博海拾贝 文摘 摄像头上的战争

摄像头上的战争

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在B站上,有一类预测iPhone未来长相的视频:后置摄像头越来越多,以至于机背长得和“百眼魔君”蜈蚣精近乎一致。

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这一共同想象的背后,是手机后置摄像头数量的增长速度,最为肉眼所见。

这相当明显地反映在了手机成本上。iPhone13 Pro Max的相机成本77美元,为iPhone4的十倍,同期零件总成本仅翻了一番。三星在2020年2月发布的S20 Ultra,仅摄像头模组成本就达107.5美元,超过总成本的20%。

智能机市场竞争愈发激烈,摄像头上的战争趋向内卷。从1999年夏普发布第一款带有摄像头的功能机,到2019年华为在智能机摄像功能上独领风骚,手机摄像头经历了四个时期:

前智能机时代:萌芽

iPhone4时刻:单摄的进化

双摄混战:HTC引发的摄像头革命

双雄对决:华为VS苹果

01
萌芽

2000年9月,夏普发布了世界上第一款内置CCD摄像头手机J-SH04。

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这是一款充满时尚感的手机。在功能机时代,夏普与诺基亚并驾齐驱,而且因为掌握液晶显示技术,早在1999年底推出了第一款采用彩色液晶屏的手机,创新力十足。在此基础上,夏普在机背后又加了一颗11万(96*130)像素的摄像头,采取当时主流相机采用的CCD芯片-摄像头方案。

把相机用的摄像头芯片放到手机上来,成为之后手机摄像头创新的基本思路。

不过,放到当时的技术环境,夏普的吃螃蟹之举,更像是给手机增添一个外围性质的卖点。相比于正在兴起的CIS芯片路线,CCD芯片需要大得多的面积才能有清晰的成像,单纯把CCD芯片迁移到手机上,因为面积锐减,而且没有闪光灯,也没有自动对焦,几乎只能得到一张马赛克式的照片,仅供自娱。

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虽然成像效果糊的感人,销量也不好,夏普还是在其后继续死磕,并做了两次大手笔升级。先是在2003年,推出了100万像素摄像头,然后在2004年,推出了两倍光学变焦。是不是有些恍如隔世,毕竟也就是12年后,苹果方才推出了引领机圈风潮的两倍光学变焦。

夏普对于摄像头的痴迷在2008年达到高潮。当年发布的9020c功能机型,摄像头从此前落后的CCD切换到了轻薄小巧却性能强大的CIS芯片,参数配置高达500万像素,与两年后的iPhone 4齐平。正是因为夏普的先锋尝试,9020c一经发布一机难求,广受中国大陆的年轻白领追捧,以至于在二手市场需要加价两百多高至5200元才能购入。

但是,相比于功能机潮牌厂商的激进实验,同一时期处于萌芽状态的智能机,摄像头尚未成为共识。

2004年下半年,财大气粗的微软,借由宏达电子(也就是后来的HTC)之手试水手机市场,推出搭载了微软操作系统的机型Pocket PC Phone。这个名字听起来有点不伦不类,在美国通过运营商渠道销售,是早期较为主流的智能机。在起步尝试中,微软搞错了重点,试图把Windows系统从PC移植到手机上,一个渠道发售的Audiovox 6601版本没有摄像头,6600版本虽有,竟然是内置的。

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不过,随着摄像头从CCD转向CIS芯片路线,在iPhone即将掀起的智能机风暴,摄像头将会迅速奠定其标准配置的地位。

02
单摄进化

摄像需要一颗图像传感器,负责由被摄物体的光信号向电信号的转换过程。

早在1969年,贝尔实验室发明了CCD,后来由索尼发扬光大,开始广泛地应用在摄像机上。

在手机流行开来后,CCD的适用性急剧下降。根本原因在于,一个轻薄短小的手持便携设备,相比于一个需要扛在肩上的黑长粗大的摄像机,能够容纳电子元件的物理空间大大缩小,由此对图像传感器提出了一个要求:

