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智能手机在弱光拍摄场景下,是如何获得巨大进步的?

2019-11-22 09:08:50 | 来源: | 作者:HikariCalyx
一些厂商仍在掌握这些基本原理,但我们很快就开始看到千元机市场出现重大改变。在未来一年或更长时间里,弱光拍摄可能仍将是智能手机相机竞争的关键因素。

原文链接: 原文作者:Robert Triggs

自从P20 Pro以来,华为的旗舰手机一直是暗光摄影领域中十分优秀的一些智能手机。 最新的Mate 30 Pro在进一步改进此场景算法方面赢得了赞誉,但与Pixel 4的优秀弱光拍摄能力相比,仍有很长一段路要走。

三星的Galaxy旗舰机也能提供良好的弱光效果,并且在生产最好的智能手机相机的竞争中显得尤为重要。让我们确切地了解一下这些厂商在生产如此出色的弱光镜头方面所做的工作。

从硬件入手

在黑暗中拍摄出色照片的关键,是使用相机传感器捕获尽可能多的光线。与使用小型智能手机传感器而不是单反相比,表面上看确实挺容易实现。 所有相机系统的三个关键部分都有助于实现这种光捕获:镜头光圈的质量和大小,传感器及其像素的大小,当然还有曝光时间。 对于这些因素中的每一个,不同的手机厂商有不同的控制技巧。

更大的光圈=更多的光线

首先是提供较大的光圈。 华为P20 Pro和Mate 20 Pro从f / 1.8起步,而P30 Pro和Mate 30 Pro具有更大的f / 1.6光圈。 三星Galaxy Note 10具有可变的f / 1.5-2.4光圈,Google Pixel 3为f / 1.8,而Pixel 4为f / 1.7,iPhone 11的光圈为f / 1.8。随着更多的光线进入相机,捕获大量光线的最佳方法是使用更大的传感器。

较宽的镜头开口可让更多的光传递到传感器上,但是如果不考虑镜头畸变,则很难制造高质量,宽而小的镜头。因此,为什么不是每个制造商都提供如此大的孔径。虽然大光圈会产生较柔和的景深效果,使相机在微距下看起来不错,但不一定是在风景拍摄中保持最佳焦点的最佳方法。

光圈只是构成图像的一部分,因为像一加 7 Pro这样的手机的光圈虽然可以匹配华为的光圈,但在弱光下效果不佳。 然后就是图像传感器的尺寸。

华为 Mate 30 Pro f/1.6 光圈

华为 P20 Pro f/1.8 光圈

更大的传感器和像素重采样

随着更多的光线进入相机,捕获此光线的最佳方法是使用更大的传感器。 通常会在这一点上调用堆栈,这是一种考虑光收集的相当不错的方法。 堆栈越大,在较短的时间范围内收集到的光线越多,从而获得更好的低光图片。换句话说,在昏暗的光线下,即便设置了较短的曝光和较低的ISO来摆脱困境,也可以减少模糊和充满早点的图像。

华为在更大的图像传感器尺寸方面一直处于领先地位。 P和Mate系列手机的最新两代产品包括1 / 1.7”传感器。 这明显大于华为的许多竞争对手,例如苹果,谷歌和三星,后者选择了1 / 2.55”传感器。 华为声称其传感器比iPhone 11 Pro Max捕获的光线多137%。 如果准确的话,这显然对黑暗中捕获的光量有很大的影响。

但是,华为的传感器具有4000万像素,而竞争对手通常会提供1200万像素。与单个较小的传感器竞争对手的1.4μm相比,华为的每个像素的尺寸为1.0μm。从表面上看,这表明华为的竞争对手将在低光照下提供更少的噪音。但是,华为的图像传感器使用了一种称为像素合并或四倍拜耳滤波器技术的技术。它不是真正的4000万像素 1.0µm传感器,而是更接近增强型1000万像素 2.0µm传感器。

