如今，相机已经成为智能手机上最为重要的硬件组成之一，对于大多数消费者而言，相机的成像水平也成为了选购智能手机时考虑的主要因素之一。特别是近两年，在行业普遍缺乏创新的情况下，智能手机的相机进化愈发成为不少厂商在营销上的着力点，面对越来越复杂的相机科技以及铺天盖地的广告术语，你是否也对甄别手机相机的优劣产生过困惑呢？相信这篇文章能够带你深入手机相机的世界，了解一些有关的硬件和技术知识，能够更好地甄别、选购拥有较高相机水平的智能手机。
像素肯定是关于相机大家最为熟悉的一个术语，简单的来说，如果把我们日常拍摄的照片都比作一个围棋棋盘的话，那么像素就是一个个构成棋盘的方块，每一张照片实际上都是由无数各色的方块（像素）构成的，例如800万像素的照片，就是由800万个小方块的像素点组成的。
如果把镜头比作是一扇窗，那么光圈扮演的就是类似窗帘的角色，其作用主要在于控制拍照时的进光量，光圈越大，意味着窗帘拉上的面积也就越小，进光量也就越大，不过要注意的是光圈大小一般用F2.0、F2.4这样的标准单位，但是数值越小代表光圈越大。
手机光圈示意图
和光圈类似，快门也是相机控制拍照时进光量的手段之一，大概可以理解为以不同速度打开与合上窗帘来控制进光的时间，也是我们平常所说的快门速度和曝光时间。通过控制快门速度可以满足不同场景拍摄需求，例如高速运动的场景要使用非常快的快门速度，而星轨等一些需要长时间曝光的照片就要用非常慢的快门速度来处理。
代表感光度，在某些情况下我们只能利用特定的快门速度和光圈来进行拍摄，这时候就需要利用调整相机的ISO来获取正确的进光量，不过高感光度容易在成像时产生噪点，影响成像质量。
就是我们俗称的图像传感器，是相机成像的核心硬件，目前绝大多数智能手机采用的都是索尼生产的CMOS。
索尼CMOS
虽然照片呈现的只是一个平面，但实际上我们在拍摄时物体和前景、背景之间都是存在空间距离的，因此也就引出了景深的概念，简单理解就是我们在对一个物体进行拍摄时，其前后能被清晰成像的空间距离。景深越大，我们拍摄时能够清晰成像的空间距离也就越大，例如拍摄风景时我们就需要大景深来由近及远地呈现各层次的景物；而景深越小，对焦物体前后能够清晰成像的空间距离也就越小，会产生虚化的效果，因此目前流行的背景虚化和人像模式其实都是小景深场景的应用。
景深原理图
ISP(Image Signal Processor)，即图像信号处理器，其主要的作用是处理CMOS输出的图像信号，相当于相机系统的大脑。ISP在架构上主要有内置和外置两种，目前主流的旗舰SoC例如苹果的A11、高通骁龙845、华为麒麟970都搭载了自研的内置ISP，唯一的例外是三星，由于在旗舰机型上采用了高通骁龙和自家猎户座两种不同的SoC,出于兼容性的考虑采用了外置ISP的方案（S9系列也为外置ISP，但845版本应该是内置外置双ISP共同工作）。
首先还是要回到硬件上，CMOS作为相机成像的核心原件，很大程度上决定了相机成像水平的高低，而其中最应该关心的就是一点就是传感器尺寸与单位像素面积的大小。由于内部空间的限制，目前智能手机的感光原件大小一般都在1/3英寸到1/2.3英寸之间，因此同样尺寸的感光原件（棋盘），如果像素越高（棋盘上的小方块越多），那么单个像素的面积就会越小。
高像素虽然能够呈现更多的细节，但单位像素面积的减小反而会减少进光量，影响到成像的水平，在夜景拍摄时尤为明显，而且日常生活中使用的照片往往都经过压缩处理，高像素的成像效果往往会大打折扣。因此，目前主流的智能手机都把像素维持在1200-2000万左右，从而寻求更大的单位像素面积，提升进光量，从而获得更好的成像效果和夜拍能力。当然，为了提升相机水平，一些厂商也开始尝试在智能手机内放入更大尺寸的传感器，最好的例子就是华为P20 Pro,主摄像头采用了1/1.73英寸超大传感器，在硬件基础上就有了很大的优势。所以，再次敲黑板，在对比相机水平时，一定要走出像素越高越好的误区，应该把关注的重点放在传感器尺寸和单位像素面积的大小上。
