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华为P20 Pro的混合变焦功能 就这样提高了成像质量

By: | 2018年4月16日 | 241次点击 |

腾讯数码讯(红果)据Android Authority网站报道,通常情况下,旗舰智能手机会包含大量优雅、独特和日趋强大的相机功能,例如谷歌的HDR+、LG的广角镜头或超慢镜头视频录制。华为希望利用其新颖的混合变焦功能——最新款旗舰手机P20和P20 Pro采用的新相机功能之一——吸引消费者的眼球。

这并非华为首次采用混合变焦功能。这项技术已经被应用在华为多款高端手机中,例如Mate 9、P10和Mate 10 Pro。在2016年的华为麒麟960处理器发布会上,华为就提到过这项功能。但是,P20 Pro是华为首款利用长焦镜头把变焦能力提升至5倍,而成像质量不会有明显下降的手机。

光学变焦 PK 为数字变焦 PK 混合变焦

摄影爱好者可能会略过这些基础知识,但对于普通读者来说,介绍下这些基础知识还是很有必要的。

相机上传统的变焦技术可以分为两大类:光学变焦和数字变焦。光学变焦技术移动机械的玻璃镜头,调节焦距,从而放大用户看到的景象。使用光学变焦技术,在拍照时,成像传感器(负责拍摄数码照片的元器件)“看到”的是放大的图像,能以其最大分辨率呈现放大的图像。部分手机采用光学变焦技术,但只使用不同焦距的相机,通过切换不同的相机来放大拍摄主体,与传统光学变焦技术相比,这类技术的局限性要大得多。

相比之下,数码变焦技术用于没有可移动镜头元件的相机中,例如智能手机。使用数码变焦技术时,无论变焦倍数如何,图像传感器都会“看到”相同的场景。放大拍摄主体的唯一方式,是裁剪照片、对它进行放大,这会降低分辨率,导致照片上有更明显的颗粒感。在使用数字变焦技术时,设备通常会利用软件插值算法,使照片看起来更柔和,但会丢失一些细节。

华为的混合变焦技术,以一种更智能的方式使用两个摄像头,利用处理能力强大的软件,以不同的焦距混合来自两个摄像头的数据,在放大拍摄主体时,保留或重建更多细节。它当然不是光学变焦,成像质量也没有那么好,但在保留远处的细节方面,它的表现要远好于基本的数字变焦技术。我们可以认为这一技术的成像质量介于光学变焦和数字变焦之间,但从根本上说,它是一种数字化技术。这一技术特别适用于智能手机——光学变焦机制不适用于单一镜头。即使接近其5倍混合变焦极限时,华为P20 Pro成像质量似乎还是相当不错的。

混合变焦技术原理

我们如何实现这样的效果呢?一种被称作超级分辨率的处理能力非常强大的图像处理技术,可以用来强化照片中的细节。华为没有明确声明其混合变焦功能使用了超级分辨率技术,但这样的暗示可谓“随处可见”。华为的HiAI移动神经网络计算平台文档,详细阐述了包括超级分辨率在内的一系列图像处理技术——能够在华为的麒麟神经处理单元上运行。华为早在2013年的Ascend P2手机中就使用了超级分辨率变焦技术——由图像处理技术公司Almalence提供。另外,即使在技术上拉近的距离比长焦镜头800万像素分辨率极限还近,用户仍然能获得分辨率为1000万像素的放大版照片。因此,这些迹象表明了某种形式的超级分辨率技术。

超级分辨率的总体思路是所谓的亚像素定位。通过考虑另外2、3个帧——每个帧都有略微不同的视角——中的相同点,亚像素定位能使照片中任一点的精度达到亚像素精度水平。华为的双相机系统,已经能向我们提供两个略微不同的视角,但我们也能整合任何单一相机的多个图像帧,增加可以使用的数据量。这一技术并非是专门为双相机系统而保留的——在观察遥远的行星或宇宙中的其他天体时,它通常被天文学家用来去除照片中的噪点和提高分辨率。在2014年推出的单镜头Find 7中,OPPO就在5000万像素超级变焦成像功能中使用了相似的技术。

