智能手机摄像头如何工作？

“你的手机有什么处理器？它有多少空间？多少 RAM？”这就是我们过去比较手机的方式，但现在更常见的问题是：“你手机的摄像头有多好？在测试手机的时候，大家，包括测试人员，包括我们编辑部，最关注的就是摄像头，然后才是手机的整体性能。”由于相机存在很多未知因素和大量技术术语（屏幕、传感器、镜头、焦点...），因此可能是时候澄清一些关于它们工作原理的迷雾了。

一切都围绕着光

令人惊讶（或不惊讶）的是，我们可以在相机和我们的眼睛之间做出如此多的相似之处。在黑暗的房间里，眼睛和相机都是盲目的。为了记录图像，我们需要光。但光线常常会向各个方向散射。我们的眼睛有晶状体，可以将光线引导到视网膜上。甚至我们手机上的摄像头也有捕捉和记录光线信息的镜头。

光也会损害摄影，这对于使用胶片的模拟相机来说最为明显。 （太）长时间暴露在光线下会破坏胶片的内容。光圈的发明解决了这个难题。在模拟相机中，快门是一种物理机制，可以快速打开和关闭以控制到达胶片的光量。眼睑也有类似的功能。

手机没有物理快门，不过拍照时能听到那种独特的“咔哒”声。这只是一种音效。把手机调到静音模式，声音就会消失。手机相机没有物理快门，而是使用电子快门，它的功能相同，但完全是通过算法而不是物理运动来实现的。有些智能手机，比如 华为Mate 50 另一方面，Pro 有一个带物理快门的相机，可以在预设位置之间移动。

这部电影还没有被遗忘。它至今仍在业余爱好者、专业摄影师甚至电影行业中使用。在其他地方，它已被传感器取代。

为什么手机的镜头不同？

你可能见过专业摄影师根据眼前的场景更换相机镜头。手机技术上也能够做到这一点，小米的概念手机就证明了这一点。 小米12S Ultra概念但这极其不切实际，而且还带来了新的障碍，例如耐用性、防水性、价格昂贵等等。因此，制造商提出了几种不同的相机作为解决方案——每种相机都配有各自的专用镜头，可以根据需要在相机应用程序中轻松切换。如今，大多数手机相机都采用这种方式工作。

如果你看看手机背面，你会发现有两个、三个甚至四个镜头，正面屏幕上还有一个。每个镜头都提供不同的视角、景深和独特的功能。主镜头理所当然地始终存在。超广角镜头也几乎是手机的标配。在低端手机中，我们通常会看到微距镜头，而在高端手机中，我们会发现远摄镜头和潜望式远摄镜头，就像 三星 Galaxy S23 Ultra.

镜头的作用是什么？

光圈、镜头和图像传感器密切相关。光圈是您可以在相机镜头上实际看到的开口。如前所述，光圈控制到达镜头和传感器的光线量。一般来说，光圈越大越好，因为这意味着相机可以使用更多的光线信息。然而，这并不一定是照片质量的最佳指标。

如果你查看手机的规格，你会注意到相机上有一个“f”档的标记。这些档位指的是焦距与光圈物理直径的比率。这个数字越小，光圈就越大。例如， vivo X90 Pro 它拥有光圈为f/1.8、焦距为23毫米的主镜头、f/1.6（50毫米）的远摄镜头等等。

您将很难将手机摄像头的性能与焦距进行比较。焦距极其重要，但对于创造不同的美学和视觉效果。较短的焦距旨在获得广角视角 - 附近的物体看起来更大。例如，较长的焦距可以拍摄出比例更匀称且中性的照片。

当光线进入相机模块时，镜头会收集来自镜头的入射光并将其引导到传感器上。智能手机摄像头由许多称为元件的塑料镜头组成。由于光的性质，不同波长的光（颜色）在通过透镜时会以不同的角度折射（弯曲）。这意味着场景中的颜色会不对齐地投影到相机传感器上。相机需要多个镜头才能将清晰的图像传输到传感器，而不会出现未对准和其他影响等不规则现象。

智能手机相机的对焦是如何工作的？

具有讽刺意味的是，对焦并不是用户的焦点，因为这通常是由相机本身控制的。在一定程度上，可以手动调整焦点（取决于手机），但在大多数情况下，软件可以很好地完成这项工作，无需手动干预。手机摄像头使用专用传感器和/或附加硬件（例如激光测距仪）进行对焦。

软件自动对焦使用来自图像传感器的数据来确定图像是否对焦并调整镜头进行补偿。被动自动对焦的常用技术是基于检测图像的对比度并调整焦点直至其达到最大值。这种方法完全基于软件，是最便宜的选择。然而，该过程速度较慢，并且在弱光条件下效果不佳。

新款手机采用相位检测自动对焦 (PDAF) 技术，速度更快，精度更高。查看最新规格 iPhone 15 Pro Max 在相机上，您会注意到 PDAF 标签。PDAF 确保相同数量的光线到达图像传感器上两个间距很近的传感器。经典的 PDAF 系统依靠图像传感器上的专用感光点来测量来自镜头左侧或右侧的光线。如果右侧感光点记录的光强度与左侧感光点相同，则图像清晰对焦。如果强度不一致，系统可以计算出需要多少补偿才能获得清晰的图像，这比依赖对比度检测的系统要快得多。