主流旗舰的CMOS尺寸对比
当然，除了尺寸大小之外，CMOS上还有一些能够影响到相机水平的技术，例如对焦技术。对焦对成像质量的重要程度不言而喻，特别是一些抓拍的场景下，对焦速度显得尤为重要，因此近几年各大手机厂商在对焦技术上也是下足了功夫。手机上主流的对焦技术主要有三种：反差对焦（CDAF）、激光对焦（LDAF）和相位对焦(PDAF)。
反差对焦主要是通过寻找对焦区域对比度最大的点来进行对焦，早些时候手机对焦时都会有一个由模糊到清晰的过程就是反差对焦的体现。其优点在于对焦准确，环境适应力强，缺点是对焦过程复杂而导致速度较慢。
激光对焦则是通过激光传感器向外发射低功率激光，通过计算激光到被摄物体间往返的时间来确定被摄物体距离镜头的距离，从而实现快速精准对焦的方式。支持激光对焦的手机背面有黑色不透明开孔，且在黑暗环境下看到其发出红色激光。激光对焦的优势在于弱光及纯色环境下有着优良表现，但由于激光传输距离的限制，拍摄物体较远时就会失去作用。
手机上的激光对焦模块
相位对焦的原理是在感光元件上预留出一些成对的遮蔽像素点，通过各自成像时形成的信号差来进行相位检测，计算出焦点的位置偏移后再一步到位完成对焦。相位对焦缩短了对焦的过程，因此在速度上有较大的优势，但因为依赖遮蔽像素点的成像信号来进行计算，对环境光线有很高的要求，弱光环境下对焦精度和速度都会受到影响。
相位对焦原理示意图
由于三种对焦技术各有利弊，因此很多厂商在相机上都采用了混合对焦的方式来应对不同的使用场景，从而获得更好的成像效果，例如iPhone 6就采用了反差对焦+相位对焦的混合对焦方案。除此之外双摄的采用也让一些手机能够通过模拟人眼三角测距的方式来实现快速对焦，不过这对算法和ISP的性能都有很高的要求。
当然最值得一提的还是相位对焦的升级版:全像素双核对焦技术（Dual PD/Dual Pixel），这项技术最早出现在佳能EOS 70D上，而率先将其引入手机相机的是三星的S7系列。与普通相位对焦技术不同的是，Dual Pixel上的每一个像素都配置了两个可以独立接收光线的光电二级管，这样所有的像素点都可以被用来进行对焦和成像，对焦速度更快，即便在暗光环境下的表现也依然出色，而这也是S7系列相机表现备受好评的关键所在。
传统相位对焦技术与三星全像素双核对焦技术的对比
防抖技术主要分为两种：电子防抖和光学防抖。
电子防抖技术主要通过程序对传感器上的图像进行分析和采集，当照片被拍糊时，利用边缘图像对模糊部分进行补偿，从而实现“防抖”，其实现原理更像是对照片进行“后期处理”，本身对画质程度有一定的破坏。
值得一提的是谷歌在Pixel上对电子防抖技术进行了升级改良，推出了陀螺仪电子防抖技术。该技术在拍照时利用陀螺仪检测机身的震动，进而调节快门速度和ISO感光度和等来减轻抖动对拍摄的影响，配合其出类拔萃的合焦速度，形成了优异的电子抖动补偿能力，让没有光学防抖的Pixel同样拥有了数一数二的相机水平。
而光学防抖则主要是通过物理方式，依靠特殊的镜头或者传感器感光原件的结构在最大程度的降低操作者在使用过程中由于抖动造成影像不稳定，因为是事前控制，光学防抖在成像质量的提升方面要比电子防抖来得更为优秀。其中我们比较熟悉的一种方式就是镜头防抖，又被称为OIS光学防抖，其原理是通过在镜片组中增加一个使用磁力悬浮的镜片，配合陀螺仪工作，当机身发生震动时，能检测到轻微的抖动从而控制镜片浮动对抖动进行一定的位移补偿，从而避免了光路发生抖动，实现光学防抖。但由于结构的限制，大部分OIS光学防抖仅支持横向和纵向的抖动补偿（两轴防抖），因此防抖能力有一定的局限性。
镜头防抖原理图
后来在小米5上出现了另一种改良过的光学防抖方式：镜头模组防抖，通过将整个镜头模组“悬浮”起来，配合陀螺仪检测机身震动，从而控制镜头模组进行位移补偿，实现横向、纵向、前倾、侧倾4个自由度上的抖动补偿，从而拥有了更强的防抖适应能力。
