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“華為P40 Pro+就是一臺相機性能怪獸。”
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日期:2020-04-10 09:20:55來源:物聯中國 作者: 收藏

長焦是什么?

在很多人眼中,長焦的功能不過是個“望遠鏡”,可以拍拍月亮、打打鳥、望望遠方。

然而,這只是長焦的一個基礎特性,其實際意義在于拉近了世界和美好之間的距離。

不止于縮短與拍攝主體的距離,長焦鏡頭帶來的背景虛化、空間壓縮、畫面層次感,讓我們看到了更美的“遠方”。

那種美,你無法通過“走近它、放大它”而得到。

長焦鏡頭就如同一根神奇的魔杖,給予我們望遠的同時,還賦予了我們發現世界美的新視角。

回溯相機發展史,在經歷了大像素、便攜性的競爭之后,光學變焦的競速也是高歌猛進,3倍、5倍、10倍……直到如今可以拍到月球環形山的125倍,人們從未停止對長焦極限的追求。

同樣,手機影像也在走類似相機發展的道路,在經歷了“像素大戰”之后,也開啟了“長焦新戰場”,短短數年時間,就從2倍光學變焦做到了現如今的10倍光學變焦。

日前,華為發布了年度影像旗艦P40 Pro+,帶來了全球最強的10倍光學變焦。這也是目前首款無外掛、非升縮式10倍光變產品,其探索的潛望式結構,開啟了手機長焦新可能。


華為P40 Pro+ 的發布預示著手機影像將從陸地戰升級到太空戰。可以預見,接下來的兩年,10倍光學變焦將是各家必須拿下的陣地。

光學變焦:長焦的終極之路

“像素大戰”已近尾聲,如今動輒5000萬、6400萬、1.08億像素的主攝像頭,讓手機相機的像素媲美專業相機,像素升級對于手機影像性能的“邊際效益”也越來越小。與此同時,目前超廣角、微距等功能也基本普及,長焦便成了手機影像發展的新突破口。

除了拍月亮、拍星空外,長焦拍攝的風景、人像能帶來更好的體驗,不同于大像素下的畫面裁剪,長焦能帶來非長焦無法體驗的更立體、更富有空間感的美感。

目前,手機上實現長焦的方式大致有三種:數碼變焦、光學變焦以及混合變焦。

數碼變焦,手機基本都具備的功能,其借助手機相機模組的處理器,將團片中的每個像素面積增大,從而達到放大的目的。但是它并未從真正上改變相機的焦距。主要通過軟件的方式對所要圖像進行處理補償,但是放大后的圖像依然會比較模糊。變焦倍數越大,放大倍數越高,圖像的清晰度也會越模糊。

光學變焦,通過調節光學鏡頭結構的焦距來實現的。拉伸相機鏡頭結構中各個鏡片的距離就可以改變焦距,所以這就要求必須有足夠的厚度來實現這一光學結構。

光學變焦最大的優點就是在保證拍攝圖像質量的前提下,可以通過變焦拍攝到更遠的對象。畫面的清晰度和分辨率都不會因為放大而改變。

混合變焦是最近幾年才出現的一種新的技術詞匯,它是在光學變焦的基礎上,結合算法優化來達到高倍變焦的目的。也就是說當長焦拍攝需求超過光學變焦范圍之后,手機會利用算法疊加的方式來盡量降低失真保證圖片效果。

混合變焦其實就是各個焦段的鏡頭接力所實現的一種變焦技術。

對于混合變焦和光學變焦的區別,舉個果汁的例子。混合變焦就好比超市賣的“100% 果汁”,是水+濃縮果汁兌出來的;而光學變焦則是水果直接壓榨出來的新鮮果汁。

在這三種呈現方式上,光學變焦可以最真實的接近拍攝主體,是目前變焦方式中最好的解決方案。同時光學變焦由于光學結構的復雜性、及所需空間,導致了在手機上很難實現高倍光學變焦。

