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拍照兇猛——華為P30系列改寫手機攝影規則

發表于:2019-04-02作者 來源于:
3月26日,華為手機P系列最新一屆的扛鼎力作——P30系列在法國巴黎發布。發布之后,無論是媒體還是業界,無疑都被 P30/P30 Pro所震撼。全新的 “超感光徠卡四攝”不僅將P30 Pro一舉托到DxOmark榜單的頂端,也將改寫手機的影像規則。

規則的改寫,從來都是由在行業里最具實力的品牌開創,華為手機P系列就是個很好的例子。從華為P9、P10的仿生雙攝到華為P20的徠卡三攝,再到華為P30系列的超感光徠卡四攝,華為P系列一直以來都是手機攝影的引領者,無不體現著華為出色的研發實力和對手機攝影的極致追求。

具體來說,“超感光徠卡四攝”指的是P30 Pro所采用的后置徠卡四攝方案。主攝像頭4000萬像素+f/1.6大光圈+1/1.7英寸超感光傳感器;第二顆為2000萬像素的超廣角鏡頭和f/2.2光圈;第三顆鏡頭是800萬像素潛望式長焦鏡頭,光圈為f/3.4。新增第四顆TOF鏡頭,用于采集景深信息。

“超感光徠卡四攝”中,強大主攝帶來的暗拍能力令人印象十分深刻。憑借暗拍方面的出色表現,華為P30 Pro也被網友昵稱為“夜視儀”。

華為P30 Pro主攝像頭配備1/1.7英寸超大尺寸傳感器,摒棄了以往普遍采用的RGGB方案,替換為將綠色像素替換為黃色像素的RYYB排列。由于黃色光能夠同時透過紅光、綠光,因而在像素層面提升了高達40%的進光量,P30 Pro的ISO甚至高達409600。

顯然,擁有了這樣的能力,在同樣的暗光環境里,華為P30系列能夠實現“見人所未見”。而對于一些內部環境本身就比較昏暗的,例如博物館、圖書館、教堂等其他產品力所不逮的場景。華為P30 Pro則可以基于感光元件、徠卡鏡頭、圖像信號處理器(ISP)和神經元網絡單元(NPU)之間的精密協作,在色彩和清晰度方面獲得良好表現力。

在以往,手機廠商在應對暗光拍攝這個老大難問題的時候,大多采用軟件調整的方式,但是治標不治本。P30系列則從底層像素變革,驅動整個上層建筑推倒重建。從定制徠卡鏡頭、超感光傳感器,到麒麟980內置的ISP、NPU,再到華為自研開發的圖像感光和處理算法,最終形成了端到端的影像系統,實現了極高感光、低噪點、高色彩還原。

華為P30 Pro樣張圖片除了強大的“夜視儀”功能,超感光徠卡四攝還創造性地實現了5倍光學變焦、10倍混合變焦和50倍數碼變焦,榮獲另一個昵稱“望遠鏡”。

在3月26日的海外發布會上,P30系列的海外售價已經正式公布,P306+128G版售價799歐元,P30 Pro 8+128G版售價999歐元,8+256GB版售價1099歐元,8+512G版本售價1249歐元。

華為P30系列已經于北京時間3月27日00:00正式開啟預售,4月11日18:08將全面開售。從各大電商平臺的預售情況來看,P30系列的銷量,將再次帶來今年智能手機的一個高峰。

(圖片及稿件來源:華為)

最近,華為P30系列拍照水平成了現象級討論。原因很簡單,其在手機拍攝領域令人驚嘆的表現,的確超出了此前媒體、業界的期待。即使外界對P30系列在手機拍攝上的超強表現已經有所認知。但正式發布之后來P30系列在手機拍攝方面的表現,依然遠遠越過了人們的想象。

的確,P30系列在很多方面都是超出現有認知范疇的, P30/P30 Pro在拍照方面的配置情況——P30采用后置徠卡三攝設計,光圈f1.8的4000萬像素超感光主攝+1600萬像素廣角攝像頭+800萬3倍光學變焦鏡頭,支持5倍混合變焦,最大支持30倍的數碼變焦,最高ISO為204800。前置攝像頭采用一顆3200萬像素,光圈f2.0的攝像頭,支持AI HDR+自拍。