小米5的镜头模组防抖
除此之外，以往只用于专业相机的传感器防抖（四/五轴防抖）这两年来也开始出现在手机相机上，其在原理上与镜头防抖类似，是将传感器安装在一个可自由浮动的支架上，配合陀螺仪来感应相机的抖动方向和幅度，进而控制传感器进行对应的位移补偿，但这种方式不用考虑光学的折射因素，因此灵活性比镜头防抖高很多，最多可以让设备实现5个自由度的抖动补偿（五轴防抖，四轴防抖加上旋转防抖），索尼Xperia XZ是最早应用这一技术的手机，不过仅支持视频的拍摄。
传感器防抖原理图
如今，双摄早已成为智能手机的旗舰标配，随着技术上的不断成熟进步，两个摄像头所能带来的已不仅仅是成像水平上的提升，不同的双摄方案也为手机相机带来了更为全新的功能和玩法。
主摄像头+景深摄像头的组合属于比较早期的双摄方案。比较典型的代表就是2014年3月发布的HTC One M8,搭载了由一个408万像素的UltraPixel相机及一个景深相机组成Duo景深相机，在拍摄时通过景深相机来侦测场景中的距离，并利用这些信息来区分前景和背景，从而在手机上实现拍照的景深效果（背景虚化）以及拍照后重新聚焦的功能。但这种方案所提供的景深效果并不是非常理想，在轮廓比较复杂或者主体与背景颜色相近的场景下，就会出现无法准确区分的情况，而且景深效果也显得不自然。主摄像头+景深摄像头的方案后来也仅仅被运用于红米Pro这样的一些低端机型之上，现在的市场上已经很难看到了。
搭载景深摄像头的HTC One M8
主摄像头+广角摄像头的组合最早出现在LG G5上，广角摄像头能够为用户捕捉到更宽的画面，并且利用这种视野上的优势从一些特定的角度来进行拍摄，但这套方案早期的效果并不好，广角摄像头的成像效果差强人意，画面还会出现严重的畸变，不过在后续的LG V30上已经得到了改善。
搭载广角摄像头的LG G5
彩色摄像头+黑白摄像头则是一种典型的以提升成像质量为目的的双摄方案。其原理在于黑白摄像头由于去除了CMOS上的分色滤镜，所以拥有更高的进光量，所拍摄的图像能够保留更多的细节，利用这一特性将彩色、黑白两个摄像头的成像利用软件算法进行后期的合成，就能得到比普通彩色摄像头更为清晰的相片，这在夜景拍摄的情况下尤为明显。黑白+彩色的双摄组合同样可以通过算法来实现景深效果，除此之外还能利用二者的像素差实现无损变焦，以华为P10为例，在拍摄一张变焦照片时，2000万的黑白摄像头负责拍摄出一张高清的黑白图像，然后从这张图像上截取出1200万彩色摄像头拍摄出的图像范围，通过软件与彩色图像进行融合，从而获得一张质量较高的变焦图像，但在最高分辨率的情况下这种无损变焦就无法实现了。
华为P9的彩色+黑白双摄
主摄像头+长焦摄像头则是目前最为通用的方案。iPhone 7 Plus是这一方案的典型，主摄像头是手机常见的28mm焦段，长焦摄像头则采用56mm焦段，通过二者间的切换可以实现二倍的无损变焦，而长焦摄像头由于畸变较小的特性，在人像拍摄上具有优势，再结合算法带来的景深效果，可以提供优秀的人像模式功能。这个组合的缺点在于目前长焦摄像头的光圈都比主摄像头要小很多（iPhone 7 Plus上为f2.8，iPhone X上提升到了f2.4，而主摄像头均为f1.8）,因此长焦镜头的成像效果都会略差一些，并且在弱光环境下大部分手机都会禁用长焦镜头，也就失去了无损变焦的能力。
搭载支持双光学防抖主摄+长焦方案的Galaxy Note 8
当然还有一些独特的双摄组合方案，例如在MWC2017展会上，OPPO展示了业界首款潜望式双摄结构，可以实现五倍的无损光学变焦，但该方案目前还没有投入商用。此外OPPO还在R11s采用了一种叫做智选双摄的“假”双摄方案：与上述所有双摄方案两颗摄像头协同工作（哪怕只是在某些特定情况下）的原理不同，R11s的两颗摄像头是完全独立的，由一颗1600万像素的细节摄像头和一颗2000万像素支持像素重构技术（成像时四个像素点合成为一个大的感光像素点，从而提升进光量）的暗光摄像头组成，值得一提的是这两颗摄像头都拥有F1.7的大光圈，成像时系统会根据光线环境来调用其中一个成像质量更好的摄像头来进行工作，实际上还是单摄，只不过配备了应对不同场景的两颗摄像头。
