在每一場手機(jī)發(fā)布會上，廠商們總是用絢爛的光影交織方式揭開他們最新款旗艦機(jī)的攝像頭模塊。我們或許會聽到這樣的話術(shù)：“這款手機(jī)擁有史無前例的2億像素攝像頭”，“我們突破了智能手機(jī)攝像技術(shù)的新極限”，“這一次，我們將專業(yè)級的攝影體驗帶到了你的口袋”。伴隨著這些華麗的辭藻，巨大屏幕上展示著令人驚嘆的樣張，分毫畢現(xiàn)的城市夜景、栩栩如生的人像攝影以及宛如高清電影般的動態(tài)影像。

然而，這些賣點背后究竟隱藏著怎樣的技術(shù)進(jìn)步？手機(jī)成像功能發(fā)展到如今僅有20多年，從最早的VGA攝像頭（30萬像素）到今天的億級像素，我們見證了手機(jī)攝像頭的飛躍式提升。但在我們深入探討手機(jī)拍照技術(shù)的進(jìn)步之前，有必要追溯手機(jī)攝像頭最初的面貌，以及它如何從“可有可無”的功能，進(jìn)化為今天的智能手機(jī)標(biāo)志性核心競爭力。從多攝像頭組合、計算攝影，再到人工智能算法增強(qiáng)，手機(jī)拍照技術(shù)的飛速發(fā)展究竟經(jīng)歷了哪些里程碑？

表 2000-2024 年手機(jī)拍照功能發(fā)展

手機(jī)攝像頭像素：聽起來唬人，但不能以大小作為唯一評判標(biāo)準(zhǔn)

我們先從最基礎(chǔ)的概念——像素，開始了解。

圖 標(biāo)準(zhǔn)RGB

簡單來說，像素是構(gòu)成圖像的最小單位，每張照片都是由無數(shù)個小方塊（像素）拼接而成的。像素越多，照片就可以顯示出越多的細(xì)節(jié)，這意味著照片的分辨率越高。在手機(jī)拍照的早期階段，像素數(shù)的提升的確帶來了更清晰的照片效果，因為那時的像素數(shù)太低，照片容易變得模糊不清。

隨著像素數(shù)從數(shù)百萬級逐漸增加到億級，問題開始變得復(fù)雜起來。更高的像素數(shù)可以讓照片捕捉到更多的細(xì)節(jié)，但并不意味著照片的畫質(zhì)一定會更好。用戶或許已經(jīng)注意到，有時候高像素拍出來的照片依然感覺“不夠好”，這是因為像素數(shù)本身只是影響成像質(zhì)量的一個因素，而傳感器的尺寸、像素密度、光線條件、鏡頭質(zhì)量等其他因素同樣也很重要，甚至更加關(guān)鍵。

像素密度是指單位面積內(nèi)包含的像素數(shù)量，如果手機(jī)的傳感器面積較小，卻放入了過多的像素，導(dǎo)致像素密度過高，結(jié)果就是每個像素只能捕捉到極少的光子，特別是在夜晚或低光環(huán)境下，畫質(zhì)會迅速惡化。這就好比一個小水桶接住大雨，它接到的水有限，無法與大水桶相比。而且高像素照片更加依賴于高質(zhì)量的光學(xué)鏡頭。即便像素再高，如果手機(jī)鏡頭的光學(xué)素質(zhì)不夠好，照片便會模糊失真。