相比之下,P30 Pro則更加令人矚目。在后置攝像頭方面,P30 Pro首次搭載了超感光徠卡四攝——4000萬像素超感光主攝、2000萬像素超廣角鏡頭、800萬像素潛望式長焦鏡頭、以及一顆ToF鏡頭。其中,主攝和長焦鏡頭支持OIS光學防抖,通過全新的“潛望式結構”,P30 Pro首次在智能手機上實現了可用的10倍混合變焦,以及最大50倍的數碼變焦。這意味著此前用手機拍照片,拍遠景只能走得更近的情況,徹底成為了歷史。因為這一功能,網友已經給P30 Pro起了無數的綽號——“望遠鏡”、“千里眼”、“雷達”等等…可見這一突破,帶給消費者的驚喜程度。

同時,P30 Pro主攝的CMOS為IMX650,尺寸為1/1.7英寸,支持四像素合一技術。值得一提的是,這一次P30 Pro的CMOS并不是傳統的RGGB排列,而是輸出RYYB,通過紅黃黃藍濾光陣列組合的方式,使得P30 Pro在一片黑暗的夜視條件下,可以獲得更自然的顏色和更好的曝光表現,進光量顯著提高了40%,最高ISO竟然高達409600。同時,主攝的光圈也從f1.8提升到f1.6,可以再增加25%的進光量。這種堪比“夜視儀”的功能,搭配變焦方面“千里眼”一樣的現象級表現,幾乎使華為P30 Pro開創了一個全新的手機攝影新時代。

在算法方面,P30 Pro還支持AIS手持超級夜景的同時,支持AI HDR+,可以進一步提高畫面寬容度。“超感光徠卡四攝”中的TOF鏡頭,可以更精準地感知深度信息,對物體進行AR建模,做到專業級人像虛化,塑造漸進式景深效果,讓影像更具立體層次感。2000萬像素的超大廣角鏡頭,則可以達到2.5cm超級微距拍攝,大場面一覽無余,也可以呈現微觀世界的神奇。

華為官方圖片

對于消費者而言,P30系列最大的貢獻,在于解決了很多之前手機拍攝的“終極問題”——在P30系列之前,很多類似的問題貌似已經成為手機拍攝的死結,幾乎是不可更改的。而P30系列的問世,顯然再次宣告了手機攝影的延伸性,也再次宣告了華為手機強大的研發實力,將不可能變成可能。

(圖片及稿件來源:華為)

3月30日,時值“地球一小時”活動當天,@華為手機 官方微博忽然在自家微博里放出一張動圖,將使用P30系列拍攝暗夜的全過程展現了出來。這張全新樣張的發布,再次震撼了行業,甚至有粉絲甚至在留言中大呼“簡直就是夜視儀”。

從樣張中,我們可以清晰地看到拍攝的全過程——拍攝之前,鏡頭前一片漆黑,標準的“伸手不見五指”。

然而在短暫的調整之后,畫面中卻清晰地顯現出房間內的各種事物,效果令人瞠目結舌——竟然和正常照明條件下的拍攝效果沒什么兩樣。

這樣的拍攝效果,的確是有點讓人猝不及防的驚喜。事實上,自3月26日華為在巴黎發布會上宣發了P30系列卓越的暗拍技能之后,包括媒體、業界和粉絲群體在內,都對P30系列實際的暗夜表現抱有極高的期待。但即使如此,恐怕也沒有人料到,P30系列實際的暗拍效果,竟然已經達到了這樣的程度。難怪早在首發之前,提前挖到料的一些外媒和專業人士就已經對P30系列“夜視儀”一樣的表現贊不絕口。

具體說來,P30系列的強大攝影能力得益于獨具創新的“超感光徠卡四攝”方案,其中包括主攝像頭4000萬像素+f/1.6大光圈;第二顆攝像頭則是2000萬像素的超廣角鏡頭和f/2.2光圈;第三顆鏡頭是800萬像素潛望式長焦鏡頭,光圈為f/3.4。此外,還新增了第四顆TOF鏡頭,用于采集景深信息。

