如今手机的拍照功能是否超越了相机? | 谈谈计算摄影

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一切的一切都起源于这一天:

我出门飞无人机,想着可能没什么别的东西需要拍,就没带相机。在我飞完无人机之后发现夕阳和晚霞的质量简直爆表,对这种可遇不可求的场景我当然是选择记录下来,于是鄙夷且勉强的掏出了我已经用了两年多的普通华为手机——发布于 2019 年 6 月的华为 Nova 5 Pro。我打开华为相机的专业模式,然后点击了文件记录格式——RAW。

我拍了三张照片。

当时拍完之后就把手机装好,心里还在想今天没带相机出门真的是错误的决定,直到我连上手机,看到了 91MB 的 DNG 格式文件。心情忐忑的打开了 ACR,开始调色。 

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最终调出的效果着实让我大吃一惊。

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我是一个挺不喜欢用手机来完成摄影作品的人,直到这一天之后,我开始重新思考手机摄影和相机摄影之间的关系,以及,如今这个时代我们是否可以用手机代替相机来完成摄影作品。

什么是计算摄影?

计算摄影在维基百科上的定义如下:

计算摄影是指使用数字计算代替光学处理的数字图像捕获和处理技术。 计算摄影可以提高相机的功能,或引入基于胶片的摄影根本不可能实现的功能,或降低相机元件的成本或尺寸。 计算摄影的例子包括数码全景的相机内计算、高动态范围图像和光场相机。 光场相机使用新颖的光学元件来捕捉 3D 场景信息,然后可用于生成 3D 图像、增强景深和选择性散焦(或「后对焦」)。 增强的景深减少了对机械对焦系统的需求。 所有这些功能都使用计算成像技术。 计算摄影的定义已经发展到涵盖计算机图形学、计算机视觉和应用光学等多个学科领域。 

这是一段比较晦涩难懂的句子,但是其中的很多东西实际上都是很日常在使用的技术,比如多镜头手机上的浅景深虚化,手机的自带美颜,手持夜景,全景照片等等,其实都是计算摄影的体现。

更进一步来讲,手机的计算摄影功能在相机上其实早有体现,只不过因为相机的处理器和续航能力比手机差的太远,导致许多相机厂商砍掉了这些功能,比如索尼的 α 系列,曾经用的是魔改版的安卓系统,它的内置升级应用的安装包全都是 APK 格式。

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索尼 α7 系列 app

相机和手机的计算摄影到底在哪方面不同?

这就首先要从照片的成像原理说起——

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光线穿过镜头 → 成像到 CMOS 表面 → CMOS 把图像转换为电信号 → 模数转换器把电信号转换为数字图像原文件

理论上这种转换的每一个步骤都会对成像产生影响:镜头素质差会影响照片的颜色和锐度、CMOS 转换电信号时不同的读出方式会影响照片是否产生卷帘效应、不同的防抖方式会影响果冻效应的轻重等。

先讲讲镜头的影响

如今的手机相机系统的因为考虑到手机的薄厚度以及保持高度的集成一体化,基本上是靠多个定焦摄像头 + 数码变焦来实现拍摄功能:

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上图是我常用的测光软件 Light Meter。我在无意中发现它可以单独调用手机上的数个摄像头,上面的四张图就是我的 Nova 5 Pro 四个镜头单独拍出来的效果,可以看到这几个摄像头的分辨率,色调,焦段全都不一样。而现在多摄像头手机给予了手机更大的图片景深、更快的对焦能力和重新对焦能力,还有更好的画面清晰度。比如在这个多手机摄像头系统中,可以看到有些摄像头负责广角(右上),有些负责微距(右下)。

相比相机来说,我个人觉得多摄像头系统其实挺有意思的,手机的光圈很小,而且是固定的,这就意味着摄影的时候少了一项重要的调整参数和可控制的景深,对光的控制能力很弱,而多摄像头系统实际上用了不同的焦段合成,在手机的这种有限空间内弥补了一部分差距,获得不同的景深。

数码变焦与光学变焦的区别

数码变焦其实和拍完一张图片之后在手机图库里缩放是一样的道理,因为定焦头能拍到的像素只能有这么多细节,就好比像矢量图和位图的区别。而光学变焦是靠镜头本身的镜组移动去拍摄需要放大的景物。现在好多手机应该都是数码变焦,相机拉到十倍二十倍糊的画面简直就没法看了,但是相机好歹还是会有各大变焦镜头支持光学变焦。

