自 2012 年以来，我们一直在测试智能手机摄像头，在过去五年中它们取得了长足的进步。 如今，智能手机已成为全球数十亿摄影爱好者和普通消费者的首选影像设备。 由于图像质量和性能的显着提高，智能手机的销量和受欢迎程度远远领先于传统的独立数码相机。

在下图中，您可以看到我们测试的最早的高端设备诺基亚 808 到今天的 2、X 和三星 Note 8 等旗舰手机之间的演变。正如预期的那样，、三星和 的产品每一代技术都越来越好，图像质量达到前所未有的水平，因此以“传统”方式实现显着改进变得越来越困难。

图像传感器效率目前只是逐步提高，虽然传统数码相机制造商可以通过增加图像传感器或镜头光圈尺寸（以及镜头尺寸）来提高相机的光捕获能力和图像质量，但智能手机制造商只有能力去努力在非常狭窄的空间限制内进行改进使得相机设计变得更加困难，因为轻薄的机身和时尚的设计是大多数消费者购买智能手机时的关键标准。 这迫使移动设备制造商跳出框框思考，开发能够提高图像质量和相机性能的解决方案，而无需诉诸更大的相机模块。 本文将探讨双摄像头、多帧堆叠和创新自动对焦等技术的引入如何影响智能手机摄像头性能的各个方面，例如纹理和噪点、曝光、自动对焦、变焦质量和散景效果。

光线捕捉是噪点和纹理的关键

在我们的智能手机相机测试中，噪点和纹理是两个独立的标准，但实际上噪点和纹理密切相关，因此我们必须同时考虑这两个标准。 图像处理技术可以很容易地降低图像噪声，但必须权衡噪声和纹理之间的关系，因为强降噪处理会模糊精细纹理并降低细节的丰富度。 增加传感器尺寸、镜头光圈和曝光时间可以提高相机的输入信噪比（SNR），但如上所述，由于智能手机尺寸的限制，我们无法增加前两者的尺寸。 另一方面，使用较慢的快门速度会增加相机抖动和运动模糊的风险，因此在许多情况下也必须排除这种情况。

除了传感器尺寸和像素数之外，还有很多方法可以提高图像质量

尽管如此，仍有一些方法可以超越这些限制。 这包括图像稳定系统，允许在静态场景中使用较慢的快门速度，以及结合多帧图像数据以增加拍摄过程中的累积曝光时间的时间降噪（TNR）； 此外，双摄像头还增加了总（组合）传感器感光面积，而无需使用更大的镜头。 如果将拜耳传感器（彩色）与黑白传感器结合起来，像华为Mate 10 Pro一样，图像质量可以进一步提高。 与配备两个拜耳传感器的传统双摄像头可捕获单传感器摄像头两倍的光线相比，华为 Mate 10 Pro 理论上可捕获约单传感器四倍的光线，因为其黑白传感器没有彩色滤光片。 这有助于提高纹理保留的质量，但缺点是在低光照条件下拍摄时可能更难捕捉颜色信息。

在下图中，您可以看到我们在过去五年中测试过的几款关键手机的噪点和纹理得分。 我们在下表中列出了相机的规格。 许多营销内容都将广告重点放在图像传感器的像素数和尺寸上。 不过从图中可以看出，这两个条件并不是图像质量的可靠标准，因为大光圈、光学防抖和时域降噪也是决定图像质量的关键因素。

诺基亚 808 是我们名单上最古老的手机，就是一个很好的例子。 它提出了一个想法：大型传感器确实可以帮助相机捕捉详细的纹理并降低噪声水平。 诺基亚传感器具有令人印象深刻的 4100 万像素分辨率。 但在默认模式下，照片仅以 500 万像素输出，但即使是 500 万像素，其在弱光下的成绩也明显优于 800 万像素的 5s 和 6，甚至比 1600 万像素的三星 S5 还要高，因为诺基亚的大型传感器可以捕捉到大量的光线。