OPPO的潜望式双摄设计
目前主流旗舰的主摄像头一般都配备了F1.8的大光圈，而三星在今年发布的S9系列上带来了可变光圈的全新玩法，通过F1.5/2.4的可变光圈摄像头，从而能够适应不同的拍照场景：利用小光圈增加景深可以在拍摄风景等需要保留大部分画面细节的照片时获得更好的效果，而在拍摄人像、静物等更需要突出主体的照片时，又可以通过大光圈来达到背景虚化的效果。
除了CMOS之外，在手机相机系统上对成像质量影响最大的恐怕就是ISP了，作为相机系统的大脑，图像信号处理器在接收传感器信号后，通过线性纠正、噪点去除、坏点修补、颜色插值、白平衡校正、曝光校正等手段进行成像处理，对图像质量的改善可以达到10%-15%，除此之外ISP还可以通过辅助对焦、人脸识别、场景识别等功能让拍照变得更加简单轻松。在CMOS等硬件趋于同质化的今天，ISP的性能和封装其中的算法已经成为了手机厂商们进一步提升成像质量，寻求差异化的关键所在。
苹果A11内置的自研ISP
除了硬件，相机后期的调教，算法和软件上的加成对成像的影响也日益明显。从常见的HDR（High-Dynamic Range，高动态范围）算法、苹果不断改进的时域降噪算法到如今经常登台亮相的虹软算法（三星、华为、小米、OV、魅蓝、锤子等一众厂商或多或少都有采用的视觉技术方案），手机厂商对在相机的后期调教上正花费越来越多的心思，在硬件水平接近一致的情况下，算法以及调教的优劣才是旗舰手机相机水平一见高下之处。
近年来开始为人们所熟知的虹软算法
索尼就是典型的反面教材，虽然在手机CMOS上已经近乎于一家独大，自己旗舰产品也往往能用上最新型号的感光原件，但由于调教得不好，自家旗舰机型的相机水平一直为人所诟病。
另一个经典的例子就是谷歌Pixel和小米5S，两款手机都采用了索尼先进的IMX378传感器，但成像水平上却有着巨大差距，不得不让人佩服谷歌的相机调教水平。
还在Lumia时代的诺基亚，除了有卡尔蔡司认证的镜头以及1020那样变态的大底CMOS之外，PureView技术的加持和诺基亚专业拍摄这款软件的存在对其当时傲人的相机水平更是功不可没。而谷歌更是依靠强大的算法以及AI技术的应用，让Pixel 2 XL在维持单摄的情况下，实现了足以吊打当时一众双摄旗舰的相机水平，可见算法和AI正在相机成像上扮演着不可忽视的重要角色。
说到手机相机，就不得不聊一聊不久前发布的华为P20 Pro，这款开创性的三摄产品让国产品牌的旗舰手机第一次登顶专业评测机构DxOMark榜单，拍照和视频的得分都刷新了历史记录，综合评分达到109分，直接和第二名、三星最新的旗舰产品Galaxy S9+拉开了10分的差距，颇为惊人。那么P20 Pro上这款现象级的相机究竟是如何炼成的呢？
首先当然要归功于强悍的硬件配置，P20 Pro史无前例地在手机相机上搭载了三颗后置摄像头：主摄像头拥有4000万像素，1/1.73英寸传感器，f1.8光圈，等效焦距27毫米，支持相位对焦；副摄像头是一颗黑白摄像头，拥有2000万像素，1/2.78英寸图像传感器，f1.6光圈，等效焦距27毫米；此次最新加入的是一颗远摄摄像头，拥有800万像素，1/4.4英寸像传感器，f2.4光圈，等效焦距80毫米，支持光学防抖。
P20 Pro的三摄组成，从左到右依次为远摄、主摄和黑白摄像头