這中間,真正令P系列具備“夜視儀”這樣“怪物功能”的,還是主攝的4000萬像素的超感光鏡頭和其配備的1/1.7英寸并采用了全新的 RYYB排列的超大尺寸傳感器。由于黃色光能夠同時透過紅光、綠光,因而P30 Pro能做到在像素層面提升高達40%的進光量,ISO甚至上探到令人震驚的409600。同時,P30 Pro還可以基于感光元件、徠卡鏡頭、圖像信號處理器(ISP)和神經元網絡單元(NPU)之間的精密協作,在色彩和清晰度方面獲得良好表現力。

而“超感光徠卡四攝”的能力,還遠遠不僅局限于暗光拍攝方面。在長焦拍攝方面,P30 Pro依靠潛望式長焦鏡頭的硬件能力,配合華為手機的多幀算法,成功實現5倍光學變焦, 10倍混合變焦,以及50倍數字變焦,可當 “望遠鏡”使用。

可以說,華為P30系列,正在將手機攝影這個領域引向全新發展階段,一個手機攝影的場景適應被極大突破的新階段。而在這個正在到來的全新階段,P30系列無疑已經占盡先機。

(稿件及圖片來源:華為)

自3月26日發布會后,華為P30系列旋即引起了行業的全面關注和討論。全球著名科技類媒體The Verge甚至將其評價為“全球最佳拍照旗艦”、“改寫手機攝影規則”。

這樣的評價并非空穴來風,P30系列的確在攝影方面做出了重大創新突破。P30 Pro搭載超感光徠卡四攝,包括一顆4000萬像素的主攝像頭、一顆2000萬像素的超廣角鏡頭、800萬像素潛望式長焦鏡頭及TOF鏡頭。主攝采用4000萬像素、1/1.7英寸大底的超感光鏡頭,全新的傳感器將傳統的RGGB方式替換為RYYB傳感器,將綠色像素替換為黃色超級像素,由于黃色光能夠同時透過紅光、綠光,因而P30 Pro能做到在像素層面提升高達40%的進光量,感光度甚至高達409600。

同時,P30 Pro還可以基于感光元件、徠卡鏡頭、圖像信號處理器(ISP)和神經元網絡單元(NPU)之間的精密協作,在色彩和清晰度方面獲得良好表現力。在此之前,即使對于專業攝影器材來說,夜景拍攝也是一大挑戰,到了手機拍攝上,拍攝暗夜景象只能通過長曝光來實現,不但操作繁瑣,而且噪點等問題始終難以解決。“超感光傳感器”一舉攻克了這一難題,帶來了“夜視儀”一般的成像效果,意義的確是劃時代的。

此外,華為P30 Pro還在業內首次商用了潛望式長焦鏡頭,通過光學三棱鏡,巧妙地讓光的軌跡發生90°轉折,實現5倍光學變焦,同時有史以來第一次在手機設備上實現了可用的10倍混合變焦、甚至是50倍數碼變焦,從底層突破光與距離的限制,使P30 Pro獲得了跟“長槍短炮”近似的變焦能力,堪稱手機里的“望遠鏡”。

與此同時,超廣角鏡頭則可以大幅增加空間感,容納更寬廣的視野;而TOF鏡頭可以配合人像分割算法,實現高精度的發絲級摳圖,帶來更出色的層次感和藝術表現力,TOF鏡頭還具有強大的景深信息探測能力,支持漸進式虛化、精準3D建模,帶來超現實AR拍攝體驗。

事實上,熟悉華為手機的粉絲用戶都了解,華為手機P系列在手機拍攝領域的領先,早在P9、P10、P20系列,就一直處于領先地位,因此說,P30系列今天的成功,不僅是技術因素導致的結果,同時也是P系列家族血統傳承的結果。

總的來說,華為P30系列初登場的表現堪稱驚艷,的確是具有革新意義的一代旗艦。目前,P30系列的海外售價也已經正式公布,P30(6+128G)售價799歐元,P30 Pro 8+128GB版售價999歐元,8+256GB版售價1099歐元,8+512版本售價1249歐元。

4月11日,華為P30系列將在上海舉辦國內發布會,按照慣例,價格應比國外便宜不少,而國內的消費者也將從中領略到“手機拍攝規則被改寫”,到底是什么樣的體驗。

(稿件及圖片來源:華為)

自3月26日海外發布之后,華為P30系列的宣傳攻勢就正式拉開了帷幕。今日上午,華為終端官方微博放出一張海報,為一項尚未公布的活動開啟首次預熱,這束來自宇宙的光,可以說意味深長。