鏡頭越做越大：背后的技術(shù)邏輯

從早期的單攝像頭到如今的多攝像頭組合，甚至有些手機(jī)攝像頭的厚度已經(jīng)接近手機(jī)整體厚度的一半。為什么手機(jī)鏡頭越做越大？

這個問題的背后不僅涉及硬件的進(jìn)步，還有物理光學(xué)的局限性和挑戰(zhàn)。

圖 手機(jī)鏡頭光學(xué)系統(tǒng)，(a)手機(jī)鏡頭光學(xué)系統(tǒng)組成，(b)手機(jī)鏡頭傳感器

傳感器作為手機(jī)攝像頭的核心部件，負(fù)責(zé)接收從鏡頭進(jìn)入的光線。傳感器越大，它能夠捕捉到的光線就越多，照片的細(xì)節(jié)也就越豐富。就像在黑暗的房間里開窗戶，窗戶越大，進(jìn)來的光越多，你看得也就越清楚。但是，光線不可能憑空進(jìn)來。為了讓更多光線進(jìn)入傳感器，鏡頭的口徑也必須增大，這樣才能捕捉更多的光。大鏡頭也有助于更好地控制動態(tài)范圍，也就是動態(tài)范圍指的是圖像中最亮和最暗部分之間的細(xì)節(jié)差異。當(dāng)動態(tài)范圍較大時，照片中的亮部和暗部都能清晰顯示，而不是讓亮的部分過曝、暗的部分完全漆黑。我們可以理解為，當(dāng)鏡頭能夠捕捉到更多的光線細(xì)節(jié)，就能讓照片看起來“亮中有暗，暗中有亮”，細(xì)節(jié)更豐富。而傳感器尺寸增加的背后不止是對進(jìn)光量的追求，還涉及到一系列復(fù)雜的物理性能問題。

滿阱容量是一個重要因素，即每個像素點能容納的光電荷數(shù)量。當(dāng)拍攝亮度對比強(qiáng)烈的場景時，像素滿阱容量越大，傳感器能夠記錄的亮部細(xì)節(jié)就越多，避免高光區(qū)域過曝。所以大鏡頭也有助于更好地控制動態(tài)范圍，也就是分辨圖像中最亮和最暗部分之間的細(xì)節(jié)差異。當(dāng)動態(tài)范圍較大時，照片中的亮部和暗部都能清晰顯示，而不是讓亮的部分過曝、暗的部分完全漆黑。我們可以理解為，當(dāng)鏡頭能夠捕捉到更多的光線細(xì)節(jié)，就能讓照片看起來“亮中有暗，暗中有亮”，細(xì)節(jié)更豐富。

此外，傳感器還面臨著各種噪聲的挑戰(zhàn)。例如光子噪聲這種自然界的隨機(jī)現(xiàn)象。即便是在同樣的光照條件下，不同時間內(nèi)傳感器接收到的光子數(shù)量也會有輕微波動。這種波動直接影響到圖像的亮度和色彩表現(xiàn)，而更大的傳感器通過接收更多光子，也就可以有效減小光子噪聲的相對影響，讓低光環(huán)境下的圖像更加平滑自然。

為了克服體積限制，手機(jī)廠商采用了兩種非常有趣的方式來改善拍照效果：多攝像頭組合和可變光圈。所以我們可以理解，為什么現(xiàn)在很多手機(jī)不僅僅有一個攝像頭，而是配備了多個攝像頭，如超廣角攝像頭、長焦攝像頭、甚至微距攝像頭。這些攝像頭的任務(wù)各不相同，通過協(xié)同工作，它們可以拍攝到不同焦距、不同光線條件下的圖像。

有些高端手機(jī)還配備了可變光圈，可以根據(jù)光線情況調(diào)整進(jìn)光量。白天光線充足時，光圈會變小，減少進(jìn)光量，避免照片過曝；而在夜晚，光圈會自動放大，捕捉更多光線，讓照片更明亮。這種智能光圈調(diào)整方式類似于人類的瞳孔，它會根據(jù)光線條件自動變大變小，以獲得最佳的光線效果。

智能光學(xué)：手機(jī)如何通過算法“提升”拍照效果？

手機(jī)攝像技術(shù)的進(jìn)步不僅僅依賴于硬件的創(chuàng)新。隨著智能手機(jī)計算能力的飛速提升，手機(jī)拍照越來越多地依賴于通過算法來增強(qiáng)和優(yōu)化照片質(zhì)量，實現(xiàn)“物理上不可能”的效果的。

1) 計算攝影的核心：不僅是拍照，更是“計算”