手機上的光學變焦:追求無止境

由于體積與結構的限制,人們很難將傳統相機中的光學變焦模組裝入其中,雖然有一些廠商確實這么做過,但由于其犧牲了一些手機的其他特性,導致產品最終以失敗而告終。

目前手機的光學變焦跟傳統相機不太一樣,它是由一個固定焦距的長焦鏡頭實現,隨著人們倍數需求的增加,難度也在不斷提升。

在手機光學變焦上,華為一直在不斷突圍。

2018年3月,華為發布了P20系列,首創徠卡三攝鏡頭。其實,當時不少高端手機都開始支持光學變焦功能,但在華為P20 Pro面前幾乎無能出其右。

P20 Pro搭載了4000萬像素彩色主鏡頭(1/1.7英寸超大感光元件)、2000萬像素超清黑白鏡頭、800萬像素長焦鏡頭的三攝組合,可以實現3倍光學變焦、5倍混合變焦。

三倍光學變焦的素質自然不用多數,在使用三倍以上變焦拍攝時,華為P20 Pro第三顆攝像頭自動啟動,實現了三套模組在自動曝光、自動白平衡計算和自動對焦,三大核心動作上完美地同步,從而達到幾乎是無損的五倍混合變焦效果。

在三倍光學變焦之后,想要升級更高倍數變焦時,各家廠商開始都遇到瓶頸:因為想要升級更高倍數光學變焦,就必須要面對體積更大的光學結構。

然而,這個難題卻被華為“輕松”解決了。

2019年4月份,華為發布了P30系列,率先落地了采用潛望式結構的5倍光學變焦,改寫了手機影像規則。

要知道即便是在當年卡片機中,5倍光學變焦都無法做到小而巧,何況是塞進一個機身厚度不到9mm的手機中,這確實是一項艱巨的挑戰。

受潛水艇的潛望鏡啟發,華為采用了特殊設計的潛望式鏡頭。簡單地說,就是將圖像傳感器垂直放置在手機內,并沿著一條與機身平行的光學軸線對準鏡頭,然后使用一面反射鏡將進入攝像頭內的光線反射到鏡頭和圖像傳感器上,如此一來即可創造出比傳統攝像頭的安裝方向(即在手機表面上朝向外部)更長的等效焦距。

在這之后,華為就開啟了手機攝像高倍光變的晉級之路。

時隔一年,2020年3月份,華為在P40 Pro+ 上實現了10倍光學變焦,成為業界第一家步入10倍光學變焦的非外掛、非伸縮式結構廠商。

光學變焦:華為率先進入“無人區”

華為P40 Pro+ 的光學變焦在原理上采用了第二代潛望式攝像頭結構,同時在精密性上提出了更高的要求。

華為P40 Pro+ 要在上一代P30 Pro潛望式鏡頭橫置長焦鏡頭模組和感光器件基礎之上,再突破。就需要進一步采用更精密的多反射潛望式光路折疊技術,實現5次反射光路。在光程上,P40 Pro+ 比上一代潛望式長焦提升178%。


聽上去只是數據上的增加,但對元器件和模組設計卻提出了更高的要求。

5次反射光路要求光線在經過多次反射之后,還需要保證高成像質量,就必須對模組內反射鏡組裝平面的精度控制做到極高的要求。可以說,只有達到納米級的高精度反射面,才能降低光路畸變,保證反射質量。

根據光學設計仿真解析出的最基本的光學規格,需要是頭發絲的兩千分之一(頭發絲的直徑一般不超過100微米),這樣的難度無疑是在針尖上跳舞。

一開始,華為相機團隊首先想到的是借鑒芯片的組裝工藝技術,但經過比較后發現,芯片組裝工藝技術對芯片變形的控制是10微米級,遠遠達不到相機團隊的要求。

在沒有借鑒方法的基礎上,華為相機團隊持續自我探索,分析關鍵影響因素,研究關鍵參數工藝,對比測量變化數據,選出最穩定的工藝條件,持續對光學系統進行優化,最終實現最高約30nm的精度。