手机与相机的防抖功能

光学防抖功能可以延长曝光时间,同时最大限度地减少相机抖动模糊,但无法控制由主体移动引起的模糊。现在手机的防抖往往是多种不同的防抖功能集合,甚至还有大厂把「微云台」装进手机里,各种电子防抖加光学防抖还有陀螺仪防抖,iPhone 的移动 CMOS 防抖等等,层出不穷。而相机其实在拍摄的时候也需要带三脚架或者云台进行额外的稳定,之前看过有 up 主用了华为的五秒手持夜景,其实拍出来的效果还真的挺不错。

接下来讲讲 CMOS 的影响

CMOS 的大小往往决定了照片的四项素质:

  1. 感光性能,CMOS 图像传感器的尺寸越大,则成像系统的尺寸越大,捕获的光子越多,感光性能越好,信噪比越低;
  2. 像素总数和有效像素数,有效像素越高,生成图片尺寸越大;
  3. 像素密度,像素密度是每英寸所拥有的像素数量;像素密度高,有利于提高整个图像传感器的有效像素数,从而提升图像的生成尺寸;但是像素密度过高,会导致信噪比下降,也就是导致图像细节不够清晰,并且容易产生更多的噪点;
  4. 宽容度,宽容度是指照片所能有效记录景物从最亮最暗的明暗跨度范围。

现在的手机在 CMOS 比相机小很多的情况下,常用的计算摄影功能基于多张拍摄 + 堆栈合成 + 超级采样这样的一套流程。

而这个原理其实和半画幅甚至全画幅摄影通过后期堆栈提高像素的道理是一样的,我用的是比手机 CMOS 大不了多少的 APS-C(半)画幅,在我摄影后期的过程中,因为我需要弥补我 APS-C(半画幅)像素、宽容度、分辨率的问题,所以如果我遇到大光比的景色,我会调整曝光然后多张堆栈合成。比如这张我在拍摄日落,首先让高光过曝,保留暗部细节,然后再拍一张保留高光细节的照片,最后堆栈平均值合成。

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最终得到的画面如下:

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如果我想要获得一张图片内所有东西都清晰的图片,我可以用对焦堆栈的方法(有些相机机内自带)通过调整对焦点拍摄多张图片去获得一张全焦图片,而这个功能实际在手机上很早就实现了。

但是堆栈其实也不是万能的,拍摄静物或者运动比较小的物体的时候,堆栈勉强还能靠算法打一打,但是在处理运动物体的时候,堆栈就起不到什么大作用了。

拿我以前拍翻车的素材来讲

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图片压缩过了糊的厉害,不压缩传不上来

当时的海面风浪还是比较大,我是想靠手持我的相机疯狂高速连拍多张,然后后期堆栈让海面呈现出那种平静的效果,这张只堆栈了十张我就放弃了,因为我在前期拍摄的时候没有发现里面有几处红旗,当天的风又很大,红旗的飘动影响到观感。

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可以看到红旗处出现了奇怪的虚影,周围的房子也模糊了

这只是一个例子,现在我们换到手机,相信大家在用手机拍摄运动物体的时候很多次都会出现画面虚影甚至是整个糊掉(不然网上为什么那么多奇怪的表情包),其实这就是手机拍摄功能的短处,因为手机在利用算法尽量把画面对齐,在处理高速运动物体的时候,手机确实没有相机快门优先档这么好使。

在后期图片的时候,现在手机上虽然有很多修图软件,但是实际上这些软件只能做一些最基础的调整,而且对图片的质量也无法保证。更何况手机的后期处理算力比不过电脑,手机是利用自身的处理器实时合成,而相机拍摄完需要在 PS、LR 等图片处理软件上利用电脑的算力进行处理,就拿合成 HDR 全景图或者 RAW 文件堆栈来讲,几十张一百张几十 M 的 RAW 文件进行处理,最后堆出来一个一亿甚至几亿像素的恐怖照片,这恐怕是手机没法做到的。

惯例,放张图,以前拍摄的工厂,HDR 全景合成出来大约一亿像素。

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图片右边的那个塔,放大倍率 150%

说了这么多,手机到底能不能完成摄影作品? 

我的答案是能。

虽然手机的镜头组素质不高,手机的感光元件受限,对光的控制能力也不强,它的计算摄影也不是万能的,后期算力也比不过电脑。但是对于一个手机来说,这些东西都不重要,手机主要还是以便携为主,但是这些都不是问题,它满足的是一个快捷、方便的记录和分享需求,在如今互联网社交软件的这种几乎不怎么追求清晰度的情况下,对于一张摄影作品来说甚至色彩或者影调比清晰度更重要了。

手机摄影可以说是算一个摄影的新领域,要求创作者只能用手机拍摄,并且只能用手机上的软件进行简单的修改,有些比赛甚至要求不可以做任何后期修改,这些限制条件使得手机摄影的难度也提高了,当不用任何后期软件修改时反而更考验的是一个摄影人的基础功底和对光线的控制能力,其实比用相机拍摄更难了。

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