光圈大小也是捕获光线的决定性因素之一。 虽然智能手机图像传感器的尺寸多年来没有太大变化，但手机制造商却大幅增加了镜头光圈的尺寸。 自2015年以来，三星S5的光圈一直比诺基亚808更快（f/2.2 vs. f/2.4）。 我们名单上最新的三星手机配备了更快的 f/1.7 光圈，而华为 Mate 10 Pro 的两个镜头甚至都配备了 f/1.6 光圈。 虽然最新一代手机的图像传感器尺寸比诺基亚 808 小，但其大光圈部分抵消了诺基亚 808 图像传感器尺寸的优势，并且在结合使用光学防抖和时域降噪之后技术上，它的拍摄效果甚至比诺基亚还要好。

光学图像稳定功能可稳定图像并降低相机抖动造成的模糊风险，因此您可以延长拍照时的曝光时间，从而提高输入信噪比。 时间去噪通过合并多帧图像来消除噪声，而不牺牲纹理丰富度，并且还有助于减少运动模糊，因为图像堆叠过程中使用的每一帧的处理速度比传统的单图像更快。 以快门速度拍摄。

图像处理技术正在改变手机摄像头成像

图 6 是图像处理技术如何提高图像质量的绝佳示例。 从图表中可以看出，尽管它使用与 5s 相同的成像硬件，但它比前代产品具有更好的噪点和纹理。 6配备了的A8芯片组，该芯片组具有改进的图像信号处理器（ISP）。 A8 ISP 很可能支持时间降噪，但苹果当时没有提供任何详细信息。 一年后（2015年），谷歌在6P设备上引入了HDR+，通过嵌入式ISP合并最多10帧的Raw格式图像。

让我们看一些示例照片。 下面的图像裁剪来自 5 勒克斯低光照片。 正如您所看到的，从 5s 到 6 的细节增加非常明显。 如上所述，这两种型号的图像传感器或镜头组件都没有变化，因此差异必须归因于图像处理的进步。 令人惊讶的是，虽然7 Plus拥有更高的像素、更宽的镜头光圈，并且配备了光学防抖，但在细节方面，它和6的表现并没有太大的区别。 这是因为苹果设法调整了 7 Plus 的图像处理参数，使得 7 Plus 图像上的噪点低于 6，尽管 7 Plus 具有 1200 万像素的更高分辨率。 因此，虽然 7 Plus 的高分辨率传感器可以捕捉到更多细节，但由于降噪处理，细节变得模糊。 另一方面，得益于改进的时域降噪算法，X又向前迈进了一步。 它的噪点比7 Plus略低，而且明显细节更丰富。

下面我们可以看到目前四款高端智能手机摄像头的对比：三星Note 8、 2、华为Mate 10 Pro和 X。这四款手机在我们的测试中都取得了非常高的综合得分，但制造商显然应用了不同的图像处理技术来实现这些结果。 在上图中的分数中，我们可以看到三星Note 8和 2的噪点和纹理分数几乎完全相反。 它们的整体表现相似，但为了迎合不同的口味，三星使用了大量的降噪处理来生成非常平滑的图像，但在强降噪过程中也牺牲了一些丰富的纹理。 反观三星2的图像颗粒较多，但细节更好，纹理更丰富。 也就是说，三星和谷歌分别代表了降噪和纹理的两个极端。 相比之下，华为Mate 10 Pro和 X采取了更为平衡的做法。

照片曝光：智能手机相机变得越来越智能

在评估照片曝光性能时，我们评估了高光室外条件、典型室内照明条件和弱光条件下的结果。 在下面的得分对比图中，我们看到2012年的户外得分已经处于非常高的水平，但最新一代手机的得分更高，并且在室内和低光下的得分提升更加令人印象深刻。光照条件。

智能软硬件协同

相机的进一步智能化是这些改进的主要驱动力。 我们测试的第一台相机不具备自动检测 HDR 场景、场景分析或人脸检测等智能功能，导致实际评估时曝光失败。 诺基亚808的传感器巨大，拥有非常好的动态范围，但其拍摄效果不如5s，后者可以自动触发多帧HDR功能。 自三星S6推出以来，这项技术已成为三星手机的标配功能。

