像素≠清晰度 手机摄像头基础知识解析

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　　毋庸置疑，现今拍照已成为手机最重要的功能之一，也是消费者购买手机时的重要考量因素。甚至从某种程度上来说，手机已经替代专业的相机，成为我们日常生活中最主要的拍摄工具。因此，在核心硬件玩到发烧之后，手机厂商们又开始把心思放在了大家关注的拍照功能上。

　　“XXX像素”、“XXX传感器”、“XXX镜头”、“XXX光圈”，当面对这些被疯狂叫嚣的相机卖点时，作为并不精通相机的普通消费者，很多人变得茫然，开始只会做加减算法，似乎最高的就是最好的，而关于这些参数所代表的真正意义，却并不了解。

　　所以，为了让大家掌握一些基本的手机摄像头知识，今天笔者就以市面上几款热门手机为例，对手机摄像头构成、成像要件进行简要的解析，感兴趣的朋友可以观看下文。

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　　像素≠清晰度

　　手机摄像头的构成

　　首先，我们来了解一下手机摄像头的构成。需要注意的是，尽管我们将其称为“手机摄像头”或“手机相机”，但实际上，它的构成组件和工作原理与传统数码相机无异，只是体积较小，所以“手机的数码相机”的称谓才是完整、正规的。

手机摄像头

　　像素

　　“像素”似乎是我们最熟悉的相机参数，在了解某款手机的相机时，首先看到应该的就是“XXX万像素”，多数厂商也会把它当做首要的宣传点，那么这个像素究竟意味着什么呢？

　　“像素”指的是相机传感器上的最小感光单位，而我们通常所说的“XXX万像素”实际是指相机的分辨率，其数值大小主要由相机传感器中的像素点（即最小感光单位）数量决定，例如500万像素就意味着传感器中有500万个像素点，和手机屏幕中的像素数量决定屏幕是720p或1080p分辨率是一个道理。

传感器上的像素点模拟图

　　像素决定照片质量？

　　人们通常会以为相机像素越高，拍的照片就越清晰，实际上这是很片面的。相机的像素唯一能决定的是其所拍图片的分辨率，而图片的分辨率越高，只代表了图片的尺寸越大，并不能说明图片越清晰。

　　刨除其它因素，1300万像素摄像头和800万像素摄像头所拍的图片，在电脑屏幕上呈现的只是尺寸不同，而清晰度几乎是没有区别的。

　　不同的是，手机上查看图片时，屏幕一般会将两张图片缩放至同一尺寸，此时1300万像素摄像头所拍图片会拥有更高的像素密度（每英寸屏幕所拥有的像素数），理论上来讲，清晰度更高、画面细节更丰富。

　　但是当前主流的手机屏幕为1080p级别（1920×1080像素），无论是1300万像素相机所得的4208×3120像素照片，还是800万像素摄像头的3200×2400像素照片，都超出了1080p屏的解读范围，最终都会以1920×1080像素显示，所以肉眼所看到的清晰度也是没有区别的。

　　那么高像素的优势在哪里呢？

　　如前文所言，更高像素的相机所拍图片的尺寸更大，假如我们想把样张打印出来，以常规的300像素/英寸的打印标准来计算，1300万像素相机所拍的4208×3120像素样张，可打印17英寸照片，而800万像素相机的3200×2400像素样张，打印超过13英寸的照片就开始模糊了。很显然1300万像素相机样张可打印的尺寸更大。

　　总之，像素不能决定照片质量，或者说像素并不是决定照片质量的唯一要素。在电脑、手机屏幕等主要查看路径上，1300万像素相机、800万像素相或者更高的1600万像素、2070万像素所拍照片的清晰度表现都是没有区别的。

　　所以，如果你对手机拍照的需求仅限于日常记录和分享，那么市面上配备800万像素、1300万像素摄像头的主流千元手机，就能完全满足你对照片清晰度的要求，而不必跟风追求更高的像素数。

　　但如果你对图片有特殊需求，比如说冲印或后期裁剪作图，那么笔者就向你推荐Lumia 1020这款手机。

Lumia 1020镜头特写

　　Lumia 1020是目前摄像头规格最高的手机，它的感光元件拥有4100万像素成像能力，裁剪成我们常见的方形图片后，在4:3画幅时最大可生成3800万像素的照片，而在16:9画幅时则可生成3400万像素的照片。

lumia 1020

　　其中，3800万像素的图片，在72像素/英寸的分辨率下，成像尺寸相当于将近70个15英寸显示屏的面积的总和，也就是如果你觉得你照的还OK，你可以把它冲印成巨型海报都行，这使得Lumia 1020在细节表现力上对普通手机有着近乎碾压式的优势。