雖然預熱海報的整體風格都顯露出十足抽象風格,并沒有十分明確的指向性。但結合華為P30系列的產品特性,還是能夠解讀出一些信息。首先畫面主體是一個漆黑密閉的空間裂開的一條縫隙,讓光線照射進來。這很明顯是指向,華為P30系列的突破性技術創新為許久未有巨大改變的行業帶來全新的光亮,開啟了一個全新的世界。而把其中的孩童和海報內的字樣結合起來,則有可能是意指相對于新世界,當前的手機攝影還只是幼童的階段,在那個未來影像世界,將無限廣闊。

每年華為都會舉行以影像為主題的活動,例如近幾年的新影像大賽就通過歷代P系列新機拍攝了大量的精美樣張,也為廣大用戶開啟了一個全民的攝影分享活動,創造了一個影像表達的平臺。也正是一位如此,華為新影像大賽得以深入人心。而此次官博海報所指向顯然是一個有關攝影的全新的品牌計劃,“未來影像”四字也顯得意蘊十足。

而“未來影像”這四個字,顯然在當下只有華為P30系列能夠承擔起來。自從華為P30系列在法國巴黎發布,其強悍的又富于前瞻性的攝影實力便獲得了全球各界的關注與熱議。這其中最關鍵的革新便是“超感光徠卡四攝”,融合了一顆4000萬像素的主攝像頭、一顆2000萬像素的超廣角鏡頭、800萬像素長焦鏡頭以及TOF鏡頭。

其中主攝是一顆4000萬像素1/1.7英寸大底的超感光鏡頭,全新的傳感器將傳統的RGGB方式替換為RYYB傳感器,將綠色像素替換為黃色超級像素,在像素層面提升高達40%的進光量,不僅讓感光度上探到驚人的409600,更為手機界帶來了前所未見的暗光級攝影。

正是如此強勢的暗拍實力,讓華為P30系列無論實在事實上還是在意義都為手機行業帶來了發展新光,照亮人們心中對手機攝影的期待,開啟手機攝影的未來影像新方向。

雖然尚且不能明確這一預熱海報的指向,但相信后續還會有更多信息的露出讓整個活動計劃變得更加清晰明了。但可以肯定的是,我們一定會在這次的活動中深刻了解由華為P30系列推動的影像變革,接下來,就坐等TA來刷新我們對手機攝影的新認知。

自從第一時間拿到華為P30 Pro的測試機后,本人就一直想實際拍攝體驗下它的攝影力。這幾天除了給大家帶來最新P30 Pro的產品與技術相關資訊外,其實我也在想一個問題:“到底什么樣的場景才真正能發揮它的實力?”后來轉念一想,好像旅行這個主題更契合。本人所處的重慶,正因為其先天、后天的優勢,成為了一個新晉的“網紅”城市,各種景色大片相信大家也見得不少,此時再用P30 Pro來一波樣張,應該很有感。

說到旅行拍攝裝備,給人印象最深刻的就是10倍左右變焦的鏡頭,比如28mm~300mm、24mm~240mm的全幅頭,或是18mm~200mm(等效135系統焦距也在這個范圍區間)的殘幅鏡頭,這些面向單反的焦段也經常被稱作“一鏡走天下”的利器。而像索尼“黑卡”家族的“胖子”們(RX10系列),現在更是以24mm~600mm的等效焦段,成為很多旅行愛好者的最愛。

同理的,主打10倍混合變焦,最高可達50倍數字變焦的華為P30 Pro,其三枚鏡頭的物理等效焦距分別為16mm、27mm和125mm,可以在16mm~270mm的等效焦距上實現非常不錯的拍攝表現,而且按官方說法,在20倍變焦之內,即540mm的等效焦距內,照片可用度很高。再加上感光度表現出色的1/1.7英寸感光元件和手機本身相對輕巧的體積,理論上P30 Pro幾乎完全可以勝任旅行的拍攝任務。

所言不虛的20倍變焦可用度

這是重慶著名的旅游景點解放碑,這組照片主要目的就是展示P30 Pro的變焦能力。

20倍數碼變焦,等效焦距531mm;

50倍數字變焦,等效焦距1343mm。

從這五張照片的對比來看,到5倍光學變焦的時候,畫面效果相當不錯,到10倍混合變焦的時候,整個畫面依舊保留了很多細節,照片可用度很不錯,而到了20倍數字變焦的時候,如果是作為朋友圈、微博用途來講還是相當可用的;到了50倍數字變焦的時候,所產出圖片依舊是朋友圈獲贊利器。需要提到的是,拍攝當天并非晴天,而是雨后臨近傍晚的陰天,光照算不上充足,所以個人覺得作為一款手機能有這樣的數字變焦表現,已經算不錯了。

那么,天色再晚一點,P30 Pro又會什么樣的表現呢?