面积要小、成像要好。

CCD分立存在,不能和信号放大器、图像处理器等其他芯片集成在一块,天生更吃空间。而且,CCD单个像素尺寸大,装到手机上,能够容纳的像素数量实在太少了,成像清晰度自然也很有限。

因此,尽管CCD保留的光信息确更多,信号噪声更少,在像素数量足够多的情况下成像也更清晰真实,但无法满足手机的硬约束。一个轻量级设备,注定无法背着一个重量级的芯片选手,不然会被早早耗死,提前停工。

在这个技术背景下,CIS芯片方案在90年代中发明后,快速替代CCD。CIS芯片面积小、耗电少、还便宜,同时还能把其他功能的芯片也集成到一起,是为手机而生的轻量级全能芯片选手。尽管光信号噪声大,但只要不断往上堆像素数量,总能在同等面积内达成远优于CCD的成像效果。

总的来说,CIS芯片的发展节奏,与手机智能化的整体进度,都是一样快。CIS芯片面积越来越小,像素数量越来越高,成本不断降低,能塞进越来越轻薄的手机里,拍一张好照片越来越容易。

因此,在谷歌成功开发安卓、智能机生态逐渐成型后,摄像头终于成为手机的一项标准配置,且沿着高像素路线迅速发展。

2008年9月,谷歌借由HTC之手发布第一款安卓手机HTCDream/G1,后置一枚300万像素摄像头,采用CIS芯片,支持连拍、自动对焦、视频拍摄等功能。

两年后,划时代的iPhone4发布,后置500万像素摄像头,支持720P视频拍摄。

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重量级选手苹果一上台,便将单个摄像头的成像水准提高到一个新境界,此时尚处于懵懂之中的安卓阵营,应做何应对?

03
双摄混战

在像素数达到500万后,照片分辨率可以达到720P,在手机上,消费者终于可以看到一张足够清晰的照片。接下来,怎么让拍照和拍视频更好看,成为智能手机发展的主要矛盾。

CIS芯片下的单摄路线,马上迎来一个巨大的挑战:在五厘米见方不到的空间摆放摄像头,就像螺蛳壳里做道场,底天生小,感光面积小,图片质量天生要低一截。同等面积下,随着一颗摄像头的像素数量上升,信号中的噪声会增多,反而有可能降低成像质量,该怎么办?

很简单,如果一个不行,那就再来一个。为了解决成像质量的问题,手机厂商开始对双摄路线进行探索,第一个吃螃蟹的,是狗了十年的HTC。

HTC,台塑创始人之女王雪红创建的手机公司,原先是个ODM厂商,只是傍着美国大公司贴牌代工。世纪之初,微软搞手机操作系统,沿用PC打法,意属惠普代工,但HTC坚持做出样机获得认可,后来一度占据微软系统手机80%的市场份额。安卓出世后,嗅觉灵敏的HTC迅速调转船头,又傍上了谷歌的大腿。王雪红专门派出一支工程师团队驻场谷歌,方便随时联络。

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在美国“潜伏”了将近十年时间,HTC依托机海战术和运营商市场,率先扛起了安卓机阵营的大旗,在摄像头路线上正面刚苹果。

2011年,HTC推出全球第一款双摄手机HTCEVO 3D。在《阿凡达》热映的背景下,这款裸眼3D手机噱头不小,但原理颇为简单。两个摄像头犹如人的双眼,在偏光原理作用下,便可使人有立体的观感。

这是安卓阵营双摄的第一枪,没打响,很快就熄火了。裸眼3D的屏幕眩晕感非常明显,反而让HTC陷入了VR的沼泽,至今不能抽身。

三年后,跌了一万亿新台币的HTC已盛极而衰,但还是发布了一个更切实际的【400+200】万像素组合的双摄手机:HTC One M8,其中的200万像素摄像头负责采集景深信息,这样手机便可拍照后对焦,出片效果自带虚化。