當(dāng)我們按下快門鍵時，手機(jī)便會利用強(qiáng)大的處理器和算法，將多張照片信息融合起來，并進(jìn)行復(fù)雜的圖像優(yōu)化，包括曝光優(yōu)化、色彩優(yōu)化、細(xì)節(jié)增強(qiáng)等，通過多張照片的合成，增強(qiáng)邊緣和紋理的細(xì)節(jié)，使得照片看起來更加清晰、銳利。

2）場景識別：讓每張照片自動調(diào)整到最佳狀態(tài)

手機(jī)上的算法能夠?qū)崟r分析我們所拍攝的場景，然后根據(jù)具體情況自動調(diào)整相應(yīng)的設(shè)置。比如說當(dāng)我們拍攝一張風(fēng)景照時，手機(jī)能夠識別出天空、地面和植被等不同元素，并且會針對每個部分優(yōu)化顏色表現(xiàn)。這樣一來，天空的藍(lán)色會更加明亮、層次分明，而地面的細(xì)節(jié)也能夠得到保留，不至于因為過度曝光而丟失。與傳統(tǒng)的相機(jī)相比，這種自動化的場景識別減少了用戶需要調(diào)整設(shè)置的麻煩，幾乎是按下快門的同時，手機(jī)就幫你完成了所有調(diào)整。這使得拍攝體驗變得更加輕松，哪怕我們作為攝影新手也能輕松拍出不錯的照片。

3）實時優(yōu)化：拍視頻時的畫質(zhì)提升

除了靜態(tài)照片，算法在視頻拍攝中也發(fā)揮了重要作用?，F(xiàn)代智能手機(jī)通過實時優(yōu)化，能夠在我們錄制視頻的過程中對每一幀畫面的光線、顏色和動態(tài)范圍進(jìn)行調(diào)整。例如，“智能HDR”以及“實時HDR+”功能，都是通過算法來分析每一幀畫面，確保視頻的亮度、對比度和色彩表現(xiàn)始終處于最佳狀態(tài)。

圖 HDR 處理前后對比

從組圖中可以發(fā)現(xiàn)，在長曝光圖像中出現(xiàn)了過度曝光，天空細(xì)節(jié)丟失，短曝光圖像在左側(cè)標(biāo)記區(qū)域存在陰影，細(xì)節(jié)表現(xiàn)不夠，而融合后的圖像在過曝光部分和欠曝光部分都有比較好的細(xì)節(jié)表現(xiàn)，視頻中斑馬線上的行人和車在運動的過程中，沒有出現(xiàn)鬼影現(xiàn)象。

這意味著無論光線變化多快，手機(jī)都能根據(jù)場景變化及時調(diào)整參數(shù)，避免過曝或欠曝的情況出現(xiàn)。我們不再需要擔(dān)心因為光線不穩(wěn)定導(dǎo)致畫面模糊或失真，手機(jī)自然會確保視頻的每一幀都清晰、色彩飽滿。此外，許多手機(jī)已經(jīng)具備了算法防抖功能，它能夠通過分析每一幀畫面中的運動信息，智能補(bǔ)償手持拍攝時的細(xì)微抖動，最終呈現(xiàn)出更加平穩(wěn)流暢的視頻。

未來已來：手機(jī)攝影的展望

隨著AI技術(shù)的發(fā)展，手機(jī)攝像也在飛速升級迭代。AI在圖像處理中的應(yīng)用正在為計算攝影注入新的活力。從智能場景識別、個性化美顏，到實時視頻優(yōu)化，AI讓我們拍攝的每一張照片、每一段視頻都更加接近理想狀態(tài)。未來的手機(jī)攝影不僅會更加智能，還會賦予用戶更多的創(chuàng)作自由，讓攝影變得更加有趣和充滿可能性。

參考文獻(xiàn)

田雅濤.基于多幀曝光圖像的HDR設(shè)計方法研究[D].西安電子科技大學(xué),2021.

李兆.基于自由曲面的手機(jī)鏡頭光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計[D].西安工業(yè)大學(xué),2024.