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國産手機的影像技術

科技 更新时间:2024-07-21 01:18:40

如何讓手機攝影,能簡單到「隻需按下快門」,又複雜到能比肩專業的攝影創作?

10 月 24 日,vivo 舉辦了自己的 2022 影像戰略發布會。從硬件成像、視覺處理、後期美化等多個角度,為後續影像技術、産品,規劃了一幅更完整的「藍圖」。

過去幾年,随着智能手機市場競争日益激烈,産品同質化嚴重,各家廠商都開始大力投入影像技術研發,希望在拍照攝影功能上有所突破。在此之前,vivo 已多次将影像技術作為發布會分享主題。

大力投入産出了成果。今天智能手機上搭載的相機,已經是一套非常複雜的系統,甚至比很多專業相機更複雜,有更深的技術縱深。

國産手機的影像技術(手機廠商都在押注的影像技術)1

但手機的物理限制依然擺在這裡。感光元件的體積、鏡頭模組的重量,無不限制着手機攝像頭的表現。當用戶需要「用眼睛收貨」時,不少手機的表現都不盡如人意。技術落地到産品後,常與用戶需求錯位,體驗提升有限。甚至有時候,技術疊代了,産品升級了,體驗反而倒退。

這不隻是 vivo 一家公司正面對的挑戰,更需要整個行業上下遊,對用戶的「攝影需求」,進行一次重新思考,再次出發。

難以突破的影像技術

多年以來,攝影圈一直流行着一句話,「底大一級壓死人」。

意思很簡單,對數碼相機來說,底部感光元件的面積,決定了你能捕捉到光線的量,進而決定了成像質量。「底」越大,效果就越好。

根據感光元件的尺寸,數碼相機被分為了全畫幅、APS-C、1 英寸等不同級别。傳感器尺寸決定成像質量,是攝影圈最底層的「定律」。

對手機來說,内部空間寸土寸金,不可能采用類似相機的設計。近年感光元件最大的手機攝像頭模組,也不過是達到了「1 英寸底」的級别,在相機領域依然隻能說是「小底」。

與此同時,手機要應對的拍照場景卻更複雜。普通用戶并不會通過人工布光、架三腳架延長曝光時間等方式提升進光量,這加劇了進光量不足的問題,對影像系統提出了更高要求。

為了解決手機拍照的畫質問題,工程想出了很多辦法,從基本的「硬件堆料」,提升感光元件的像素、面積,對感光子像素進行重新設計;到「計算攝影」,通過多次曝光,減少高感光度下的畫面噪點,拉高亮度,針對模糊的物體邊緣進行銳化……

特别是近年來各家廠商着重發力的「夜景模式」,很多都是通過機器學習算法,對畫面進行「還原」。讓手機能在極暗,幾乎漆黑的環境下,也能拍出一張像樣的照片,亮度比專業相機還高。

國産手機的影像技術(手機廠商都在押注的影像技術)2

大部分手機的夜景模式,都會對将畫面提亮到極高的水平|The Verge

但這些改進,也遇到了不小的問題。

硬件上,無論是加大傳感器面積,還是提升像素,帶來的感光性能提升,其實都比較有限。特别是在暗光場景下,進光量不足的問題很難得到實質性改善。

而靠軟件優化,通過「算」提升畫質,依然存在問題。不少廠商開發的計算攝影功能,在處理時都過于粗暴,有的會對畫面進行過度銳化,凸顯出人臉上的瑕疵,有時會過度拉高畫面暗部的亮度,讓畫面顯得很平,缺乏明暗對比,被用戶批評為「塑料感」。

如果單純以「明亮」、「清晰」為評價标準,智能手機近幾年的影像性能确實有大幅進步,暗光下的成像質量都有大幅提升。但到用戶的眼睛裡,評價一張照片「好」的标準,顯然不隻是明亮清晰那麼簡單。「如何拍出好看的照片」,是一個更複雜的議題。

包括一些特色影像功能,也存在技術與體驗錯位的問題。人像模式摳圖不幹淨,不自然;電影模式、運動模式、高像素模式的可用度不高……還有不少廠商推出了拍攝 RAW 格式照片的功能,确實能提升照片的畫質,給用戶更多後期處理的空間。但很多時候由于後期操作過于麻煩,用戶反而陷入了「默認難看,RAW 麻煩」的矛盾處境。