50倍數碼變焦,等效焦距1343mm。

由這組照片,再參照前邊一組可以看出,P30 Pro的變焦結果,在10倍混合變焦及以下,受光線的影響并不算大,作為一款手機的拍攝效果而言,這是非常厲害了。

不過個人覺得,就這么一步步的對比還算不上夸張。來看下邊兩張照片

雖然第一張照片不是太清楚,但來過重慶的朋友一定知道這就是南山上的那座金鷹雕塑,而在第二張照片上,它就是畫面正中心那個金色的小點。能達到如此寬泛的變焦范圍和拍攝自由度,這在過去手機拍照上真的是想都不敢想的事情。在這里拍攝的時候,還遇上一個小插曲:路人看到我在拍攝,通過屏幕看到夜景效果很好,一邊圍觀一邊說這是不是華為手機的超級夜景?然后還特別去手機背面看了一眼,說道果然是華為——看來華為手機超級夜景的宣傳真是非常到位。

在稱贊完了華為P30 Pro上的變焦拍攝能力,做一個簡單的總結。就個人來看,華為官方在P30 Pro上大力宣傳的10倍混合變焦能力是實打實的,因為在16mm~270mm這個等效焦距之間,P30 Pro幾乎都能輸出令人滿意的照片。回到最前邊設定的那個場景,帶著這樣一臺手機去旅游,你會非常放心也會很舒心。甚至之前你不敢想象僅通過手機就能拍到的場景,如今P30 Pro就能做到,甚至會做得更好

16mm大場景,數碼相機要做到這樣的拍攝視覺,廣角鏡頭投入不菲,而P30 Pro舉手之間便能做到。

大變焦和暗光能力,讓華為P30 Pro足夠強悍

旅游旅游,逛吃逛吃,美食的拍攝已經占去我們日常生活中不小的比重,既飽口福,又養眼,還能在朋友圈“深夜報社”,一組好的美食照片簡直就是一舉多得。不過我也發現,其實很多人在拍攝美食的時候,總是感慨心到手不到,其實這多少也和手機的攝影能力有關。其實,美食主題對于拍攝對焦段和拍攝手法的要求會比較綜合,而且廣角、中長焦、微距等能力都會涉及。

67mm等效焦距

57mm等效焦距

63mm等效焦距

55mm等效焦距

5倍變焦,135mm等效焦距

從這組照片可以看出,各種焦段的靈活運用,會讓美食的照片拍攝更加得心應手,而在16mm~135mm這個焦段區間光學混合變焦都能得到非常出色的照片,更何況華為P30系列還有2.5cm超微距,真可謂是稱手又好用。值得一提的是,這一組照片都是在夜晚室內光線下拍攝的,就算在電腦上看,畫質細節都沒毛病,非常出色。

渝中半島的夜景,也是來重慶旅游必須要領略的。所以,我來到了看夜景最佳的地點之一:南濱路。在這里,超廣角+手持超級夜景簡單就是夜景拍攝的絕配。當然,不同人對于夜景的理解有差別,因此拍了不同畫面效果的照片。

50倍數碼變焦,1343mm等效焦距。當然,皮一下50倍變焦也是必須的,你能在前邊的圖中找出Westin酒店在哪里么?

在這里拍照的時間,又遇上兩件趣事。第一,是一位要參加第二天重慶國際馬拉松比賽的山東小伙子(人家可是職業全馬選手),看到P30 Pro拍攝的照片之后,死活要加我微信問我要照片,說自己的手機拍不出來這樣的夜景,想要來在朋友圈炫耀,所以,要是看到有人先發,千萬別說是我盜圖哈;第二,是圍觀的一位大叔,問過手機的型號之后,說他自己是華為P20用戶,真是感嘆才一年時間不到,手機拍照的進步就這么大。我安慰他說:別擔心,有些功能升級軟件能行,P20還能打呢。由此可見,一張好的照片,帶給人的感知度會有多么明顯?

