数码胜过光学?智能手机变焦新思路已经出现

  相信绝大多数朋友在看到这个问题后,可能都会与曾经的我们一样感到有些可笑,甚至嗤之以鼻。毕竟谁不知道数码变焦是台手机都有,而光学变焦却多半是高端机型才有的配置,孰高孰低这不是一目了然吗?

  不错,如果这个问题是放到2019年或者更早些的时候,答案显然是毋庸置疑的。但在2020年5月11日之后,即便是一贯质疑智能手机高像素设计方向的我们三易生活,也不得不感叹一声“时代变了”。因为一款完全没有光学变焦设计的机型,日前却在权威测试中击败了其具备独立光变镜头的前代产品,也颠覆了几乎所有人的认知。

  2020年5月11日,DXOMARK放出了三星Galaxy S20+的相机评测结果。在这份报告中,身为三星当今二号旗舰产品的Galaxy S20+取得了118分的总分,其中拍照部分得分127分,摄像部分得分100分。大体来看,这款机型的静态拍照性能打平了iPhone 11 Pro Max,摄像效果则与iPhone 11 Pro Max、华为Mate 30 Pro,以及自家大哥S20 Ultra不分上下,算是一个表现比预期还要稍微好一点点的结果。

  但是如果大家之前有关注过我们三易生活的相关内容,可能会记得Galaxy S20+这款机型的相机部分,其实是存在着一个相当大的槽点、或者说相当特别的设计,那就是它有一枚6400万像素的“假长焦镜头。

  具体来说,根据官方此前公布的信息显示,Galaxy S20与Galaxy S20+的主摄视场角为79度,长焦镜头视场角为76度。而我们知道,Galaxy S20和S20+此次主摄采用了一颗定制的1/1.76英寸大底1200万像素CMOS,与其长焦镜头所使用的1/1.7英寸6400万像素S5KGW2传感器面积基本相同。

  于是乎,根据相机画幅、视场角和焦距三者之间存在的公式,我们就可以计算出Galaxy S20和S20+的1200万主摄焦距为26mm,而6400万“长焦”副摄焦距则是28mm,因此也就意味着副摄和主摄之间几乎不存在焦距差。

  这意味着什么?简单来说,就是Galaxy S20+的“变焦”完全是基于主副摄融合、AI计算,以及靠副摄的大底高像素进行裁切而来的“数码变焦”。那么这样的变焦效果如何呢?

  在DXOMARK的评测中可以看到,Galaxy S20+的变焦单项得分为81分,这是一个非常高的分数,高到远远超过了公认具备线mm)光学镜头远摄配置的iPhone 11 Pro Max(变焦74分)和前代的Galaxy S10+(变焦68分)。也就是说,Galaxy S20+使用“数码变焦”,却击败了多款拥有真正“光学变焦”设计的竞争对手。

  数码变焦击败了光学变焦!乍看这个结论,相信很多人都会觉得“震撼”。但是当我们进一步仔细研究其中的道理时,就会意识到对于如今的智能手机而言,这其实是个非常自然而然的结果。

  首先大家需要理解,什么叫做变焦?在传统的相机上,因为镜头本身可以调节焦点的远近,所以我们可以通过调整镜头,让或近或远的物体投射到机身内的底片(或者数字传感器)上。这时候传感器本身的受光面积(也就是像素值)不会改变,改变的只有射入镜头的光线(被摄物)本身,这就是所谓的“光学变焦”。

  那么,何谓数码变焦呢?在传统的数码相机里,当光学变焦的倍率被用尽(镜头达到最大焦距)之后,为了满足部分消费者“希望看得更远”的需求,相机此时会将传感器拍摄到的图像进行中心放大。

  很显然,放大后的图片本质上只是CMOS捕捉到图像的一部分了,表现在最终的成像上,就是虽然的确看起来“更大更远”了,但是图片的分辨率也会发生等比例降低,画质急剧下跌,这就是最传统的“数码变焦”。

  意识到什么了吗?没错,如果我们只看过程,那么“光学变焦”和“数码变焦”的区别主要在于变焦是基于镜头还是基于画面(数字信号)裁切。但是如果我们只看结果,那么“光学变焦”和“数码变焦”的区别,就会变成完全不同的另一个定义。

  也就是说,是看变焦之后的画面的实际有效像素,相比变焦之前有无降低。请记住这一点,这种基于主摄的像素值来判断是否“无损”变焦的方式,正是智能手机数字变焦可能击败光学变焦的大前提所在。

  举例而言,在三星前代的旗舰机型Galaxy S10+上,它具备一颗26mm焦距的1200万像素主摄,和一颗52mm焦距的1200万像素“长焦副摄”。那么,当我们在拍照时进行两倍“变焦”操作时,得到的会是一张由副摄直接拍下的1200万像素照片。此时,它当然可以按照我们此前的理论,被称之为合格的“智能手机真光学变焦”,不是吗?

