲美专业相机,像素升级对于手机影像性能的“边际效益”也越来越小。与此同时,目前超广角、微距等功能也基本普及,长焦便成了手机影像发展的新突破口。

除了拍月亮、拍星空外,长焦拍摄的风景、人像能带来更好的体验,不同于大像素下的画面裁剪,长焦能带来非长焦无法体验的更立体、更富有空间感的美感。

目前,手机上实现长焦的方式大致有三种:数码变焦、光学变焦以及混合变焦。

数码变焦,手机基本都具备的功能,其借助手机相机模组的处理器,将团片中的每个像素面积增大,从而达到放大的目的。但是它并未从真正上改变相机的焦距。主要通过软件的方式对所要图像进行处理补偿,但是放大后的图像依然会比较模糊。变焦倍数越大,放大倍数越高,图像的清晰度也会越模糊。

光学变焦,通过调节光学镜头结构的焦距来实现的。拉伸相机镜头结构中各个镜片的距离就可以改变焦距,所以这就要求必须有足够的厚度来实现这一光学结构。

光学变焦最大的优点就是在保证拍摄图像质量的前提下,可以通过变焦拍摄到更远的对象。画面的清晰度和分辨率都不会因为放大而改变。

混合变焦是最近几年才出现的一种新的技术词汇,它是在光学变焦的基础上,结合算法优化来达到高倍变焦的目的。也就是说当长焦拍摄需求超过光学变焦范围之后,手机会利用算法叠加的方式来尽量降低失真保证图片效果。

混合变焦其实就是各个焦段的镜头接力所实现的一种变焦技术。

对于混合变焦和光学变焦的区别,举个果汁的例子。混合变焦就好比超市卖的“100% 果汁”,是水+浓缩果汁兑出来的;而光学变焦则是水果直接压榨出来的新鲜果汁。

在这三种呈现方式上,光学变焦可以最真实的接近拍摄主体,是目前变焦方式中最好的解决方案。同时光学变焦由于光学结构的复杂性、及所需空间,导致了在手机上很难实现高倍光学变焦。

手机上的光学变焦:追求无止境

由于体积与结构的限制,人们很难将传统相机中的光学变焦模组装入其中,虽然有一些厂商确实这么做过,但由于其牺牲了一些手机的其他特性,导致产品最终以失败而告终。

目前手机的光学变焦跟传统相机不太一样,它是由一个固定焦距的长焦镜头实现,随着人们倍数需求的增加,难度也在不断提升。

在手机光学变焦上,华为一直在不断突围。

2018年3月,华为发布了P20系列,首创徕卡三摄镜头。其实,当时不少高端手机都开始支持光学变焦功能,但在华为P20 Pro面前几乎无能出其右。

P20 Pro搭载了4000万像素彩色主镜头(1/1.7英寸超大感光元件)、2000万像素超清黑白镜头、800万像素长焦镜头的三摄组合,可以实现3倍光学变焦、5倍混合变焦。

三倍光学变焦的素质自然不用多数,在使用三倍以上变焦拍摄时,华为P20 Pro第三颗摄像头自动启动,实现了三套模组在自动曝光、自动白平衡计算和自动对焦,三大核心动作上完美地同步,从而达到几乎是无损的五倍混合变焦效果。

在三倍光学变焦之后,想要升级更高倍数变焦时,各家厂商开始都遇到瓶颈:因为想要升级更高倍数光学变焦,就必须要面对体积更大的光学结构。

然而,这个难题却被华为“轻松”解决了。

2019年4月份,华为发布了P30系列,率先落地了采用潜望式结构的5倍光学变焦,改写了手机影像规则。

要知道即便是在当年卡片机中,5倍光学变焦都无法做到小而巧,何况是塞进一个机身厚度不到9mm的手机中,这确实是一项艰巨的挑战。

受潜水艇的潜望镜启发,华为采用了特殊设计的潜望式镜头。简单地说,就是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。

在这之后,华为就开启了手机摄像高倍光变的晋级之路。

时隔一年,2020年3月份,华为在P40 Pro+ 上实现了10倍光学变焦,成为业界第一家步入10倍光学变焦的非外挂、非伸缩式结构厂商。

光学变焦:华为率先进入“无人区”