最后的景點拍攝地就是重慶人氣最高的網紅景點:洪崖洞。雖然可以到洪崖洞腳下去拍攝,但想想自己手上的可是華為P30 Pro,所以為什么要走得很近?下面這些拍攝的角度和構圖,相信網絡上流傳不少,但請記住這次這些圖片是通過一臺小小的華為P30 Pro手機達成的。

5倍光學變焦,135mm等效焦距

61mm等效焦距

58mm等效焦距

150mm等效焦距

51mm等效焦距

50倍數碼變焦,1343mm等效焦距。還是在皮一下50倍數碼變焦能力,河對岸嘉濱路上的行人和車輛是清晰可辨的。

在拍攝洪崖洞的時候,所處的位置因為是嘉陵江對岸,在這個地方,用眼睛看洪崖洞和渝中半島的夜景沒有問題,但想到用手機或是相機留下好的照片,絕非一件易事,不信你可以來挑戰。在拍攝過程中,除了被游客們圍觀之外,還不止一次又聽到了游客們在念叨華為手機的超級夜景和拍照畫質,從華為P20 Pro之后,華為要在影像功能上的大躍進戰略,是真的有效,也的確是有相當深廣影響力的。

一點心得和總結

好了,關于我所生活的這個網紅城市的夜景,還有華為P30 Pro的變焦與暗拍能力的感受,目前就這么多了。不得不說,華為P30 Pro是一位絕對強悍的實力選手,特別是在大變焦能力的前提下,依舊可以輸出很好色彩與畫質的照片,在這一點上,目前我還沒有看到能與之一戰的對手。最后的最后,一些感受和建議還是想談兩句:

1. 華為P30 Pro的續航非常棒,這次跑外景,前后5個多小時,拍照手機工作了大約兩個半小時,結束的時候還有一半的電量,就算是外出旅拍,加上一個華為“萬金油”充電寶,拍一天真的沒問題。

2. 華為P30 Pro屏幕指紋模組的位置比Mate 20 Pro靠下很多,按壓起來不算太順手。

3. 虛擬變焦桿應該可以再優化一些。目前的設定,點擊會在1倍/5倍/10倍/廣角四個選項之間切換,個人認為直接從1倍就跳到5倍這個跨度太大了,在日常使用中,其實16mm~80mm,即廣角到3倍變焦這個區間使用頻率應該是最高的。

有人說可以滑動變焦條來自由選擇,但其實滑動的效率遠沒有直接點擊更好。建議可以像數碼相機那樣增加一個選項,即給10倍以上數碼變焦功能增加一個開關——就像傳統的數碼相機那樣,要是怕用戶不懂,還可以在檢測用戶有繼續變焦意圖時給出提示。如此一來,不但可以保證畫質,更能讓相機變焦的操作變得更加精細。

最后還有一點,就是目前華為P30 Pro所達成的拍攝能力,是以前手機影像所不能企及的領域,真正把消費者帶到了超越人眼所視范疇。同時,這次外拍圍觀群眾和游客的言行也在時刻提醒,華為P30 Pro的攝影突破真的很有意義。

本文來源:MobileDeviceTalks (微博)

這次 RYYB 的設計在手機上比較新,我更關注技術細節而且它又跟光有關系,所以就又忍不住寫了一篇文章,拋磚引玉一下。要說清楚這次P30Pro用的RYYB和之前RGGB有什么區別,首先我們要了解CMOS是怎么工作的。

我們都知道計算機不能處理模擬信號,只能處理數字信號,所以現實世界的光影也不能直接被計算機處理,所以要記錄數字影像,那么我們必須把真實的影像通過數字化轉變為計算機能讀取寫入的格式。因此我們就需要一種東西,能夠把光信號轉換為電信號,這也就是CCD 和CMOS 的由來,由于成本和功耗等等原因我們現在看到的數字相機和手機都是CMOS, 具體原因展開太麻煩所以也就不詳細說了。

