iPhone祖?zhèn)?200萬像素，優(yōu)化的核心是什么？

現(xiàn)在手機(jī)行業(yè)的熱點(diǎn)有點(diǎn)向雙面屏幕過渡的趨勢(shì)，但不可否認(rèn)的是拍照質(zhì)量一直是企業(yè)間競(jìng)爭(zhēng)的核心。

作為光-電轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)，顯然不可能清晰度無限提升，否則單反都可以扔了，現(xiàn)在問題來了：手機(jī)攝像頭拍照清晰度的理論極限在哪里？我們是否已經(jīng)達(dá)到/超越了？

一個(gè)物理學(xué)概念

當(dāng)我們把照片放大，放大到最后一定是像素馬賽克的點(diǎn)陣。如果每個(gè)像素都能表達(dá)信息，那么就可以說是清晰度的極限了。但事實(shí)上是做不到的，首先要從鏡頭說起。

我們拍照，相當(dāng)于畫面就是由無數(shù)個(gè)發(fā)光或是反射光的點(diǎn)集合而成，或者數(shù)學(xué)上就是積分的概念。

那么單個(gè)點(diǎn)光源的成像極限就是光學(xué)系統(tǒng)的分辨能力極限。單個(gè)點(diǎn)光源其實(shí)很容易獲得，夜空中的亮星都是理想的點(diǎn)光源。

點(diǎn)光源穿過理想透鏡的時(shí)候，會(huì)發(fā)生一個(gè)光學(xué)現(xiàn)象，稱之為衍射。

在1835年的時(shí)候，英國(guó)皇家天文學(xué)會(huì)的喬治·比德爾·艾里發(fā)現(xiàn)了一個(gè)現(xiàn)象，那就是在焦點(diǎn)處會(huì)出現(xiàn)一圈一圈的衍射同心環(huán)條紋，這個(gè)稱之為艾里斑，我們拍攝任何照片，最后的成像都可以理解為艾里斑的積分，通俗的理解就是無數(shù)艾里斑在一起，構(gòu)成了照片。

艾里還給出了艾里斑大小的公式：θ1≈1.22λ/D。如果一個(gè)鏡頭不能把兩個(gè)艾里斑解析開，讓它們重合了一部分，那就是鏡頭的解析力的極限。

說了半天，艾里斑有多大呢？上門那個(gè)表就是理想狀況下艾里斑直徑的數(shù)值，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，光圈越大、艾里斑直徑越小。

但是這不是與我們照相機(jī)系統(tǒng)F8左右成像好，光圈全開畫質(zhì)劣化相矛盾了？錯(cuò)！我們用的鏡頭都不是理想透鏡，要妥協(xié)不同光圈的成像畫質(zhì)，這才是光圈全開劣化畫質(zhì)的根源。

像素：超越艾里斑

上門的數(shù)據(jù)表格是針對(duì)綠光的，那么一個(gè)大約1/2.5英寸、1200像素的iPhoneXS感光器單個(gè)像素有多大？蘋果在發(fā)布的時(shí)候給出了答案：1.4微米。這就說明單個(gè)像素已經(jīng)要和艾里斑的大小差不多了。

要知道iPhone Xs只有1200萬像素，而主流的國(guó)產(chǎn)拍照手機(jī)攝像頭，都早已超越了這個(gè)數(shù)字，這也就是說單個(gè)像素已經(jīng)小于艾里斑，那么也就超越了理論的分辨極限：兩個(gè)或是多個(gè)像素來表現(xiàn)一個(gè)艾里斑并不能提高分辨率。

有什么辦法嗎？有的。要么鏡頭更大、感光器的面積更大，這也是為何單反的畫質(zhì)一直要比手機(jī)好的原因所在，同樣像素?cái)?shù)量，單反的像素要大得多了，捕獲的信息更多。

但是手機(jī)受到尺寸的制約，沒辦法使用更大的鏡頭和感光器，這就是人們開始嘗試多攝像頭的原因。

并且，由于手機(jī)的鏡頭其實(shí)也距離理想透鏡想去甚遠(yuǎn)，因此從物理角度看，分辨率到今天已經(jīng)達(dá)到了極限。那么可以改進(jìn)的地方在哪里呢？首先是感光器本身。

影像傳感器不論是CCD還是CMOS，都有個(gè)信噪比的問題，當(dāng)曝光時(shí)間變長(zhǎng)的時(shí)候噪聲會(huì)變得非常強(qiáng)，噪點(diǎn)增多，所以使用優(yōu)質(zhì)供應(yīng)商的高信噪比攝像頭很關(guān)鍵。

優(yōu)化的核心是什么

攝像頭捕獲的原始信息還要經(jīng)過壓縮才能轉(zhuǎn)換成我們手機(jī)里的JPG照片，這其中涉及到壓縮和圖像優(yōu)化。

JPG使用的離散余弦變換壓縮方式?jīng)Q定了畫質(zhì)變差是整體的，所以要文件盡量的大才能盡可能多的保留信息，而事實(shí)上今天手機(jī)的照片也是動(dòng)輒原圖有好幾MB大小。

另外一方面則來自圖像分析程序的進(jìn)步。突出的就是Google Pixel3的手機(jī)，Night Sight可以在夜間排出近乎白天的效果。

這就是AI的功勞。同過機(jī)器學(xué)習(xí)的人工智能訓(xùn)練好了之后手機(jī)的計(jì)算能力處理已經(jīng)綽綽有余，同過AI，可以分析當(dāng)前得到的相片和訓(xùn)練模型進(jìn)行比對(duì)，進(jìn)而增強(qiáng)、優(yōu)化，讓照片“看起來”更清楚。

正如文中所說的，我們現(xiàn)在的手機(jī)拍照，其實(shí)早已經(jīng)超越了鏡頭光學(xué)的分辨極限，只要手機(jī)鏡頭和CCD還是這么大，物理的極限就在這里，突破不了，提升的是算法，更討好的是我們的眼睛，讓照片“看起來”更清楚。