过去几年，厂商进一步细化了HDR模式和场景分析，从而在逆光人像或高对比度场景等困难拍摄场景下的性能得到提升。 此外，为了在极弱的光线条件下隐藏噪点，一种非常常见的处理方法是使照片曝光不足。 因此，信噪比的提高进一步提高了极弱光条件下的曝光性能。 也就是说，诺基亚 808 的较大传感器很有可能在低光条件下表现更好，但诺基亚工程师只是移植了他们之前用于较小图像传感器的曝光策略。 如果他们对诺基亚 808 进行更好的调整，它的性能可能会更好。 这是电话调谐相反的典型例子。

让我们看看上图中的数字与现实世界的拍摄结果有何对应。 以下是在 1 勒克斯的极低光照条件下拍摄的示例照片。 正如您所看到的，尽管诺基亚 808 拥有比其他手机更大的图像传感器并且能更好地捕捉光线，但它的曝光非常暗。 如上所述，这个结果很大程度上是由于诺基亚未能优化图像处理策略。 5s 能够拍摄更明亮但曝光仍然明显不足的照片的部分原因是为了控制图像噪点。 另一个原因是由于苹果的图像处理理念：苹果更喜欢使黑暗场景稍微曝光不足，以保留场景的氛围。 三星 S7 是本次比较中最新的手机，由于比诺基亚和 5s 更好的调校和降噪功能，它能够获得更亮、更实用的曝光。

当前的华为Mate 10 Pro和 2等旗舰机型受益于更好的降噪处理，因此它们的曝光效果明显优于旧款智能手机。 再次，由于苹果的校准策略，X 的低光曝光比其他竞争机型稍暗。

下面您可以看到在现实世界中拍摄的高对比度场景的示例照片。 自动 HDR 功能早在 2010 年就出现在智能手机相机上，但早期版本的性能并不是很好。 当时5s已经配备了HDR，所以我们可以在下面的样张中看到蓝色的天空，但天空的颜色仍然是青色多于蓝色，并且在最亮的高光区域仍然存在一些剪切。 在新型号的结果中，我们可以清楚地看到这项技术是如何演变并变得更加精致的：7 Plus 完美地保留了天空的颜色，8 Plus 还稍微提亮了阴影，以获得更好的天空可见度。 在非常黑暗的前景区域中恢复了一些细节。

我们可以在下面的一系列背光肖像中观察到类似的进展。 5s没有任何人脸检测功能，因此它会根据背景的亮度进行曝光，使得人像照片中的主体非常暗。 7 Plus 清晰地捕捉到了拍摄对象的更好细节，但使较亮的背景显得曝光过度。 8 Plus 是本次比较中最新的设备，具有最先进的 HDR 和面部检测功能，可实现最平衡的曝光，在人像照片中具有出色的主体和背景细节。 到位。

视频稳定：组件和功能如何协同工作

视频稳定需要多个智能手机组件和功能无缝协作才能获得最佳效果。 在诺基亚 808 或三星 S5 等较旧的手机上，此功能完全依赖于图像处理算法，仅用于抵消手持拍摄时引起的抖动。 该算法分析图像内容以检测运动，但风险在于相机可能会锁定移动主体而无法保持对场景静态元素的关注。

苹果是第一家通过集成陀螺仪数据来增强此功能的制造商。 同步陀螺仪和图像传感器数据是一项极具挑战性的技术，但苹果可以完全控制其手机上的所有硬件和软件组件，从而实现软件和硬件协作。 另一方面，虽然三星的老款手机也配备了陀螺仪，但由于操作系统的限制，这些手机无法有效地将陀螺仪应用于视频防抖。 目前的高端手机均采用陀螺仪数据来实现视频防抖功能。

缓存和光学图像稳定将视频稳定提升到了新的水平

视频图像稳定技术发展的下一步在于软件改进。 我们称之为“非因果防抖”的技术使用大约一秒的视频缓冲来允许防抖系统预测未来的相机运动。 此功能与更大规模的图像裁剪相结合，即使拍摄对象正在步行或骑自行车，也能实现令人印象深刻的静态相机效果。 这种先进的防抖功能需要陀螺仪提供非常可靠的数据，2012 年或 2013 年的旧组件可能无法实现此技术。