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　　传感器最关键

　　既然像素不是决定图片质量的关键因素，那么谁才是呢？答案是传感器。

　　我们知道，在数码相机还未兴起的时候，传统相机都使用“胶卷”作为其记录信息的载体，而数码相机的传感器就等同于“胶卷”。传感器是相机最重要的组成部分，也是最关键的技术。

　　相机传感器主要分两种，CCD和CMOS。CCD传感器虽然成像质量好，但是成本较高，并不适用于手机，而CMOS传感器凭借着较低的功耗和价格以及优异的影像品质，在手机领域应用最为广泛。

CMOS传感器

　　CMOS传感器又分为背照式和堆栈式两种，二者系出同门，技术最早都由索尼研发，索尼背照式传感器品牌名为“Exmor R”，堆栈式传感器为“Exmor RS”。

　　相对来说，传感器尺寸越大，感光性能越好，捕捉的光子（图形信号）越多，信噪比越低，成像效果自然也越出色，然而更大的传感器却会导致手机的体积、重量、成本增加。

相机、手机传感器尺寸对比

　　背照式传感器的出现，有效的解决了这个问题，在相同尺寸下，它使传感器感光能力提升了100%，有效地改善了在弱光环境下的成像质量。所以，之前在选购拍照手机时，用户都会首先考虑摄像头是否应用了Exmor R背照式传感器。

背照式与正照式传感器对比

　　2012年8月，索尼发布了全新堆栈式传感器（Exmor RS CMOS），需要注意的是，它和背照式传感器并非演进关系，而是并列关系，堆栈式传感器的主要优势是在像素数保持不变的情况下，让传感器尺寸变得更小，也可以理解为，在与背照式传感器的像素数相同时，堆栈式传感器的尺寸会更小，从而节省了空间，让手机变得更薄、更轻。

背照式和堆栈式传感器对比

　　相比而言，背照式传感器的优势在于，在与堆栈式传感器的像素数相同时，虽然传感器尺寸更大一些，但单个像素点面积（单个感光面积）也会更大，从而使感光性能提升，自然暗光拍摄效果也就更好，整体成像效果更出色。

　　所以，两者各有特色、各有优劣，不能简单加以好坏之分，关键还要看厂商在传感器尺寸和感光能力上如何取舍。

　　从传感器而言，笔者向大家推荐的手机是索尼最新旗舰机型--Xperia Z2，俗话说近水楼台先得月，该机独占了索尼最先进的1/2.3英寸大型Exmor RS堆栈式传感器（目前尺寸最大的堆栈式传感器），像素数高达2070万，并配备索尼单反相机专用G镜头。

索尼Xperia Z2镜头特写

　　其优势是善于捕捉场景光线，充分利用相机镜头的强大功能拍出超高解析度的图像，并拥有更高的感光度、减少噪声，确保图像平滑清晰，以更高的逼真度再现拍摄细节。

索尼Xperia Z2

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　　镜头:多多益善

　　镜头是将拍摄景物在传感器上成像的器件，相当于相机的“眼睛”，通常由由几片透镜组成，光线信号通过时，镜片们会层层过滤杂光（红外线等），所以，镜头片数越多，成像就越真实。

手机镜头

　　从材质上看，镜头可分为塑胶透镜（Plastic）和玻璃透镜（Glass），玻璃透镜透光性以及成像质量要更好，但成本也更高，所以手机镜头大多由塑料镜片组成。

　　假若镜头由5层塑料镜片组成，我们就称其为5P（Plastic）镜头，而如果镜头由4层塑料镜片+1层玻璃镜片组成，我们就应当称其为4P1G镜头。不过由于行业对此缺乏统一的认知标准，通常会把5P镜头理解为由5层镜片组成的镜头，即使是4P1G镜头也会将其称为5P镜头。

　　目前市面上的手机大多采用5P或6P镜头，例如小米3就采用了5P镜头（4层塑料镜片+1层蓝玻璃滤光镜片），而小可乐则采用了更高级的6P镜头（5层塑料镜片+1层蓝玻璃滤光镜片），理论上来讲，小可乐的镜头成像更真实。

小米3的5P镜头

小可乐手机的6P镜头

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　　光圈:还是大了好

　　除了过滤杂光外，镜头还决定了一个非常重要的相机参数，光圈。

　　光圈由镜头中几片极薄的金属片组成，可以通过改变光圈孔的大小控制进入镜头到达传感器的光线量。光圈的值通常用f/2.2、f/2.4来表示，数字越小，光圈就越大，两者成反比例关系。