主摄像头采用的传感器是由华为、索尼和芬兰研究所（曾经属于诺基亚团队）共同研制的IMX600，这种在手机上罕见的大尺寸传感器加上4000万像素的配置很容易让人联想起当年的诺基亚808和Lumia1020,但区别在于P20 Pro的相机并未像二者一样在机身背部显眼地突出，这当然与CMOS技术的进步有关，不过为了在机身中塞进这个大家伙，主摄像头不得不舍弃了光学防抖功能，不过这也动摇不了其“底大一级压死人”的成像能力，并且主摄像头在工作时会通过算法将四个像素点组合成一个，输出1000万像素的照片来进行合成，从而实现单位像素面积的增大，可以在低光环境下带来更多的进光量，提升成像质量。
主摄、黑白和远摄三组镜头的组合运用，让P2O Pro兼具了彩色+黑白、主摄加长焦两种双摄方案的优势：更加强大的彩色+黑白双摄组合能够大幅提升相机的成像质量，特别是在低光环境下也能够有效降低噪点，保留更多画面细节；而远摄摄像头的加入使P20 Pro在原有双摄组合通过算法实现两倍光学变焦的基础上，进一步拥有了三倍光学变焦、五倍混合变焦、十倍数码变焦的能力，在人像模式上也表现得更为出色。DxOMark的变焦测试显示，在四倍变焦的情况下，P20 Pro依然能够呈现出良好的细节纹理。
P20 Pro普通成像(DxOMark测试样张)
P20 Pro四倍变焦成像(来源于DxOMark测试样张)
P20 Pro四倍变焦成像的裁剪图(来源于DxOMark测试样张）
即便是三个镜头的组合使用，华为对P20 Pro的相机调教和算法优依然是相当出色的，无论是对焦、曝光、色彩还是白平衡都表现得相当优秀，加上AI加持下相机系统能够对超过500种不同的拍摄场景进行识别，针对不同场景采用最佳的拍摄方案，从而让P20 Pro在许多复杂场景下都有着比竞争对手更好的表现。为此，DxOMark特别在逆光人像以及低光散景的场景下为我们对比了P20 Pro和iPhone X之间的成像。
P20 Pro的逆光人像拥有准确的曝光(来源于DxOMark测试样张）
iPhone X的逆光人像在高光背景上的不足(来源于DxOMark测试样张）
P20 Pro的低光散景，拥有精确的景深估计和漂亮的虚化效果
iPhone X的低光散景，成像画面偏暗，且无法实现背景虚化
除了上述这些之外，P20 Pro还拥有超越普通手机相机的ISO 102400高感光度，并且支持4K视频以及960 fps，720P慢动作视频的录制，可谓相当全面。
DxOMark在综合评测之后将华为P20 Pro定义为改变游戏规则的手机：
我们已习惯于每一款新智能手机的摄像头都比前一代稍微好一些，但是看到华为 P20 Pro 的图像测试结果时，似乎华为手机一次性前进了一两代，表现非常优异。P20 Pro 的三摄像头设置是我们在移动成像领域所见到的最大的创新之举，堪为名副其实的游戏规则革新者。
新的P20 Pro 能够为特定的拍摄场景选择最佳摄像头，并以计算机的算法来合并三个图像传感器的图像数据——这意味着它在几乎每个方面都能击败竞争机型，并登上照片和视频排名中的冠军宝座。它的变焦和散景模拟在低光下的表现特别出色，因此直接击败了其竞争机型。如果您正在寻找目前搭载了最好的摄像头的智能手机，请不要再犹豫了。
的确，在经历了之前数代产品的努力耕耘之后，P20 Pro在手机相机上确实拥有了行业顶尖的水平，可以说是华为硬件创新、技术积累和优良调教的结合产物。
虽然华为P20 Pro将手机相机带到了一个全新的高度，但相对于专业相机而言，前者还存在相当大的提升空间，硬件的突破创新、算法的优化调整以及AI技术的深入应用都可以为手机相机带来更进一步的变革，在此过程中，如何针对手机来打造更为精密且使用的硬件，提出更加多元化的解决方案并利用高效算法及人工智来协调组件工作、分析处理数据并最终转化为成像水平的提升将会成为整个产业链的挑战。尽管如此，苹果、谷歌、三星、索尼和华近几年来已经在不同领域和方向上通过不断的耕耘积累为探索更多的可能性做好了准备，我们仍然可以期待不久的将来就会有超越P20 Pro的产品出现。
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