最新的手机还增加了光学图像稳定功能，以补偿帧到帧的运动，同时还减少可能对最终结果产生负面影响的帧到帧的清晰度差异。 然而，光学图像稳定的引入也增加了另一层复杂性。 三星首先在S6和S7手机上进行了尝试，但最终结果比没有光学防抖的6和6要差。 幸运的是，三星后来在Note 8上做出了相当大的改进。

苹果是第一家成功将光学防抖技术集成到手机中的厂商，而7/7 Plus手机就是第一代的成功案例。

您可以在下面的示例中看到上图中的分数与实际表现的对应关系。 诺基亚808是本次比较中最古老的手机，它的视频防抖功能无法使用任何先进技术，因此边走边录制会产生非常明显的抖动和失真。

5s 是第一款使用陀螺仪数据实现视频稳定的智能手机，因此其示例视频明显比诺基亚 808 更加流畅和稳定。

继三星S6之后，S7 Edge是三星第二款采用光学防抖系统进行视频防抖的手机。 然而，即使三星手机集成了这个附加系统，它在我们的防抖测试中的得分也没有高于 5 分。 因为不同硬件和软件组件之间的协作仍然需要更多的微调。

谷歌是第一批同时使用陀螺仪和缓冲器来实现视频稳定的手机之一。 录制结果非常流畅，几乎就像用静态相机拍摄的视频一样，其性能明显优于当时的其他竞争机型。

自动对焦：更多传感器以获得更好的性能

除了视频防抖之外，自动对焦也是另一个需要多个软硬件和谐配合才能达到最佳拍摄效果的副摄系统。 我们评估了照片和视频的自动对焦性能。 尽管两种类型的自动对焦都依赖于相同的技术，但它们必须以不同的方式工作才能产生良好的效果。 除了准确度之外，照片的自动对焦速度也必须要快。 另一方面，视频自动对焦应该稳定且流畅，因为我们可能会在最终视频中检测到任何焦点波动或焦点突然变化。

对比检测的局限性

2015 年之前，基于对比度的自动对焦曾经是最先进的。 然而，这种自动对焦方法有几个主要缺点。 它的工作原理是观察镜头元件移动时图像对比度的变化，但系统不知道何时达到最大对比度。 此外，镜头必须移动到最佳位置之外，然后返回以确认焦点。 更糟糕的是，当相机开始对焦时，它不知道是拉长还是缩短焦距。 例如，它从一米的距离开始聚焦，然后可能聚焦到无限远。 如果没有找到最高对比度，则会切换方向，最终在 50 厘米处找到清晰度峰值。 这个问题尤其影响视频，因此苹果决定让 5s 仅在录制开始时锁定焦点，而在录制过程中完全不对焦，导致手机在我们的视频自动对焦测试中得分非常低。

2015 年，传感器制造商添加了相位检测 (PDAF)，将专用相位检测传感器集成到图像传感器的像素矩阵中。 三星 S5 是第一款配备该传感器的智能手机，随后是 6。苹果的表现明显优于三星，因此 6 成为自动对焦的新标准。 然而，相位检测在弱光条件下的表现不佳，因此 6 在弱光测试中的结果实际上比其前身 5s 更差。 一年后，苹果在 6s 上采取了更实用的方法，通过在低光条件下将对焦模式切换为对比度自动对焦来提高自动对焦分数。 同时，三星还在S6上实现了更好的相位检测集成，从而提高了自动对焦性能。

双像素传感器和飞行时间 (TOF) 激光提高自动对焦速度

一些较新的手机使用更先进的系统来提高自动对焦性能。 例如，三星 S7 和谷歌是我们测试中的顶级机型，其表现优于当前所有机型，但它们以不同的方式来加快自动对焦速度。 S7 采用所谓的双像素技术，该技术于 2013 年首次出现在佳能 DSLR 上，将图像传感器上的所有 1200 万像素视为相位像素，以使系统对噪声不那么敏感，并使其更加精确。 适合弱光条件下的拍摄。 三星自行开发了 Dual 智能手机传感器，使其在 2016 年的竞争中取得了真正的优势。

