可能又会打开手机摄影的新大门,华为P40 Pro技术猜想

2020-01-03 11:57:20 5点赞 2收藏 0评论

大家新年好,一直都有朋友问我能不能写一写关于手机摄像头设计的内容,适逢今天没那么忙,就来简单分析一下可能是手机摄影器材里最受关注的新一代华为P40 Pro吧,其实大致的规格在网上都已经有很多猜测了,但有一些细节还是值得说一说,因为还是隐藏了不少不容易为人察觉的技术升级项目。



可能又会打开手机摄影的新大门,华为P40 Pro技术猜想



已知的基础信息有,后置5摄方案:

1、主摄基于索尼最新的1/1.7英寸6400万像素IMX686,这颗传感器首发于红米K30 5G,不出意外华为应该会使用独占的魔改版,比如换用P30开先河的RYYB滤镜,毕竟这是实现极弱光成像的硬件基础,算法插帧7680fps慢动作应该也会在P40上出现。

2、潜望式长焦镜头从5倍升级到10倍光学变焦(也就是从125mm升级到250mm),这里或许会有一个新的设计,后面展开来简单说说。

3、一个未披露规格的超广,我认为会采用Mate30 Pro那颗1/1.54英寸传感器或类似的大底设计,理由在于第4颗摄像头是微距摄像头,大底的最近对焦距离很难做小,如果采用与P30 Pro类似的传统广角方案就完全可以同样用广角镜头去兼任微距,没有必要单独列一个。

4、第5颗就是后置ToF,再加上前置双摄,这在高端机里已算是标配,没啥说的。

展开说说吧,第一部分是IMX686,虽然不清楚华为与索尼的独占定制合同签到了什么时候,但理论上P40系列应该会得以延续,毕竟从商业模式来看这是一个妥妥的双赢(三巨头里三星用自家的,苹果也是索尼客户,华为上定制恰好可以与之形成定位切分,再往下就基本都是方案整合商了,不用考虑太多)。所以P40系列的主摄我们可以大胆一点进行猜测,除了RYYB之外,索尼新发2x2 OCL方用P40 Pro来首发也是有可能的。

所谓2x2 OCL,简单来说就是佳能全像素双核和自家Quad Bayer的叠加,全像素双核是2个水平布置的同原色滤镜像素共用同一个微透镜:


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Quad Bayer则是4G+4R+4B+4G的组合:


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而2x2 OCL就是在Quad Bayer的基础上,让4个相同原色子像素共用1个微透镜:


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于是,它就有了这两种方案共同的优势。首先是同微透镜下的4个像素具备了相关性,它们甚至共享一个浮置扩散电容,因此所有像素均可同时参与对焦和成像工作(全像素双核的优点),而不用像Quad Bayer或传统Bayer那样取部分像素以半遮挡设计单纯负责对焦。

并且因为是2x2的布局,这意味着它纵横斜向点扩散函数离散度都是不一样的,如果能像佳能那样生成全像素多核RAW,那么你会看到四张焦上重叠、焦外存在不同视差的图像,通俗来说也就是所有对焦点都变成了米字型,打破了片上相位差对水平纹理对焦无力的缺陷,因为全像素双核是左右切分的,类比为单反独立模块的一字型,虽然半遮挡也能拿部分像素做上下遮挡来实现1字型并整合为十字型,但目前似乎没有品牌这么做,而且斜向就只能靠2x2 OCL这种设计。这同时也意味着2x2 OCL能更准确的判断物平面位置,与ToF数据联动优化数字虚化计算(事实上我还挺期待ToF传感器是否能用上新技术,这个以后再细说吧)。


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不过对于手机而言,最大的掣肘之处还是镜头像场覆盖,片上相位差的精度受制于渐晕,而就P30 Pro RAW文件来看这个问题比较严重,这也迫使镜头模组供应商必须要进一步优化设计,而且还得是在小尺寸的前提下,否则对焦的优势就比较难以达到理想高度。

与此同时,因为每个像素依然能单独输出,所以它保留了Quad Bayer进可求分辨率、退可保高量子效率和单帧HDR的特点,根据相似型号三星GW1的测试来看,算法得当的情况下性能表现会相当不错,再加上已有的弱光和高速优势,以及国内已经比较成熟的7P/8P塑料镜头工艺,瓶颈相对比较少,如果真的用上了2x2 OCL,就很让人期待华为在算法上又能玩出什么新花样来了。


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第二部分是潜望式长焦镜头,P30 Pro实现了等效125mm,也就是相对主摄5倍的等效焦距,而P40 Pro的设计目标是10倍,那么这就有一个很具体的限制,P30 Pro的潜望式摄像头规格仅仅只有等效125mm F3.4,这意味着假设要在此基础上做更长的焦距,不改变设计那么F值必然会增加到F6往后去了,这时候就只能靠算法来弥补高ISO带来的低信噪比,从目前的SoC ISP算力来说难度非常大,所以还得从根本入手来解决。

缩小传感器尺寸是保证体型小巧而又能增大等效焦距的方法之一,但从画质来说显然是有损的,毕竟它本来就已经很小了,所以这个方案大概率不会采用,还得从镜头设计改起。

手机镜头的孔径光圈都在镜组最前方,所以开孔大小直接影响F值大小,潜望式设计的特殊性在于大部分光路在棱镜反射后平行于机身,这意味着它的开孔完全受制于机身厚度,所以很显然,这个问题最直接、也是最靠谱的方案就是在反射棱镜前方加入大孔径折射镜,让光线以聚拢的形式入射而非平行入射,进而增大整个镜组的有效孔径,在焦距增大的情况下实现F值保持不变或小数值变动的目的,原理类似于前置外挂镜头,可参考示意图,随手一画比例不准,意会即可:


可能又会打开手机摄影的新大门,华为P40 Pro技术猜想



上半部分为直射入射,下半部分为增加大口径折射镜片之后,可明显看到入瞳尺寸有了明显的增大,除此之外,焦距变长也意味着光学总长变长,所以P40 Pro的潜望式设计可能会采用多次反射型设计,也即光束垂直入射、通过第一大口径透镜折射到第一反射棱镜/面镜90度反射,通过内部透镜系统后抵达第二、三反射棱镜/面镜连续反射2个90度,最终抵达传感器,这个设计可更有效的利用内部空间,并增加光学总长:


可能又会打开手机摄影的新大门,华为P40 Pro技术猜想



当然,无论是第一片大口径高折射率镜片,还是明显增大的光程,毫无疑问都会增加像差,但对于一个光线高度小、光焦度也不大、还大幅依赖数字算法补偿的系统来说这都不是事儿。所以最终P40 Pro长焦做到250mm F4这种规格我也并不会奇怪,重点考察的还得是装配精度和结构强度,毕竟三次反射若稍有偏差就会导致明显的成像问题,这对良率算是一个挑战。

目前的猜想大概就是这些,如若都能实现,那毫无疑问华为P40 Pro又会是一次飞跃式进步,并且一定会引领整个行业的跟进,这样一来从P20开始每一年在手机摄影上都能由国产品牌带动质变,还是挺让人开心的,当然,目前也已知三星S11系列也会配备1亿像素主摄(RGBW 9合1)+潜望式长焦的强力组合,安卓旗舰级拍照手机的两强对话在2020年也是很值得期待的。


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