华为P40 Pro+ 的光学变焦在原理上采用了第二代潜望式摄像头结构,同时在精密性上提出了更高的要求。

华为P40 Pro+ 要在上一代P30 Pro潜望式镜头横置长焦镜头模组和感光器件基础之上,再突破。就需要进一步采用更精密的多反射潜望式光路折叠技术,实现5次反射光路。在光程上,P40 Pro+ 比上一代潜望式长焦提升178%。


听上去只是数据上的增加,但对元器件和模组设计却提出了更高的要求。

5次反射光路要求光线在经过多次反射之后,还需要保证高成像质量,就必须对模组内反射镜组装平面的精度控制做到极高的要求。可以说,只有达到纳米级的高精度反射面,才能降低光路畸变,保证反射质量。

根据光学设计仿真解析出的最基本的光学规格,需要是头发丝的两千分之一(头发丝的直径一般不超过100微米),这样的难度无疑是在针尖上跳舞。

一开始,华为相机团队首先想到的是借鉴芯片的组装工艺技术,但经过比较后发现,芯片组装工艺技术对芯片变形的控制是10微米级,远远达不到相机团队的要求。

在没有借鉴方法的基础上,华为相机团队持续自我探索,分析关键影响因素,研究关键参数工艺,对比测量变化数据,选出最稳定的工艺条件,持续对光学系统进行优化,最终实现最高约30nm的精度。

光学变焦虽然有其独特的优势魅力,但却需要注意使用过程中的防抖。此次,华为P40 Pro+ 的10倍光学变焦实现了三重OIS+AIS防抖,这就对对焦马达提出了更为苛刻的要求。


华为P40 Pro+ 的对焦马达需要在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。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。

为此,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。

在光学变焦的探索之路上,华为率先进入了“无人区”。

华为:如何创造手机摄影?

当然,除了在长焦功能的创新之外,华为摄影还首创了RYYB滤镜阵列,增加了进光亮,提升了画质,且在超级夜景、视频影像、超广角方面都有着不俗的表现。

在华为P40 Pro+ 上,华为相机工程师做到了余承东口中的“全时段、全焦段的进化”,改写了移动影像标准,引领影像艺术进入了一个新的里程碑。

华为手机摄影能够一次次成为行业风向标,除了硬件升级之外,还离不开软件算法的加持。


据了解,华为P40系列在软件算法上,带来了华为XD Fusion图像引擎。全新华为XD Fusion图像引擎,结合了AI超清算法库,通过超分算法增强细节、多帧合成改善了暗光表现,提升了整体画质;像素级优化获得更好的细节纹理、更少的噪点和更大的动态范围,清晰度超越物理像素。

不仅如此,在硬件解决成像,软件辅助完善质量的同时,华为还有自研芯片的助力,从而使得软硬件的协同实现1+1>2的效果。

比如,此次华为P40 Pro+ 搭载了华为自研麒麟990 5G SoC芯片,可以实现每秒24帧的实时AI识别和处理,单帧的识别可以在1/24s完成,而基于该芯片NPU打造的第三代华为AI图像引擎为其提供了全场景全焦段的AI算法加持。

余承东在发布会上大赞“华为P40 Pro+就是一台相机性能怪兽。”

回望华为在手机摄影领域的探索,从P9系列首配徕卡双摄,到P10系列的首个前置徕卡镜头手机;从P20系列的4000万徕卡三摄,再到P30 Pro首创RYYB传感器,潜望式5倍光学变焦,霸榜DxOMark;再到如今P40 Pro+ 的首创10倍光学变焦,摄影全能王的出现,这一个个“首创”背后更多来自于华为多年来对手机摄影尽善尽美地不懈追求。

余承东曾经向媒体透露,华为手机在摄影方面的投入规模是最大的,华为一家甚至超过中国所有手机厂商研发的费用总和。

据了解,小小的手机摄像头华为分成了若干大的模块,比如系统工程师、光学团队、传感器专家、图像效果工程师、算法工程师等数万研发人员的投入。

持续的巨额研发投入,深层次的技术攻关,让华为在摄影方面筑起了一道道壁垒,甩出别人不止一条街,一次次引领了手机摄影革命。

不得不感叹:虽然华为没有创造手机,却创造了手机摄影。

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小祖君 本文来源:态℃ 责任编辑:张祖韬_NT5054
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