当谷歌在 2016 年推出最早的手机时，双像素传感器技术尚未可用，因此谷歌工​​程师使用激光飞行时间传感器来估计与拍摄对象的距离，就像 6P 上使用的方法一样。 该技术在弱光条件下的近距离拍摄效果很好，但与高光条件相比就相形见绌，在远距离拍摄时就完全失效了。 不过， 2 随后添加了双像素传感器，将飞行时间传感器与相位检测相结合，将自动对焦性能提升到了更高的水平，取得了令人印象深刻的效果。 另一方面，苹果仍然依赖很少的相位检测传感器，因为目前手机中没有针对小尺寸传感器的双像素传感器，导致照片和视频的自动对焦得分较低。

变焦：双摄表现非凡

与传统紧凑型数码相机相比，变焦仍然是智能手机明显不足的少数领域之一。 智能手机相机长期以来仅限于数码变焦，因为高端智能手机的薄机身无法提供足够的空间来集成传统的长焦变焦镜头。 然而，即使他们不使用任何高级缩放方法，他们仍然可以产生可用的结果。 凭借其大型传感器和高达 41 兆像素的分辨率，诺基亚 808 仍然是适合室内条件的最佳变焦相机之一。 三星S6也取得了不错的成绩，尤其是在弱光条件下。 它的 16 兆像素传感器和光学图像稳定功能仍然表现良好。

自从引入第二个远摄镜头，使智能手机成为双摄像头手机以来，智能手机的变焦性能已经有了巨大的进步，但该技术仍然是新技术，并且仍在不断发展。 苹果首款双摄像头手机 7 Plus 在高光下取得了令人印象深刻的效果。 然而，与前一款相比，特别是在室内弱光条件下，与单镜头 7 相比，改进是相当小的。 原因是苹果认为在这样的光线条件下变焦镜头的成像质量不够好，因此 7 Plus 在弱光下会切换到主摄像头进行数码变焦。 您可以阅读本文对7和7 Plus差异的详细分析。

双摄像头以不同方式提高变焦性能

在弱光条件下，8 Plus 的变焦性能仅比 7 Plus 稍好一些，直到当前旗舰产品 X（配备图像稳定长焦镜头）推出后才出现真正的改进。 使用类似技术的三星 S8 是我们迄今为止测试过的最好的变焦手机。

中国制造商华为采取了与竞争对手苹果和三星完全不同的方法：Mate 10 Pro使用第二个20兆像素黑白传感器的图像数据来取代较长的辅助镜头进行变焦，最终结果是，虽然比最新的 Note 8 性能略逊一筹，但明显优于 2 这样的单镜头手机。

在下面的示例中，我们可以看到图表中的分数与现实世界中的实际拍摄结果如何对应。 三星 Note 8 目前是所有光线条件下表现最好的手机， X 也紧随其后。 华为Mate 10 Pro采用了第二个高分辨率黑白传感器，而不是更长的长焦镜头，其表现略差于苹果和三星，但明显优于 2和更早的智能手机。

散景

传统智能手机摄像头配备小型图像传感器，因此根据物理定律，它们的景深几乎是无限的。 为了模拟数码单反相机上快速镜头的浅景深，手机制造商开发了“假散景”模式。 有人称其为“人像模式”，有人称其为“景深模式”，但无论如何，这是一种旨在实现相同目的的模式，即捕捉清晰的前景场景，同时平滑地模糊背景。

我们的比较图表中最古老的手机（诺基亚 808 和 5s）根本没有散景模式。 通常情况下，没有此功能的手机在我们的散景测试中会获得 25 分的基本分数。 三星S6是最早采用散景模式的主流手机品牌之一，但其实际得分低于25分，因为其纯软件实现的焦点堆叠技术非常差，导致大多数用户更喜欢标准图像。