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HTC的摄像头思路,总结来说,便是增加数量、重新划定分工,再经软件算法优化,使影像成为智能手机的实质性卖点。

这一次,HTC还是搞砸了,虚化效果PS痕迹很重。但是“多堆一个摄像头”,安卓阵营的玩家可是看明白了,一个比一个赶的紧:

2014年8月,酷派发布铂顿大观5,后置两个1300万像素摄像头,主打150毫秒快速对焦;

2014年11月,荣耀6 Plus发布,后置两个800万像素摄像头,主打“仿生平行双摄”;

2015年8月,360发布奇酷手机,后者两个1300万像素摄像头,主打夜摄,周鸿祎直接在发布会上表示“领先苹果一代”。

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乱拳打死老师傅。HTC之后的三款双摄手机,无一例外都能实现虚化功能,而且像素更大,影像卖点更多。究其原因,摄像头两两组合还是比较容易的,两个彩色摄像头,一个彩色+一个黑白,各有优劣,如果愿意再给供应链多塞点钱上高像素,“超越苹果”其实并没有什么难度。

但是,在诸多追逐双摄潮流的手机厂商中,有一个没有马上安排双摄,那就是荣耀的大哥——华为。

华为和苹果的节奏有点像,都和单摄杠上了。其实,加一颗摄像头是比较容易的,但是吃透一颗摄像头却很难。那时,余承东接手手机业务不久,大刀阔斧改革,新建了不少技术实验室,其中有一个便是聚焦手机拍照性能的芬兰实验室。华为一上来,就想解决摄像原理的一个根本问题。

原来,对于手机这样一个轻量设备来说,成像质量的核心约束在于光。CIS芯片通过滤色镜获取三原色(RGB)信息,经由成千上万个RGB颜色的组合,最终形成一个彩色照片。问题在于,滤色镜本身有固定的颜色排列,光通过的时候一些被过滤,同时也产生信息干扰。华为试图改变滤色镜的颜色排列以增加进光量,从而达到最终提升成像质量的目的。

这就是华为的与众不同之处:

在别人拿着供应链方案花式宣传的时候,他在想着借由对技术原理的深入探索,从性质上对消费者体验产生革命性影响,而非从量上做小修小补。

但是第一次走大步,华为的试验宣告失败。滤光镜颜色排列变了,进光量是更多了,却带来了过曝的问题,成片质量反而下降。过犹不及,华为只得先放下这个激进的技术方案,也走上一般安卓厂商选取的双摄路线。

虽然如此,华为还是用一个颇具噱头的方法提升了双摄的竞争层次。

2016年4月,华为发布P9,搭载两颗1200万像素摄像头,与徕卡合作,自带“徕卡色彩模式”。如果一时半会搞不定摄像原理,那干脆和相机联名,这个举措把安卓阵营拉进了新一轮品牌角逐大赛。华为的双摄虽迟,但联名徕卡算是杀了个回马枪,重新掌握安卓机摄像的话语权。

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安卓阵营全都随大流,苹果在一旁笑了,准备发大招。

04
双雄对决:华为VS苹果

安卓阵营的双摄方案,一直没有解决一个问题:光学变焦,这使得手机在根本上无法与相机比肩。

以往,手机只能实现数码变焦,相比于相机的光学变焦,成像质量差。在相机中,多个镜片来回移动,改变了画面的范围和被摄物体大小,但清晰度是一贯的,是为光学变焦。而手机空间实在狭小,无法实现这一功能,用摄像头去放大物体的时候,画面就变糊了,等于说原来一个像素表达的颜色,现在为多个像素分拆再加以“注水”,是为数码变焦。如果不从摄像头上做出改变,只是用软件和算法来欺骗人眼,大为不足。