光圈演示图

　　它的工作原理是，光圈开得越大，通过镜头到达传感器的光线就越多，成像画面就越明亮，反之画面就越暗。因此，在夜拍或暗光环境下，大光圈的成像优势就更明显。

　　除了控制通光量，光圈还具有控制景深的功能。生活中，我们时常会看到背景虚化效果很强的照片，不仅突出了拍摄焦点，还具有很唯美的艺术感，而这就是所谓的景深。光圈开的越大，景深越小，背景虚化效果就更明显。

小景深（背景虚化）效果图

　　所以，我们在选购拍照手机时，应该优先选择光圈更大的产品。

　　目前市场上的手机大多采用了f2.4、f/2.2或f2.0大光圈，而联想VIBE Z的光圈则达到了f1.8，是现今光圈最大的手机。

联想VIBE Z采用f1.8大光圈

　　联想VIBE Z拥有前后双摄像头，其前置摄像头为500万像素，而后置摄像头达到了1300万像素（带有双LED闪光灯），并采用IMX135索尼新一代堆栈式传感器，拥有F1.8超大光圈，相比F2.2光圈镜头进光量增加了49%，可以为用户带来更好的弱光成像表现。

联想VIBE Z

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　　ISP芯片是“大脑”

　　在说ISP（Image Signal Processing 中文译为“图形信号处理”）之前，我们先来了解一下手机的拍照过程。按动快门后，光线从镜头进入，到达传感器，传感器负责采集、记录光线，并把它转换成电流信号，然后交由ISP图形信号处理器（以下简称ISP芯片）进行处理，最后由手机处理器处理储存。

　　所以，ISP芯片是拍照过程中的运算处理单元，其地位相当于相机的“大脑”。

　　ISP芯片的作用就是对传感器输入的信号进行运算处理，最终得出经过线性纠正、噪点去除、坏点修补、颜色插值、白平衡校正、曝光校正等处理后的结果。ISP芯片能够在很大程度上决定手机相机最终的成像质量，通常它对图像质量的改善空间可达10%-15%。

　　ISP芯片分为集成和独立两种，独立ISP芯片处理能力优于集成ISP芯片，但成本更高。

　　一、集成ISP芯片

　　当前的手机大多采用处理器附带的集成ISP芯片，也就是ISP芯片集成在手机的处理器里。目前高通骁龙系列、英伟达Tegra系列处理器内部都集成有ISP芯片。例如索尼xperia Z2、OPPO Find5就是采用了高通处理器附带的集成ISP芯片。

集成ISP芯片的高通骁龙处理器

　　采用处理器配套的集成iSP芯片优势是降低了手机的研发和生产成本，但缺点是：1、优秀的处理器厂商并不一定擅长开发ISP芯片，其成像质量不如独立ISP芯片；2、无法保证与所选用的传感器契合，两者如果配合不好，对成像质量是有负作用的，这就限制了手机对传感器的选择；3、当前相同价段的手机大多采用相同的处理器，相同的处理器就意味着相同的ISP方案，这就导致严重的同质化现象。

　　不过这其中也有一个特例，那就是iPhone，众所周知，iPhone搭载的是自家的苹果处理器，所以，尽管iPhone采用了集成ISP芯片，但以上缺点却是不存在的。

　　二、独立ISP芯片

　　独立ISP芯片是独立于处理器而存在的，虽然成本较高，但优势也是比较明显的。除了运算能力、成像质量更优秀外，一般的独立ISP芯片都是手机商向ISP提供商定制的，所以与相机其他组件的契合度更佳，成像也有属于自己的风格、特色。

富士通MB91696AM独立图像信号处理器结构框架

　　目前富士通是主要的独立ISP芯片提供商，三星GALAXY S4就是采用了富士通的独立ISP芯片。

富士通独立ISP芯片

　　所以，从ISP芯片的技术高度而言，笔者向大家推荐的是采用独立ISP的三星GALAXY S4这款手机。

三星GALAXY S4

　　三星GALAXY S4内置200万像素前置+1300万像素后置摄像头，采用3.06英寸索尼Exmor RS堆栈式传感器，加入F2.2光圈，配置属一流水平。另外，GALAXY S4还支持前后摄像头取景拍照、有声拍照、动态拍照、轨迹拍照等功能。