  但其实,并非完全如此。因为在Galaxy S10+的相机模组里,主摄使用的是一颗1/2.6英寸,具备全像素双核结构的高端传感器。它的单像素尺寸高达1.4微米,几乎相当于现在最新的超高像素方案“四合一”之后的水准,因此画质很好。

  但是与此同时,三星S10+的52mm长焦副摄所使用的传感器规格却要差上很多,它的面积更小、没有高速的对焦设计、单像素尺寸也仅为1微米,因此当我们使用这样的“光学变焦”手机进行拍摄时,虽然它们的远摄镜头的确具备数倍的真正光学望远特性,但是由于远摄镜头所对应的传感器画质缩水,最终得到的“变焦”照片,和真正的相机光学变焦相比,实际上还是有很大差距的。

  那么在Galaxy S20+里,情况又是怎样的呢?首先,Galaxy S20+的主摄是26mm、1/1.7大底的1200万像素新方案。然后,它的“长焦”副摄是一颗28mm镜头配合1/1.7大底,6400万像素的设计。当我们使用这颗副摄进行“两倍变焦”时,由于它不具备两倍于主摄焦距的物理光学镜头,因此它的变焦必然是基于副摄“数字算法”来实现的。

  但是这个时候问题的关键就出现了,首先,Galaxy S20+的副摄尺寸比Galaxy S10+的副摄、甚至比Galaxy S10+的主摄尺寸都还要大得多得多;其次,当它处于“2倍变焦”模式的时候,此时我们假设它纯粹只是基于副摄进行画面裁切,那么它得到的“2倍变焦画面”应该是多大的呢?

  答案很简单,应该是比3200万像素还要大一点点(因为S20+的副摄焦距还是比主摄远了那么2mm的)。然后,再以这3200万像素的画面进行超采样到1200万像素,从而达成“光学变焦”的效果。

  此时,首先Galaxy S20+因为“长焦副摄”的底够大,因此即便是只取一半的有效感光面积,其等效感光效果还是会比前代型号中的小底副摄更强。同时由于具备更高的总像素,即便因为“光shu学zi变焦”而只剩下一半有效像素,“剩下”的3200万像素画面在超采样到1200万像素之后,画质吊打超小底的原生1200万像素自然也就变得毫无压力。

  而这也正是Galaxy S20+能够在DXOMARK的变焦测试中,用数码变焦战胜前代真光学变焦设计的秘密所在。

  简而言之,Galaxy S20+之所以会打败自家前辈、以及iPhone 11Pro Max这种“真光学变焦”机型,其前提其实有两个。

  一是因为以往的那些“真光学变焦”手机,在变焦副摄的镜头内所安置的传感器规格普遍并不高,1200万像素的小底都算是相对好一点的了,还有很多至今还在用着800万像素的方案;其次就是因为三星这一次给副摄塞了一颗超大的CMOS,甚至在数字变焦、在画面裁切之后都还比过去的主摄有效面积还大。

  这就好像两台单反,一台800万像素的接上“大炮镜头”拍远景,一台1亿像素的直接拍近景然后放大,结果1亿像素的效果反而更清晰。我们当然不能说这是光学变焦的大炮筒镜头方向不对,只能说只要底够大,在当前的AI技术、多摄合成加持下,数码变焦也确实可以做到比光学的效果更好了。

  当然我们并不是说,所有的智能手机数字变焦都能表现得比基于真正镜头设计的“光学变焦”更好。比如说对于像小米10 Pro、像华为P40 Pro、像三星S20 Ultra这种本身主摄规格就已经非常高,还堆了一大票光学镜头的旗舰机型来说,它们的“光学变焦”效果当然还是胜过S20+这种超大底副摄“数码变焦”的。

  但是当大底、超高像素的CMOS在副摄上证明了自己作为变焦用途的价值之后,这也的确为将来的智能手机相机揭示了一条有意义的新思维。比如说,如果未来有厂商能将潜望式光学变焦和1亿甚至更高像素的大底CMOS结合起来,那么我们是否将有望迎来真正堪称“天文望远镜”的智能手机拍照设计呢?

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