需要记住的一点是,存储在一幅照片的每个像素中的信息,只是成像传感器捕获光线的近似值。相机受限于它们的分辨率,因此每个像素实际上把它探测到的更精细细节“平均”为单一色彩。这还可能会受到由机械和电子来源进入成像传感器的噪点的影响。因此,当在两个略微不同的位置拍摄同一张照片时,许多像素的值将略有区别。使用各种算法或数据库,通过“考虑”多帧照片中像素间的差别,从成像质量更低的照片中获取更多细节是可能的。最终结果是包含更多像素数据的分辨率更高的照片。

从本质上来说,超分辨率是某种形式的过采样——它利用多幅分辨率更低的样张,生成一张分辨率更高的照片。用户可以利用多种不同权重和算法,决定如何处理这些照片,每次都会获得略微不同的结果。当放大这种分辨率更高的图像时,与传统数字变焦功能相比,它能保留更多细节。这一技术还能用来减少噪点,使图像变得更清晰,更稳定,用于创作延时拍摄风格的照片。

只是,这一技术并非完美无缺。与其他内插滤镜一样,尖锐边缘周围的“光环”或“光晕”会是一个问题,纹理看起来像油画一样——色彩相互浸染。根据拍摄物体,不同算法会获得略好的成像质量,因此成像质量将因拍摄物体的不同而有差别。从利用华为P20 Pro拍摄的照片中,我们能看到部分这种现象。

对于华为P20 Pro相机来说,超分辨率照片被裁剪成放大的照片,或压缩为分辨率为1000万像素的照片。Android Authority还不能确定的是,华为在生成这些照片时使用了什么样的算法,以及每个相机拍摄多少张照片。我们所知道的是,它融合来自800万像素、3倍光学变焦长焦镜头和4000万像素摄像头的数据。支持混合变焦功能的华为智能手机,采用相同的思路,它利用一个单色成像传感器收集更多数据,限制相机具备2倍混合变焦能力。

照片样张

在拍摄这些照片样张时,Android Authority使用了1倍、3倍光学变焦,以及5倍混合变焦功能。为了对它们进行比较,1倍、3倍光学变焦照片分别放大(不使用插值)了500%和166.67%,以达到5倍变焦效果。换句话说,Android Authority对所有照片进行了裁剪,使之与5倍变焦照片一样。最初,Android Authority计划使用专业模式,以确保相同的曝光设置,抵消不同相机光圈带来的影响,但Android Authority的测试发现,3倍长焦镜头完全没有发挥作用,导致变焦倍数不足。Android Authority编辑罗伯特·特里格斯(Robert Triggs)怀疑的原因是,在专业模式下,混合变焦仍然发挥作用,但只使用来自4000万像素和2000万像素的单色成像传感器的数据。有趣的是,在其Galaxy Note 8手机中,当使用专业模式拍照时,三星也关闭了2倍变焦长焦镜头。

相反,Android Authority利用默认的照片模式拍摄照片,以获得最好的变焦效果,但关闭了人工智能拍摄功能,以在切换变焦倍数时,尽可能地保持照片色彩和曝光相似。出于比较的目的,头两张样张照片也包含放大的4000万像素照片。正如Android Authority预期的那样以4000万像素的分辨率模式拍摄照片,可以提供更多的分辨率数据,在进行数字变焦时可以获得更好的成像质量。结果也表明,在拍摄分辨率达4000万像素的照片时,使用光学变焦和混合变焦功能,成像质量远好于数字变焦。在拍摄遥远的物体时,它们绝对是用户会选用的变焦功能。

在第一批照片中,需要关注的主要元素是右侧的文字,和照片左部唱片上的凹槽。利用5倍数字变焦功能放大照片,根本看不清这一距离上的文字细节。切换到4000万像素成像传感器,情况只是略有改善,表明拍摄照片时使用这样倍数的数字变焦功能,用处真心不大——与成像传感器像素数量无关。但是,3倍光学变焦和5倍混合变焦模式之间的差别很难区分。混合变焦功能可以更清晰地显示文字,去除照片中的噪点。但其一个副作用是,唱片左侧的凹槽开始混在一起。色彩分级也略有不同,很可能是处理算法的结果。总体而言,如果考虑放大这样大的倍数,混合变焦能获得成像质量更好的照片。

在5倍数字变焦功能方面,第二批照片显示出了相似的不足之处。3倍光学变焦功能基本上能显示出花朵和叶子边缘的细节,除更锐利的边缘外,3倍光学变焦和5倍混合变焦之间几乎没有什么差别。两者最大的差别可能是混合变焦的降噪效果和略微更精准的边缘。1倍、3倍和5倍光学变焦之间还存在着显著的色彩和曝光差别。这部分原因取决于相机的自动设置,不同的相机光圈和照片的内容,还可能有软件算法。