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　　软件算法很重要

　　除了ISP芯片处理外，软件算法同样对手机成像效果起到至关重要的作用。

　　ISP芯片对传感器输入的电流信号进行处理后，首先会生成未经加工的原始图像，而软件算法就好比对原始图像在内部进行了一番“PS”，优化图像的色彩、色调、对比度、噪点等，最后生成我们所看到的jpg格式图片。

　　当然，由于每个人的PS技术和风格都不一样，所以即便是同一张照片，每个人最终也都会P成不同的风格。同理，每部手机的软件算法不同，最终的成像效果和风格也是不一样的，比如vivo手机通常会提升对比度，而iPhone则追求自然的效果。

　　最重要的是，如果软件算法优秀，就可以把图片优化的很漂亮。

　　我们都知道iPhone 5s的相机配置并不高，像素仅为800万，背照式传感器和自家集成ISP芯片在技术上虽然很优秀，但也绝不是顶尖级别，那么为何iPhone 5s的整体成像素质是最优秀的呢？这除了iPhone 5s的单个像素面积高达1.5微米外，主要归功于iPhone 5s的软件算法比较优秀。

软件算法是iPhone 5s的杀手锏

iPhone 5s

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　　闪光灯哪个好？

　　闪光灯是增加相机曝光量的方式之一，在暗光环境下会打亮周围景物，从而弥补光线不足，提升画面亮度。另外，在光线复杂的环境下，利用闪光灯可以去除杂光，使照片的色彩还原更为真实。

　　目前应用于手机的闪光灯主要有两种，LED补光灯和氙气闪光灯。

　　LED补光灯成本低廉、补光效果明显，在手机中的应用最为广泛，有些手机甚至还配备了双LED补光灯。普通的双LED补光灯除了使亮度增加外，跟单个LED补光灯没有实质性的区别，而iPhone 5s的双True Tone闪光灯则有很大不同。

　　iPhone 5S的双True Tone LED补光灯并不仅是为了提供更多的光线，更重要的是为了提供更准确的光线颜色。白色LED补光灯通常只会模仿阳光的颜色来提供光线，往往导致画面偏蓝、偏冷等色彩失实的问题，而iPhone 5s在白色补光灯下又增加了一枚琥珀色闪光灯，两者分别提供不同色温的光线，从而使光线达到平衡，混合后便获得跟拍摄场景吻合的理想画面色彩。

iPhone 5S采用双True Tone LED补光灯

　　氙气闪光灯是一种含有氙气的新型闪光灯，它可发出非常接近太阳光的光线，不过由于其成本较高，在手机中的应用率较低，诺基亚Lumia 1020就是采用了氙气闪光灯。

氙气闪光灯

　　所以，综合而言，目前较为优秀的、且适用于手机的闪光灯依然是iPhone 5s所采用的双True Tone闪光灯。不过此处笔者首推的不是iPhone 5s，而是中兴新发布的星星1号手机，它同样采用了双True Tone闪光灯和内置800万像素前置摄像头，而售价却仅为1399元。

星星1号手机

　　总结：

　　写到这里，决定手机成像质量的主要摄像头组件就大致介绍完毕了，相信耐心开完本文的朋友会对手机拍照方面的知识有一个更加清晰、深刻的理解，也希望大家此后在选购拍照手机时，能够正确认识厂商所宣传的卖点，比如像素并不代表一切。

　　最后，由于手机摄像头方面的专业性太强，本文借鉴了很多专业网站的内容，其中的很多技术、观点，可能会存在争议，希望大家能够积极留言讨论。

camio

奸商太感人了。

其实是知道像素不等于成像质量的，

不过被长期轰炸，

忽忽悠悠就变成选购手机的标准了……

必水目

奸商太感人了。

其实是知道像素不等于成像质量的，

不过被长期轰炸，

忽忽悠悠就变成选购手机的标准了……

camio

话说你被吹雪坑了，光收钱没动作啊

必水目

是呀，坑死了、、

Exer

奸商太感人了…

camio

发帖讨伐他

必水目

算了。。

Tablets

这篇文章还是较业余级的写作。作者不懂得 Lumia 1020 3800万像素其实每个像素的尺寸非常小，只是1.x微米，在大尺寸打印下其成像品质不足一面会暴露无疑，这终究还是一个Webcam, 并非一个高级相机。

从光学上讲，镜头的空间频率特性相当于一个带通滤波器，其高端截止频率是有限制的，并非是无限的；那么一旦每个像素的尺寸过小，你想要真正记录下每个像素有效的位置信息，就需要镜头的空间频率特性(分辨率)远超过现有的这些webcam 镜头，这不仅webcam 镜头做不到，连高级相机镜头也做不到。