國産手機的影像技術(手機廠商都在押注的影像技術)3

這些問題,集中體現在最主流的旗艦手機,iPhone 上。「原相機拍照難看」已經成為了 iPhone 用戶普遍的共識,幾乎每個 iPhone 用戶,都會在手機内安裝不隻一款拍照軟件,有專門用于自拍的,給照片加複古濾鏡的,專門修圖的……都是在補充原相機的缺陷。

甚至有一些 iPhone 用戶,在拍照的時候,會用截屏功能,把 iPhone 的取景器裡的預覽畫面截下來,以此代替快門來自拍。因為取景器裡的畫面,未經計算攝影流程處理,不會對臉上的瑕疵進行銳化,也不會強行提亮陰影,因此看起來反而更自然。

功能與需求的錯位,讓廠商在影像技術領域的努力,反而轉化為了「負優化」。

重塑移動影像的「标尺」

關于移動影像「好」的标準,原本并不存在什麼分歧。

一套好的影像系統,首先要有強大的硬件,提供足夠的畫面清晰度,覆蓋多個焦段,有好的寬容度,HDR 效果,準确的色彩還原能力;其次應當做到體驗順暢,相機軟件設計合理,功能易于理解,拍照成片率高;最後要有豐富、智能的後期處理功能,能識别場景,做出合理、自然的計算攝影優化,同時給用戶留出後期空間。

但在實踐過程中,各種矛盾開始湧現出來。

比如堆硬件會帶來手機重量、厚度提升、攝像頭過于突出,很多用戶不願意接受;提高像素後,照片文件的體積會成倍增大,拍照後的處理時間也會變長。

又比如上面提到的「自拍難題」。人像拍攝場景下,大部分國産品牌,以及三星,針對亞洲人的需求,會對面部細節進行柔化,加入一定的「磨皮處理」。但這種處理方式卻不符合西方人的審美,他們更傾向于展示出面部皮膚的細節,所以 iPhone、Google Pixel 等手機的處理方式就更傾向于「銳化」。

諸多矛盾堆疊在一起,對手機廠商的影像部門提出了更高的要求。各家不僅需要通過自研技術打破限制,更需要對用戶需求、喜好建立更深刻的認知。

這一點充分體現在 vivo 的影像技術發展曆程裡,從鏡頭光學系統、CMOS 傳感器,到 ISP 芯片、計算攝影算法……vivo 幾乎将資源注入到了移動影像的每一個環節,在底層技術上推出了與蔡司聯合研發的光學系統,也用上了自研的 ISP 芯片 V1。

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vivo 在影響戰略發布會上發布的下一代自研 ISP 芯片|vivo

這場影像戰略發布會上,vivo 公布了一系列底層技術的進展。包括能将傳感器感光能力提升 77% 的 CMOS、進一步利用機器學習性能,提升圖像處理速度的 AI-ISP,以及與蔡司聯合開發的下一代小型化鏡頭模組。移動影響的核心目标從未改變:在模組體積有限的情況下,盡可能提升進光量,增加算力。

除了努力,選擇其實也很重要。過去幾年,vivo 大力投入底層影像技術的同時,并沒有選擇過分拉高參數。在像素數、變焦倍數等參數上,都采取了相對保守的配置。與此同時,vivo 選擇做了一系列能體現自己「獨特理解」的技術。

比如「微雲台」,着力增強防抖功能,提升進光量的同時,也能優化用戶的拍照體驗,提高成片率。又比如與蔡司聯合研發的鏡頭鍍膜,解決了困擾不少廠商的,光線反射過程中的鬼影問題。

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近年幫助 vivo 取得市場親睐的微雲台技術|vivo

這些選擇也得到了市場的回應與認可。根據市場調研機構 Counterpoint 的數據,2021 年,vivo 成為中國智能手機銷量第一的品牌,市占率達到 22%。今年二季度,vivo 在國内高端智能手機市場的市占率也實現突破,成為第二,僅次于蘋果。

過去幾年,在技術不一定能轉化為用戶體驗的行業困境中,vivo 實現了數次成功的「方向探索」,刷新了自己對移動影像的理解,重塑了這根标尺。

今年的影響戰略發布會上,vivo 宣布,将從 CMOS、超分算法、下一代 AI-ISP 和計算攝影多個維度,打造面向未來的「影像技術矩陣」,進一步前進。

用「一顆快門」賦能普通人

手機影像發展早期,數碼愛好者圈子裡曾興起過一個讨論:手機拍照,是應該盡量提亮畫面,讓用戶更容易拍到想拍的東西;還是應該準确曝光,盡量保證畫面純淨度,拍得更好看?