每一個 CMOS 像素都包括感光二極管(Photodiode)、浮動式擴散層(Floating diffusion layer)、傳輸電極門 (Transfer gate)、起放大作用的MOSFET、起像素選擇開關作用的M0SFET.在 CMOS 的曝光階段,感光二極管完成光電轉換,產生信號電荷,曝光結束后,傳輸電極門打開,信號電荷被傳送到浮動式擴散層,由起放大作用的MOSFET電極門來拾取,電荷信號轉換為電壓信號。所以這樣的 CMOS 也就完成了光電轉換、電荷電壓轉換、模擬數字轉換的三大作用,通過它我們就能把光信號轉化為電信號,最終得到數字信號被計算機讀取,這樣,我們就已經擁有了記錄光線明暗的能力,但這還不夠,因為我們需要色彩。

現代彩色CMOS 的原理也很簡單,直接在黑白圖像傳感器的基礎上增加色彩濾波陣列(CFA),從而實現從黑白到彩色的成像。很著名的一種設計就是Bayer CFA(拜耳色彩濾波陣列)。一個很有趣的事就是,我們用來記錄光影的 CMOS, 和我們用來輸出光影的顯示器,原理也剛好是向相反的,CMOS 把光轉化為電信號最后以數字格式記錄,顯示器把解碼的數字格式從電信號重新轉化為光。光電之間的轉換也就構成了我們人類數字影像的基礎。好了回到正題,為什么是 RGB 三種顏色?為什么 G 的占比要高于 R 和 B 呢?

這是因為人視網膜上的感光細胞分為兩種:視錐細胞和視桿細胞,分別對應人眼的明視覺和暗視覺。視錐細胞又分三種:紅色感光細胞、綠色感光細胞、藍色感光細胞,它們對照明的明暗條件敏感度較低,只有當光照強度達到一定條件錐細胞才能夠起作用。視桿細胞對光照的敏感度較高,可以在光照條件很暗的情況下對景物成像,卻不能感受顏色。這也解釋了為什么在晚上的時候人仍然能夠看到物體,卻不能有效地分辨物體的顏色的現象跟顏色有關的三種視錐細胞,每一種都對 RGB 三種顏色最敏感。

注意,是最敏感,所以藍視錐細胞不僅能感應藍色,也可以感應到綠和一部分紅色,綠視錐細胞不僅能感應綠,也可以感應一部份藍和紅,最后紅視錐細胞也是如此。所以通過三種視錐細胞感應到不同波長光譜的比例,人類就能識別出視覺上除了紅綠藍之外的其他顏色。

人造的大部分顯示器,也都是利用這個特性來欺騙人類看到紅綠藍之外的顏色,比如上圖就是我的顯示器在顯示黃色時實際發出的光譜,根本就沒有黃色,這就是一個騙子顯示器,但是通過對人眼視覺特性的利用,我們看到的就是黃色。1931年,CIE(國際標準照明委員會)建立了一系列表示可見光譜的顏色空間標準,定義了CIE-RGB基色系統。規定了RGB系統的三原色光波長分別為700nm,546.1nm,435.8nm的紅光(R)、綠光(G)、藍光(B)。

通過混色實驗可以得到上圖的一組曲線,它們表示在 380nm-780nm 范圍內當各個光譜能量一樣時,某一波長的光譜色與混色結果一樣,并稱這三條曲線為 CIE1931 RGB 系統光譜三刺激值曲線,這與后文中我們要提到的標定有很大關系。

這還可以延伸一下,由于計算顏色三刺激值時會出現負值,所以 CIE 又設計出了一套CIE-XYZ 系統,用 X, Y, Z 來代表紅綠藍三原色,上圖也就是 CIE1931 XYZ 系統光譜三刺激值曲線。

著名的 CIE 1931 xy 色度圖也就是從此而來,我們可以用它描述出任意的一種人眼可見色彩。當然后來為了更精確的修正,還有 CIE 1976 u'v 色度圖,我們的很多評測也都使用了這個標準。因此,在理論上只需要記錄 RGB, 也就能還原出我們眼睛看到的所有顏色了。

另一個事實是:皮皮蝦擁有 16 種視錐細胞,所以如果讓它看我們的顯示器,它只會覺得你給我看的這是個什么玩意???