光學變焦雖然有其獨特的優勢魅力,但卻需要注意使用過程中的防抖。此次,華為P40 Pro+ 的10倍光學變焦實現了三重OIS+AIS防抖,這就對對焦馬達提出了更為苛刻的要求。


華為P40 Pro+ 的對焦馬達需要在帶動具有多反射面的反射鏡移動的同時,還不能干擾光路,馬達只能“躲”在反射鏡后面的有限空間中,反射鏡的大部分重量都是掛在馬達的最前端。馬達宛如一把從尾部抓著L型反射鏡的大榔頭,要保持在不同手機拍攝姿態下,都能高精度穩定移動反射鏡,挑戰非常大。

為此,設計團隊經過多番驗證,采用了滑槽式承載方式,搭配極強的磁力與精密杠桿結構,精巧地平衡了前端的反射鏡負載。同時采用優異的潤滑材料,使馬達能夠高穩定、高精度地移動反射鏡,實現自動對焦功能,這也構成了這個模組獨特的對焦馬達專利。

除了獨特的設計與功能,這顆馬達還具備超長壽命的特點。即使經過數百萬次的測試和極端環境的考驗,依然硬朗運作。

在光學變焦的探索之路上,華為率先進入了“無人區”。

華為:如何創造手機攝影?

當然,除了在長焦功能的創新之外,華為攝影還首創了RYYB濾鏡陣列,增加了進光亮,提升了畫質,且在超級夜景、視頻影像、超廣角方面都有著不俗的表現。

在華為P40 Pro+ 上,華為相機工程師做到了余承東口中的“全時段、全焦段的進化”,改寫了移動影像標準,引領影像藝術進入了一個新的里程碑。

華為手機攝影能夠一次次成為行業風向標,除了硬件升級之外,還離不開軟件算法的加持。

據了解,華為P40系列在軟件算法上,帶來了華為XD Fusion圖像引擎。全新華為XD Fusion圖像引擎,結合了AI超清算法庫,通過超分算法增強細節、多幀合成改善了暗光表現,提升了整體畫質;像素級優化獲得更好的細節紋理、更少的噪點和更大的動態范圍,清晰度超越物理像素。

不僅如此,在硬件解決成像,軟件輔助完善質量的同時,華為還有自研芯片的助力,從而使得軟硬件的協同實現1+1>2的效果。

比如,此次華為P40 Pro+ 搭載了華為自研麒麟990 5G SoC芯片,可以實現每秒24幀的實時AI識別和處理,單幀的識別可以在1/24s完成,而基于該芯片NPU打造的第三代華為AI圖像引擎為其提供了全場景全焦段的AI算法加持。

余承東在發布會上大贊“華為P40 Pro+就是一臺相機性能怪獸。”

回望華為在手機攝影領域的探索,從P9系列首配徠卡雙攝,到P10系列的首個前置徠卡鏡頭手機;從P20系列的4000萬徠卡三攝,再到P30 Pro首創RYYB傳感器,潛望式5倍光學變焦,霸榜DxOMark;再到如今P40 Pro+ 的首創10倍光學變焦,攝影全能王的出現,這一個個“首創”背后更多來自于華為多年來對手機攝影盡善盡美地不懈追求。

余承東曾經向媒體透露,華為手機在攝影方面的投入規模是最大的,華為一家甚至超過中國所有手機廠商研發的費用總和。

據了解,小小的手機攝像頭華為分成了若干大的模塊,比如系統工程師、光學團隊、傳感器專家、圖像效果工程師、算法工程師等數萬研發人員的投入。

持續的巨額研發投入,深層次的技術攻關,讓華為在攝影方面筑起了一道道壁壘,甩出別人不止一條街,一次次引領了手機攝影革命。

不得不感嘆:雖然華為沒有創造手機,卻創造了手機攝影。


出處:物聯中國作者:Semiconductor Engineering(責任編輯:zy)
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