像素重采样正成为越来越流行的相机技术。您可以在华为和一加的旗舰店中见到它,从Realme和荣耀的中档和低成本手机中也可以见到它。从理论上讲,这使摄影师可以同时兼顾两个方面:高分辨率的日光模式和更大的像素以实现低光。但是,重采样相机在切换到全分辨率模式时肯定不能保持其全部质量,正如我们对6400万像素 Realme XT重采样的测试所指出的那样。

真正重要的是各个像素的大小。苹果,谷歌和三星已将1.4μm定为最佳选择,并取得了不错的成绩。华为正在以2.0μm的大像素进一步推动这艘船,尽管其顶部装有一个四拜耳滤光片。

长时间混合曝光的艺术

最初的Google Pixel的HDR +技术为当今的微光技术奠定了基础。 HDR +将多次曝光结合在一起,改善了光线充足和光线昏暗的照片中高光部分的细节。 华为通过P20 Pro引入了自己的“一次性HDR”技术,该技术也适用于弱光。 这将像素合并的10MP图像用于颜色信息,但将40MP的像素用于曝光。 一半像素在长时间曝光下拍摄,另一半则使用短时间曝光。 组合亮度数据以仅具有单个图像而不是多个图像来产生HDR结果。

同年,华为和谷歌推出了自己的长时间曝光夜间模式。 该技术将几个短时间和长时间曝光的图像结合在一起,以提供更加动态和光线充足的夜间拍摄。 您只需要稳定的双手静止不动几秒钟。原版的Google Pixel的HDR +技术为当今的弱光技术奠定了基础。多重曝光或夜间模式现已成为主流相机应用程序选项,它不再是旗舰手机专属的功能,在很多千元机中也可以找到。但最终拍摄结果会根据相机的质量和软件算法而有所不同。 夜间模式无法解决劣质的低照度相机的问题,但可以将可以接受的图片加工成出色的图片。 谷歌可以说是在Pixel 4中实现天文摄影技术的领先者。

一加 7 Pro 关闭夜景模式

一加 7 Pro 开启夜景模式

Mate 30 Pro 夜拍模式样张

iPhone 11 夜拍模式样张

一加 7T 夜拍模式样张

新颖的传感器技术

尽管到目前为止提到的所有技术都在许多设备上具备,但是接下来要介绍的技术目前是华为专有的。

在P30系列中,华为用新的RYYB SuperSpectrum相机滤镜取代了传统的RGGB相机滤镜技术,该滤镜旨在帮助捕获改善的亮度信息。简而言之,华为的SuperSpectrum传感器将传统的红绿蓝(RGB)滤色器替换为红黄蓝(RYB)滤色器。这种滤镜类型可以捕获更多的光,但是使用与最终图像中不同的滤色镜。

理解这种方法的关键是黄色滤镜同时捕获绿色和红色数据。因此,总体而言,它可以捕获更大范围的光线。但是,需要权衡的是算法必须从黄光中恢复绿色数据。这当然是可行的,但这是一个棘手的过程,并不一定总能使颜色正确。华为在P30和Mate 30 Pro两款机型中对这方面进行了重大改进。

当然,要拍摄出良好的低光照片,完全不需要使用这项技术。 但是,它使华为P30和Mate 30系列无需夜间模式即可拍摄出非常明亮和细腻的微光。 因此,场景中不稳定的手或移动的物体造成模糊的风险较小。

弱光性能取决于许多因素

在昏暗的光线下拍摄出色的照片需要扎实的硬件基础知识和专门的软件。 在这方面,智能手机制造商正越来越多地使用出色的镜头和传感器来改进其相机。 软件算法也起着巨大的作用,调节曝光,在不去除细节的情况下对图像进行降噪以及提高多次曝光夜间模式的质量。

旗舰机在几乎所有这些技术领域均表现出色,而来自谷歌和华为的旗舰机在不理想的拍摄场景下,可产生始终如一的精美照片。一些厂商仍在掌握这些基本原理,但如果我们很快就开始看到千元机市场出现重大改变,也请不要感到惊讶。 在未来一年或更长时间里,弱光拍摄可能仍将是智能手机相机竞争的关键因素。

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