好了我們回到濾鏡顏色的問題上。對于基于 Bayer CFA 的設計,當我們拍攝右側圖 1 的場景時,CMOS 所有像素傳回來的圖像直接組合的結果就是右側圖 2, 當我們將濾鏡顏色加到像素上會得到圖 3, 很明顯這也不應該是我們最后看到的圖像。所以由 3 到 4 的過程,就需要插值算法來補足,之前真假 4800 萬像素的爭論也就是在這一步。

對于 Bayer CFA 設計的 CMOS, 有常用的插值算法,比如相鄰像素插值、雙線性插值、三次多項式插值等,它們的目的都是為了還原出全部的 RGB 三個通道分量,比如雙線性插值就是這么算的:對于只有紅色分量的像素:例如 R32:

對于只有綠色分量的像素:例如 G33

對于只有藍色分量的像素:例如 B43

通過還原得到完整的 RGB 分量,我們就能得到一幅沒有缺損的圖像了,但是這就是終點了嗎?并不是,我們不能直接把這樣的圖像存儲,因為這其中有一個很重要的問題:Bayer CFA 經過插值之后,CFA 的色特性與人眼的視覺特性并不一定重合,所以圖像中的像素顏色可能都是偏色的,這里可能是光學透鏡的光譜特性導致,也可能是 Bayer CFA 上的彩色濾鏡光譜特性導致,跟拍攝的環境光也有很大關系。所以還有一步,那就是校正標定。校正標定之中最重要的則是伽馬校正和顏色校正,先看伽馬校正:在現實世界中,幾乎所有的顯示器、攝影膠片以及很多電子照相機的光電轉換特性都是非線性的。這些非線性部件的輸出與輸入之間的關系通常用冪函數表示。理想狀態下,色彩強度 (Intensity)與電子束的電壓信號之間成線性關系,但實際情況剛好想法,色彩強度與輸入的電壓信號之間是非線性關系。顯示器的輸出強度和輸出電壓的響應大致成冪指數關系,下方式子表示輸出的強度隨著輸入電壓的增長成指數增長,通常我們就把這個冪指數稱為伽馬(Gamma):

為了使圖像在顯示器上的效果和實際情形更為接近,在攝像機獲取圖像后,必須進行伽馬校正,把上邊式子的非線性關系校正為線性關系

其中,是經過校正處理后的圖像的像素值;是沒有經過校正的像素值;伽馬值γ表示校正的程度,γ=1 時,不進行校正,γ值越大,像素灰度值的校正程度越大。顏色校正:由于不同廠家在制造 CMOS 時使用的彩色濾光片不同,CMOS 對不同波段的光電響應度不同,都會導致相機的光譜響應曲線不同,比如這是某一個 CMOS 的光譜相應曲線:

很容易的就會發現彩色相機 RGB 三刺激值曲線圖和之前我們提到過的 CIE 1931-RGB 系統有很大差別。

想減小這種差異,就要對原始圖像的像素灰度值(R,G,B)進行必要的補償,帶來和人眼感知相近的顏色,這其中的工作就是顏色標定。好了,鋪墊了這么久,終于講到那當我們把RGGB 換成 RYYB, 用黃色濾鏡替代綠色會怎么樣了。

黃光的光譜主波是 570-590 納米,剛好被夾在紅綠主波之間,所以只要彩色濾鏡的光譜特性設計得足夠好,那么理論上黃色也就能記錄紅+綠,下圖就是一個我假象的光譜響應示意圖:

在這種非常理想的條件下,RYYB 的感光總量肯定可以超過 RGGB, 不過這也給插值算法補全 RGB 的那一步帶來了一定困難,插值不理想的話后期色彩標定也會出現

而且現實情況也是要復雜得多,我找到了一篇論文:Raj Shrestha, V. et al. Polarization-tuned Dynamic Color Filters Incorporating a Dielectric-loaded Aluminum Nanowire Array. Sci. Rep. 5, 12450; doi: 10.1038/srep12450 (2015). 在這之中就有相當多的彩色濾鏡,甚至有直接將黃光主波壓制,保留紅綠藍光譜的彩色濾片設計。最后的最后,既然 P30系列在宣傳的時候提到了 RYYB 設計能帶來 40% 的進光量提升,這一點我覺得沒什么值得懷疑,在沒有真機之前,可能大眾了解 RYYB 設計之后的疑慮應該是色準問題。而這一切,都要靠華為自己的色彩標定,伽馬標定,以及自動白平衡算法了,4 月 11 日國內發布會見。

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