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“摩尔定律”失效 华为计算摄影首度揭秘

懂懂笔记 2020-04-09 12:10:31

文经授权转自公众号:懂懂笔记(ID:dongdong_note),撰文:懂懂; 编辑:秦言

华为又刷新了DxOMark榜——P40 Pro相机系统达到了惊人的128分,这是有史以来的最高分。注意,这还不是P40系列中最高配的P40 Pro+。由此可以想象,如果P40 Pro+送测会是什么样的结果?

近三四年以来,无论华为上半年发布的P系列还是下半年发布的Mate系列,已经习惯性霸榜。为什么近年手机厂商旗舰级产品所用的硬件逐渐趋同,但是华为在拍照上的优势却如此明显?

近20年的手机发展历程中,从早年功能机带有相机功能开始,很长一段时间里大家认为手机拍照好不好就是由像素决定的。2000年第一部带相机功能的手机只有10万像素,此后这一指标逐渐攀升,从10万、20万、50万、100万、500万、1000万、2000万……像素的变化能让我们看到拍照效果明显的提升。但其实当镜头从2000万到4800万,再到6000万,单一硬件带来的画质变化已经不明显。

这有点像PC产业中的摩尔定律。早年,PC的好坏取决于芯片的运算能力,芯片在摩尔定律的作用下每两年算力翻一倍,给PC带来明显的变化。但是后来随着算力达到一定高度之后,单一提升算力,用户在PC上感受不到明显的变化,而是需要系统性的创新,才能带来不一样的体验。

今天手机摄影也是同一个道理,单一提升像素不能带来明显的用户体验提升。随着AI时代的到来,手机上的计算摄影成为用户拍照的利器。而华为之所以可以长期霸榜的秘密的于软硬件结合的结果。

内部代号XD:

计算摄影的三层紧密逻辑

拍照是手机核心功能之一,也是当下所有头部手机厂商在研发投入上的重点。各个品牌都在做,思路不同、解决方案不同,成像质量也各有不同。手机成像质量的好坏,到底拼的是什么呢?

今天的手机摄影,不再像单反一样单一依赖硬件成像,而一定是要通过前期的光学采集信息+后期算法处理,来生成一张上完整的照片,业内称之为计算摄影,而厂商传递给消费者的时候则通常会有“AI摄影”这个更容易理解的名字。

在华为内部,很早就成立了代号XD的项目,全称XD Fusion,X是指Extreme,D是definition清晰度的意思,Fusion就是融合的意思,直译为“超清图像引擎”。

华为的XD Fusion是在计算摄影上走得比较早、目前行业能力也比较靠前的一个解决方案。这个方案为三层:

第一层是硬件输入信息。在华为P40、P40 Pro、P40 Pro+中分别采用了三摄、四摄、五摄,广角、TOF镜头、长焦镜头等多摄像头时常会有同时工作的状态,这些摄像头的任务是更好、更多地采集图像的原始信息。计算摄影首先是要有高质量的输入信息,所以摄像头硬件的能力是XD Fusion的基础。华为一直坚持高规格的硬件,就是希望原始信息做到最好。华为从P9开始与徕卡合作,这也手机拍照镜头上的一次大跃进,此后P系列一直优化摄像头的组合达到最优。硬件输入这一环节决定了照片质量的底线。

第二层是机器视觉,通过语义分析理解和分割。这有点像人眼客观看世界,要理解看到的是天、地、树、牛、狗、鱼、人等等,这些是语义理解分割的过程,也是信息的输入部分。

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第三层是神经网络处理,就是我们通常说的通过AI处理优化成像效果,比如画质、色彩、光影、毛发、动态范围、虚化程度等,通过像素级图像处理给消费者一张好的照片。这一环节很大程度上依赖于算力和算法。各个厂商其实都在做,只不过解决方案不同、能力高低不同。华为持续围绕用户场景优化,并且依赖于自研芯片的优势,构筑起自己的护城河。

XD Fusion在华为内部已经持续研发多年,每年支持P系列和Mate系列两次产品迭代,每次都会给用户带来新的体验。用户第一次体会到XD Fusion应该是在Mate 10系列上,那也是华为首次提出AI摄影,但是XD Fusion并没有正式对外显身。懂懂还记得那一次AI在物体识别、动态摄影上起到了重要的作用,使得照片质量大幅提升。

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在P40系列发布的同时,华为XD Fusion也站到了台前,这是因为华为相机团队的自信,他们觉得经过多年的研发以及多代产品的打磨,算法上不断升级,今天的XD Fusion已经相对成熟,可以给用户一个完美的结果。对于行业而言,P40系列和XD Fusion再次告诉我们,手机摄影拼的不是像素数量,也不是摄像头个数,而是软硬件的双向结合,相辅相成。

从空间和时间上不断突破

超强硬件为XD Fusion输送“弹药”

要想计算摄影有效果好,第一个环节就是输入。正所谓“巧妇难为无米之炊”,“米”就是硬件采集到的信息。也就是说,XD Fusion最终展现的火力出何,首先要看硬件输入的弹药强不强。