這場「要亮度還是觀感」的讨論,為之後近十年移動影像的發展,埋下了伏筆。

對手機用戶來說,拍照似乎特别簡單,對準物體、按下快門就行了。但實際上,專業攝影遠沒有這麼簡單,從拍攝前的器材選擇,場景布置,到拍攝中的構圖、調節曝光,到拍攝後的調色、修圖,每個環節都是一門專業學科。

所以對手機廠商來說,移動影像技術的最大難題,就在于如何将這些專業性、複雜度極強的環節,濃縮成一顆簡單的「快門按鈕」。這個過程中,存在着大量與「要亮度還是觀感」類似的矛盾。

這也是為什麼,vivo 在自己的影像戰略中,提出了「三個比肩」,要将移動影像的技術水平、産品體驗,帶到能比肩專業影像設備、比肩專業攝影團隊、比肩專業後期能力的水平。

國産手機的影像技術(手機廠商都在押注的影像技術)6

發布會上,vivo 邀請了專業攝影藝術家,來解讀 vivo 處理圖像的理念和方式。

其中最獨特的,也是其他廠商很少提及的,就是「影調」的重要性。今天大部分手機拍照,在大光比場景下,都會調用 HDR 功能,把暗部的亮度拉高,高光部分壓低,呈現出盡可能多的畫面細節。

但人眼觀察世界的方式并不是這樣的,人們看到的世界是「光影的結合」,有亮有暗,才能體現出畫面的立體感、層次感。所以 vivo 采用光學感知系統,加上對環境的識别,在自己的計算攝影管道裡,加入了「光影重建」這一流程,能更準确還原畫面的影調,既保證曝光的準确,又讓畫面不會隻是「傻亮」,顯得沒有層次。

要實現這一點,首先需要有強大硬件作為基礎,有寬容度足夠的 CMOS、算力足夠的 ISP 進行場景識别,同時也要對用戶的拍攝需求有深刻的理解,最後還要利用專業的攝影作品,作為訓練集,增強影像系統的「審美能力」。

通過這一系列的過程,最後落到功能上,成為了 X80 系列手機上的「智能白加黑減」功能。而這個功能,隻是 vivo 對全場景智能優化的冰山一角。除了影調,他們還真對色彩、夜景、人像、視頻等場景,都展開了針對性的優化。

國産手機的影像技術(手機廠商都在押注的影像技術)7

此次的發布會上,vivo 特别展示了它在多個算法領域的最新突破。

其中包括用于提升畫面的解析力的「光學超分算法」,可以在 5X 以上的超長焦端下,大幅提升畫面清晰度,使超長焦不再「雞肋」。還包括「超感人像系統」,能對人像信息進行理解,再進行細節優化,不是粗暴的「磨皮塗抹」,保留細節的同時又不會凸顯瑕疵,營造出自然、獨特的人像氛圍。

最後的一個「大招」,是能控制暗光噪點和色彩還原的「VCS 放生光譜技術」,vivo 表示,它能将圖像信噪比提升 20%,還原提升 15%。用這套技術加成後的「蒼穹夜景系統」,能基于感光能力更強的 CMOS,加上 AI 算法,使夜景感光能力提升 100%,實現「手持拍攝星空」。

從自研芯片、算法,到聯合蔡司研發光學系統、鏡頭,到下一代的 CMOS……今天,想要打造一套優秀的移動影像系統,不隻是要在單個技術點投入資源突破,更需要從整個技術矩陣出發,全局前進。因為矩陣裡的任何一塊短闆,可能都會拖體驗的後腿。

而這一切,都是為了讓手機攝影,能簡單到隻需要按下快門,又複雜到能比肩專業的攝影創作。在 vivo 提出的口号裡,他們将「持續為消費者提供人性化的專業影像體驗」。

他們确實在某種程度上做到了。2021 年,第二屆 vivo VISION 手機攝影大賽上,他們征集了超過 38 萬幅攝影作品,傳遞了無數個普通人,用快門記錄下的,他們的情感和力量。

這正是移動攝影最初的意義所在。

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