较旧的 PDAF 系统仅使用所有图像站点的百分之几，而较新的系统（例如 Galaxy S23 Ultra）则使用全部 100%。除了左右像点之外，上、下像点也用于对焦。

iPhone 长期以来一直配备专用 LiDAR 传感器，可改善对焦、深度感知、夜间成像，并且非常适合增强现实 (AR) 应用。

什么是图像传感器？

传感器基本上只是一个硅晶圆，这取决于很多因素。传感器接收光并将其转换为电信号。传感器可以有几百万像素。你怎么能发现这一点？如果您看到 100 或 200 MP 相机，则意味着相关传感器具有 100 甚至 200 兆像素。如果来自镜头的光没有到达图像点，传感器会将该图像点记录为黑色。如果图像点接收到大量光线，传感器会将其记录为白色。传感器可以记录的灰度称为位深度。

大多数手机具有 8 位深度，但有些手机具有 10 位深度。相比之下，8 位深度意味着相机可以为用于混合色谱（红色、绿色和蓝色）的每个原色通道捕获 256 种色调。即红、绿、蓝 256 种色调。总共有 1670 万种可能的色调。 10 位相机可以捕捉超过 10 亿种色调。

相机是如何拍摄彩色照片的？每个像素都有一个滤色镜，只允许特定颜色通过。除了极少数例外，例如华为手机使用 RYYB（黄色滤色镜代替绿色滤色镜），最常用的滤色镜阵列是拜耳阵列，它将像素的每个方格（2×2）划分为红色、蓝色和两个绿色（RGGB）滤色镜。

通常，运行一组拜耳滤镜的相机会将所有这些颜色数据汇总为一个值，但像素合并不会执行此操作。制造商需要一种方法来单独收集每种颜色。

为此，他们设计了一种所谓的四拜耳阵列，其中每组像素（2×2）分配一种颜色。然后将其中四个像素组合在一起——类似于原始的拜耳滤镜阵列：2x 绿色，1x 蓝色，1x 红色。

新套件不仅允许智能手机制造商在组合像素的过程中保留颜色数据，还允许他们引入其他创新功能，例如 HDR 模式。

让我们回到传感器的话题。说到传感器，你需要关注它们的尺寸以及像素本身的大小。更大的传感器可以拍出更好的照片，因为它们拥有更多的像素，像素也更大。最近，智能手机或其相机已经进入了1英寸的世界。 小米13 Pro 例如，vivo X90 Pro 是首批采用 1 英寸传感器的产品之一。

像素以微米 (μm) 为单位进行测量。较大的像素可以吸收更多的光线，有利于夜间摄影。如果您的手机像素比其他手机小，请不要担心。除了夜间拍摄之外，它仍然能够提供不错的效果。即使是最好的三星手机也难以应对较小的像素。 Galaxy S23 Ultra 配备了 200 MP 传感器，像素为 0.6 µm，而 iPhone 15 Pro Max 则配备了 48 MP 传感器，像素为 1.22 µm。因此，制造商开始使用像素合并技术。 Galaxy S23 Ultra 将 16 个像素合二为一，拍摄的照片最终分辨率为 12 MP。

光学和电子稳定

稳定性对于拍摄优质照片和视频也很重要：光学或电子。

OIS 是一种硬件解决方案，使用微机电系统 (MEMS) 陀螺仪来检测运动并相应地调整相机系统。例如：如果您拿着智能手机并且手稍微向左移动，OIS 系统会检测到这一情况并将相机稍微向右移动。这在夜间摄影中尤其重要，因为相机需要很长时间来捕捉光线，在此期间振动会影响照片的质量。

电子图像稳定 (EIS) 依靠手机的加速计来检测运动。它不是移动相机的部件，而是移动图像或灯光的帧。由于曝光是根据图像内容而不是图像传感器帧来对齐的，因此最终图像或视频剪辑的分辨率会降低。

该软件有什么作用？

图像传感器将光转换为电信号后，图像信号处理器 (ISP) 的工作就是将这些数字转换为图像。电信号中的数据本质上是黑白图像。 ISP 必须首先返回基于一组滤色器（拜耳或其他）的颜色数据。这会创建一个图像，但像素具有不同的红色、绿色或蓝色强度。接下来是颜色重建，其中 ISP 根据相邻像素的颜色更改像素的颜色。例如，如果某个区域中有很多绿色和红色像素，而蓝色像素很少，则颜色重建算法会将它们转换为黄色。

色彩重建完成后，ISP 还具有去噪和锐化算法。每部手机都有自己的特定算法来生成最终照片。

下次你拿起手机，打开相机，拍照时，你就能知道当时背景里发生了什么。你可能对以下内容感兴趣： 智能手表如何工作？ 或者它们的传感器？