Android Authority最终的照片表明,P20 Pro的混合变焦功能,在更优化的环境中,生成的照片光线充足、边缘硬朗。这次的差别更为明显。虽然3倍光学变焦功能会使照片显示出明显的噪点和锯齿,混合变焦功能消除了几乎所有这些问题。

在户外照片中,Android Authority看到了相似的结果。使用数码变焦时,大部分细节都丢失殆尽,但即使3倍光学变焦,甚至把变焦倍数提高至5倍,细节也会得到合理的保留。当比较3倍光学变焦和5倍混合变焦拍摄的照片时,Android Authority再次发现5倍混合变焦拍摄的照片更流畅,微小的细节都得到了很好的保留。

正如最后一批照片中混合变焦结果的显著改进,用户拍摄的场景,对5倍变焦效果会产生影响。但总体而言,与数字变焦功能相比,它代表着巨大的进步。它的处理效果也始终如一地优于3倍光学变焦镜头。由于混合变焦是通过软件实现的,拍摄内容会对处理后照片的成像质量产生一定影响,要获得最好的成像质量,用户需要在光照良好的环境中拍摄照片。总之,与大多数其他手机不同的是,用户可以真正使用P20 Pro的变焦功能。

照片 PK 专业模式

本文开始就曾提及,在使用相机的专业模式拍摄照片时,3倍光学变焦镜头不能用来“协助”5倍混合变焦功能。特里格斯亲自证实了这一点。在专业模式中,使用变焦功能拍摄的照片不如使用普通的照片模式清晰。因此,照片成像质量与P20和其他没有配置长焦镜头但支持混合变焦功能的手机相似。但重要的是,这些照片的成像质量要显著优于普通的数字变焦功能,证实混合变焦技术(超级分辨率)确实效果不错。

在上述照片样张中,即使在专业模式下拍摄照片时,混合变焦功能的成像质量也远远高于普通的数字变焦功能。但是,在没有3倍长焦镜头提供光学变焦细节的情况下,与照片模式相比,专业模式下成像质量要差得多。这显然不够理想,但它确实向我们提供了一个有趣的机会,比较超级分辨率变焦功能与光学变焦功能的优劣。

上述的结果基本上符合我们的预期。在专业模式下,3倍混合变焦功能的成像质量确实好于数字变焦。但是,在照片模式下,使用3倍长焦镜头拍摄的照片成像质量要高得多,有足够多的细节,色彩也更生动。

在使用变焦功能时,为了获得最高的成像质量,请使用P20 Pro的照片模式而非专业模式。

那么,专业模式为什么不利用具备明显优势的变焦技术呢?原因可能要追溯到拍摄花卉照片时我们看到的不同曝光和色彩。华为的专业模式,使用户能控制ISO、快门速度、曝光和色温,当在800万像素/f/2.4长焦镜头和4000万像素/ f/1.8主摄像头之间切换时,这些参数会发生很大变化。为了确保专业模式的手动调节设置,在使用变焦功能时以用户期望的方式发挥作用——不会改变色彩和曝光——华为可能选择只使用混合变焦功能,只利用4000万像素成像传感器和2000万像素单色传感器的数据,照片成像质量远优于普通的数字变焦功能。

出色的数字变焦

由于华为混合变焦功能效果令人印象深刻,而且在不同拍照模式下表现不同,P20 Pro的三摄系统,可能比最初的设想更有趣。但是,无论在什么模式下,与大多数智能手机相机的“数字变焦功能”相比,它都是一种出色的技术。理解混合变焦功能的最好途径,是把它看作是一种出色的数字变焦功能。但它不依赖可移动的镜头或机械性硬件,因此它非常适合用在智能手机中。它是一种智能的、基于软件的技术,能提升照片分辨率,生成的照片成像质量高于数字变焦。这正是大多数用户所期望的。

当然,混合变焦功能并不完美,但对于喜欢拍摄微距照片,或经常裁剪拍摄的原始照片的用户,它无疑是在购买智能手机时需要考虑的一项技术。智能手机相机的成像质量可能仍然比不上数码单反相机,但混合变焦功能这样的创新,给喜欢摄影的用户拍摄成像质量更好的照片提供了诸多可能性。

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