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针对这一问题,在2016年9月的发布会上,库克祭出了大杀器:iPhone 7 Plus,后置广角+长焦1200万像素双摄,两镜头可分别实现1倍和2倍的光学变焦,相当于带了两个定焦镜头的相机。至于1~2倍间的变焦,则用算法补足,原理还是数码变焦,但因多了一颗摄像头,广角负责宽景,长焦负责物景,两相互补,称之为混合变焦,成像质量比单纯的数码变焦优越不少。

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此前,苹果一直忙于打磨单个摄像头,在安卓阵营一片“摄像超苹果”的锣鼓喧天中,iPhone7 Plus的革命性双摄方案,属实令机圈震撼,尤其是其变焦过程十分顺滑,拍摄体验极佳,没有强大的算法支持,无法达成此种效果。

实际上,在此前安卓阵营的狂妄叫嚣声中,“忍者神龟”苹果一直在暗暗憋大招。早在2012年,苹果提交了一份双摄专利。到了2015年,苹果以大约2000万美元的代价收购了以色列的LinX,该公司专门生产面向平板电脑和智能手机的小型化多摄,正满足苹果所需。

在终端用户体验导向下,通过不断并购一些专注于关键元器件技术研发的小型科技公司,苹果在电子整机上周期性地积聚革命性的变化,每逢新产品一出,总能震撼全场。

苹果开始在摄像头上卷了起来,安卓阵营纷纷效仿。

华为也不例外。2017年2月,华为在巴塞罗那发布P10/P10Plus,后置【1200+2000】万像素双摄,同样支持两倍变焦,这是中国大陆手机第一次在DxOMark排行榜上进入全球第五,创造了当时国产手机的最高排名。

不止于此,华为一直没忘了要真的干翻苹果,因而对于单颗摄像头的打磨格外在意,着力甚多。

同年10月,华为在慕尼黑发布Mate 10/Mate 10 Pro,摄像头配置不变,但单颗摄像头继续升级。华为一面升级光圈,提升虚化能力;另一面给摄像加上蛰伏已久的芯片buff,麒麟970的NPU能够识别13个场景并自动优化,免去手动切换模式的烦恼。对此,DxOMark给出了97的高分,这个成绩达到了安卓阵营的新高度:

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“吊打”一个月前刚刚发布的iPhone 8 Plus。

在新款iPhone发布后才超越,也是安卓阵营的一贯路数了。华为的不同之处在于,他是国内安卓阵营中第一个,能够先于苹果定出广大消费者欢迎的产品规格。

到了2018年10月,华为在伦敦发布Mate 20 Pro,后置【4000+2000+800】万像素三摄,足以实现3倍光学变焦、5倍混合变焦,成为第一款后置“真三摄”手机。相比于2016年苹果的双摄方案,华为此次加上了一颗超广角摄像头,基本能够满足日常生活的全部拍摄需求。这次,华为登顶DxOMark排行榜。

在短短的一年半间,华为在DxOMark排行榜上一路从第五升到第一,成功屠榜。

也正是在华为登顶铁王座的时刻,来自美国的大棒,不期而至。

05
尾声

发展到今天,手机摄像头上的战争日趋白热化。

iPhone后置摄像头数量的增加明目张胆,在华为逐渐被迫退出市场后,安卓阵营的主要国产选手意识到底层硬件的重要性,纷纷开始进军关乎影像质量的ISP芯片,更为激进的OPPO则是一开始就下了一盘SoC的大旗。

但无论如何,依旧是没有超出华为在数年前的所作所为。可以说,华为凭借一己之力,打通了从软件算法到芯片的一整个链条,强力拉升了手机影像的竞争层次,直到只能自己超越自己。

的确,从具体的影像问题出发,没有什么是加一个摄像头不能解决的,如果两个干不过苹果,那就再加一个。

但是,要在高档机上虎口夺食,要在抽象层面追赶苹果,就必须像华为一样,全方位提升战争的层次。不能对敌人形成质子打压,就不能在黑森林的残酷竞技场逃出生天。

来源:远川科技评论 微信号:kechuangych

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