所以，疯狂地提高传感器几千万像素并不等于实际记录的图象的有效（真实）分辨率，以现有的webcam 镜头性能看，传感器最好保持在2微米左右，(无关几百万或几千万，那只是“理论上”最大可打印尺寸的差异, 没有消费者想用手机webcam 的图象去打印巨幅照片)。

换句话说，一块2微米传感器减小像素尺寸为1微米, 听上去总像素提高到原来的4倍，但实际的成像分辨率是否提高至4倍？ 完全不是，很可能只是提高至原先的1.2 或1.3倍, 如果镜头品质不高, 甚至可能实际成像分辨率根本没有提高, 还可以导致其他性能下降.

另一方面, 更小的像素尺寸也很容易带来某些成像性能变劣, 比如更坏的紫边, 比如信噪比下降(小的像素尺寸永远意味着更低的信噪比), 其次由于Webcam 镜头品质通常很有限, 于是通过固件以软件方法矫正某些容易可见的成像缺陷, 但这样一来导致实际成像分辨率更坏, 今天还没有那一款软件图像矫正能够不降低实际成像分辨率.

高级相机的镜头通常有更严格的要求, 比如光学几何畸变矫正, 不是一味通过相机软件矫正.

APS-c 相机传感器应保持在3.9微米以上, 35mm 格式传感器最好是5 - 6微米，以保持这些相机的成像品质， 这远非webcam Lumia 1020 3800万像素成像品质可比，根本不可相比。

此外，文章还写道：“信噪比越低，成像效果自然也越出色”， 作者是否对基本技术知识有正确的概念？ 怎么会写出“信噪比越低越好” 这样的论述？

[ Edited by  Tablets on 2014-4-27 18:22 ]

Tablets

国内某些写手还习惯盲目引用DxOMark 得分排名来定论成像品质，这种生搬硬套恰好是喝进了DxOMark 最糟糕的迷魂汤。

DxOMark的得分排名手法有很多缺陷，在国外也一直有争议。其中最显著的问题是他们评价传感器有很糟糕的一个手段：他们把所有测试结果“归一化”至8x12英寸/8MP（近似A4)尺寸打印效果来评分，而且他们的测试数据网页默认就是归一至8x12英寸/8MP的数据，读者如果不明就里只是阅读这些数据那就会上当。

试想，如果“归一化”至4x6英寸/2MP，你还能容易分辨出一个1/2.3"传感器和一个35mm传感器的实际成像的差异吗？但由此手法DxOMark 可以得出一个Webcam 和一个35mm 传感器的相机两者排名得分“旗鼓相当”，这不是十足的误导还是什么？

人们买大像素尺寸、大尺寸传感器的高级相机当然不会只是要求比较A4尺寸打印品质，有很多差异在8x12英寸/8MP会被隐藏，一旦按照150ppi, 300ppi 打印至最大可打印尺寸，所有差异会暴露无遗。

我已经很久不再浏览DxOMark，觉得他们已经没有多少实际价值。相比之下，我宁愿浏览参考Imaging Resource的测试和他们测试中很专业地拍摄的Studio图片，这些恰恰是DxOMark不具备的。表面上似乎DxOMark很“专业”，其实某种程度上非常伪科学，背离实际。

如果你要浏览DxOMark，唯一有用的是点击其测量数据页面上的“Screen”按钮，读取其真实的[像素级]的传感器测试数据。当然还需要注意，即使是这些DxOMark[像素级]数据，但仅仅提供了诸如SNR18%, DR, TR, Color Sensitivity, ISO Sensitivity, 以及Full SNR, Color Response，Full CS 等。“Screen”按钮下[像素级]的这些数据是有参考价值的，但这些并不反映实际成像的分辨率和清晰度(没有相关数据)，从这一点上说，DxOMark的得分排名也是缺乏真实价值的(他们的得分排名不反映实际成像分辨率和清晰度)。

归纳来说，一款相机产品的好的成像品质必须从每一个像素的优良成像质量做起，而不是用归一化8MP来隐藏缺陷并获得无意义的得分排名。
而要做到每一个像素的优良成像质量那么在相同传感器尺寸下总像素密度不宜过高，也就是说像素的尺寸不能过小；反之，更大尺寸传感器同时更大尺寸像素一定是有利的。
但大尺寸传感器在手机Webcam 上难以采用，也难以配套高性能镜头，这些受到物理体积限制。那么，想要真正高品质的成像，使用合适的相机是必不可少的，而非Webcam.

zdp7138

看着有点晕