使用 6P时，用户在拍摄过程中必须稍微向上移动手机才能创建场景的深度图。 结果比 S6 好，但仍然有许多伪影隔离了主体。 华为 P9 是我们名单上第一款采用双摄像头技术进行散景模拟的手机。 其双镜头位置略有偏移，可以比以前的方法更好地估计深度。

目前的高端手机中， 8 Plus和X的人像模式拍摄效果最好，表现出良好的被摄体隔离度和平滑自然的模糊渐变层次。 X 的表现仅比 8 Plus 稍好一些，室内和弱光条件下的噪点较少，这一点在肤色上尤其明显。 2 和三星 Note 8 紧随其后，通过不同的方法获得了非常相似的结果。 Note 8 的最佳图像比 Note 2 具有更自然的散景效果，可以更好地隔离主体，同时产生的伪像也更少。 然而，Note 8 存在一些反复出现的问题，散景模式并不总是在正确的时间激活。 2. 与配备双摄像头的 Note 8 不同，它采用双像素图像传感器以及基于机器学习的深度估计算法。 其图像效果不如Note 8的最佳图像，但其人像模式表现非常稳定。 。

改进的景深估计可产生更好的散景效果

华为Mate 10 Pro采用双摄像头设置，可以很好地隔离主体并产生模糊的背景。 不过，由于其副摄像头采用与主摄像头相同的广角镜头，因此其景深模式采用相当于约 35 毫米的视野。 就拍摄图像而言，这不是典型的人像焦距，因此它不会拍摄与 和 Note 8 相机（均配有大约 50 毫米等效副镜头）完全相同的人像照片。

让我们再看一些样本照片。 下面您可以看到散景模式自进入移动设备以来已经取得了多大的进步。 6P在相机稍微向上移动的情况下拍摄了一系列照片，生成的深度图可能会出现一些错误（如红色箭头所示）。 使用焦点堆叠方法的三星S7也是如此。 此方法以不同的焦点设置快速连续拍摄多张照片，然后合并结果。 华为 P9 是首批提供散景模式的双摄手机之一，其估计场景深度的能力比谷歌和三星更好，但还远非完美。

当前配备双摄像头的高端手机在创建深度图方面比前几代手机要好得多。 在下面的示例中，您可以看到三星Note 8、华为Mate 10 Pro和 X焦平面内的所有物体都很清晰，并且物体附近的背景模糊是正确的。

在下面的示例中，我们可以看到这些手机在现实世界的强光条件下能够取得非常好的效果。 图像显示出良好的主体隔离、平滑的模糊渐变以及宜人、自然的背景模糊，但其在低光下的表现仍有待改进。 在低光环境下，所有图像都显示出大量的亮度噪点，这在人类肤色上尤其明显。

展望未来：更多集成以获得更好的图像

回顾过去五年智能手机相机的发展，我们可以看到相机硬件和图像处理齐头并进，进步速度比“传统”相机更快。 虽然数码单反相机和无反光镜相机在某些领域（例如自动曝光）仍遥遥领先，但在图像处理技术方面，相机市场的佳能、尼康、宾得等公司落后于苹果、三星、谷歌和华为。 由于较大的相机具有硬件优势，它们实际上不需要使用与智能手机相同水平的像素处理来拍摄精彩的照片，但不可否认的是，智能手机和 DSLR 之间的性能差距正在逐渐缩小。

未来几年，我们可能会在智能手机相机上看到更多 3D 传感元件，例如飞行时间或双像素传感器，因为它们可以进一步改善散景效果、人像透视、面部照明和其他功能。的深度数据。 图像特征的算法。 由于 L16 相机为多焦点相机架构铺平了道路，因此智能手机制造商遵循同样的道路也就不足为奇了。 这款多摄像头设备结合了拜耳（彩色）和单色传感器，可以专注于纹理和噪点改进，或者通过长焦、超广角和鱼眼等特种镜头为用户提供更大的灵活性。 因此，融合所有这些组件和传感器数据的高效算法将成为成像过程中的关键要素。

总之，手机厂商未来将面临诸多挑战。 但从当前高端移动产品的成果来看，手机制造商完全有能力克服这些挑战，并在不久的将来将智能手机的图像质量和相机性能提升到新的水平。

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