华为P系列一直在镜头上走在最前面,从双镜头到三镜头、四镜头,包括这次华为P40 Pro+的五镜头,光学变焦从2X、3X、5X到这次的10X,不断突破,挑战极限。从其产品功能的迭代,我们发现华为在影像上有两个策略:

第一解决空间的问题,不断提升拍照的远度和广度。P10上采用2X光学变焦,P20上3X、P30上5X,这次P40在全行业率先上了10X光学变焦。还有就是广角,Mate 20是全行业较早上广角解决方案的产品,随后不断突破。

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P30发布时展示的拍月亮样片,就让用户大呼过瘾。中国人对月亮有特殊的情感,但是以前除了专业的长焦单反相机,普通用户怎么也拍不出月亮的美。而现在,基本上可以做到所见所得。无论是弯弯的月牙,亦或是玉盘一样的明月,都可以随手拍得。

第二就是时间问题。手机这类小型化拍摄设备在高亮的情况下拍照比较稳定,照片质量悬殊不大,但是在暗光、弱光、室内等场景下,就带来极大的挑战,画质有待提高,华为就一直努力通过不同的解决方案去提升一天里另外一半时间需要拍照的场景诉求。比如去年,P30 Pro 首度使用 RYYB 感光元件,虽然大幅提高了低光能力。

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今年的P40系列的RYYB感光元件比一般 RGB 感光元件多40%的感光能力,让主相机的低光拍摄能力非常强悍。这一次,夜景几乎可以无瑕疵地展现出来。以前,我们对于夜景、暗光的记录总是带有些许的遗憾,现在则可以真实地记录每一个瞬间。

每一步领先,都意味着巨大的挑战。比如这次华为P40 Pro+上的10倍光学镜头对手机轻薄的机身而言是极大的挑战。华为相机团队采用全新的多反射潜望式光路折叠技术,实现5次反射光路,光程比上一代潜望式长焦提升178%。

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但光线经过数据反射,想要保证高成像质量,必须对模组内反射镜组装平面的精度控制做极高要求——只有纳米级的高精密反射面,才能降低光路畸变,保证反射质量。相机团队根据光学设计仿真解析出的最基本的光学规格,此次要求是头发丝的两千分之一(头发丝的直径一般不超过100微米)。相机团队在没有借鉴方法的基础上持续探索,分析关键影响因素,研究关键参数工艺,对比测量变化数据,选出最稳定的工艺条件,持续对光学系统进行优化,最终实现最高约30nm的精度。

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请注意,反射镜面的工艺比芯片制程都难,是其它厂商没有接触过的领域,仅在这一环节华为就申请了6项专利。这样在研发上舍得持续投入并且还要挑战生产制造环节的极限,没有强大的决心和技术实力支持,是做不到的。

从空间和时间两个方向上,从硬件能力的提升上保证在信息采集这个环节为XD Fusion输入最强的“弹药”,力求让用户没有遗憾,抓住每一个美好瞬间。

为P40系列带来突破性体验

计算摄影帮助消费者抓住美好瞬间

三层逻辑说起来比较容易理解,但是把每一层做好都非常难。不夸张的说,计算摄影其实是厂商综合能力的体验。我们看到所有手机厂商都在拍照的后期做AI的优化,但是看到真实样片的差别还是挺大的,特别是在一些极端场景下。

在华为,因为早就意识到手机拍照的战略意义,所以持续投入、进行系统性的研发,包括摄像头模组、光学团队、芯片团队,系统工程师、前端整机架构设计师、ID设计师、后端底层算法工程师、后期调教图像效果工程师,分工又全又细,这也能让我们看到华为在摄影这件事上有多“较真”。

无论是从研发的投入,还是从芯片到镜头再到算法,这里可以看到华为系统性的能力。对于用户而言,手机拍照追求的终极目的是“随手一拍就是大片”,没有短板,但这背后包含了复杂的硬件+软件能力的融合。

在P40系列上,硬件的提升,以及XD Fusion能力的精进,在影像上继续突破,给我们带来很多以前想都不敢想的体验。

比如在户外拍照,我们最怕的就是好不容易取景、摆姿势,一切就绪,但是就在按下快门的瞬间路人甲闯进了画框,一张大片中多了一个“躁点”。在P40中,可以通过AI轻松去除误闯的路人,无需裁剪、不留遗憾。

再比如我们最常遇到的一个场景就是隔着玻璃拍照,这是让专业人士都头疼的一个问题。P40通过AI去除反光,我们坐在飞机上拍天空,隔着琉璃拍精美的展品,都不再有任何“障碍”。

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技术发展的目标,是希望消费者拿到最佳的方案。XD Fusion通过迭代、升级,在华为P40上,我们通常能遇到的场景几乎都能得到完美的解决,这就是技术的价值。

【结束语】

在AI时代的拍照,不是单一要素“飙高音”,就像PC产业“摩尔定律”失效一样,如今“像素定律”也已经不再适应AI时代。华为的XD Fusion三层逻辑重新定义了AI时代拍照定律。

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