如何用手機軟體做出變焦爆炸效果

作者 |無樑之材

隨著智慧手機的迅猛發展，手機的拍照功能似乎已經成為各大手機廠商的競爭熱點和營銷點。

究其原因，除了日常的語音、掃碼等功能應用，最大原因就在於很多手機使用者都習慣性用手機相機來記錄生活。依託於小體積屬性和網路平臺，手機拍照的便利性是專業相機無法比擬的。

旗艦級手機的主攝像頭現在已經有了非常不錯的拍攝效果，但比之專業相機，還有很大的差距。其原因就在於微型攝像頭模組體積有限，以現有技術，幾乎無法實現光圈和焦距的物理變化。

這些年，來自全球的智慧手機廠商在拍照這方面投入了很大的精力，取得了很多不錯的創新成果，拋開一些花邊的玩法，其實這些創新都在往一個方向努力：無限縮減智慧手機拍照和單反的差距（儘管還有很長路要走）。目前手機廠商們將這個目標大體拆分為三個小目標：

成像基本素質

光圈虛化

變焦

實現這三個小目標，目前主要的解決方案分別是感測器+拍照演算法、AI摳圖演算法、攝像頭。這三個小目標中，前兩個已經基本滿足普通手機使用者的拍照需求，唯有變焦，其實還有一些距離。說起變焦，其實這也是智慧手機拍照長期存在的老大難問題了。變焦分為光學變焦和數碼變焦兩種。

光學變焦

光學變焦就是依靠光學鏡頭結構來實現變焦，即透過鏡片移動來放大與縮小需要拍攝的景物，它是在透過鏡頭、物體和焦點三方的位置發生變化而產生的。鏡頭焦距越長，景物的成像也越大，換言之就是能拍到更遠的景物，即能實現更大倍數的變焦，自然，它就需要鏡頭內部鏡片和感光器件移動空間更大。所以，實現變焦的倍數越大，鏡頭的體積也越大，在智慧手機上裝上很大的鏡頭，這很困難，所以手機上基本不採用光學變焦。

數碼變焦

在智慧手機上，普遍採用的是數碼變焦，名為“變焦”，但焦距實際上並沒有發生改變，它是透過手機內的處理器，增大原畫面兩個畫素之間的距離，然後再根據對已有畫素周邊的色彩進行判斷，把感測器上的一部份畫素使用“插值”演算法放大到整個畫面。這種手法就如同用影象處理軟體把圖片的面積改大，是對畫素進行有損裁剪為代價的，儘管數碼變焦會利用插值等方式來改善成像質量，但影象色彩和質量卻大大下降。因此，數碼變焦在照片細節上和光學變焦的差距很大，尤其是對於遠距離拍攝，這一劣勢會非常突出。

光學變焦與數碼變焦的成像對比

混合變焦

而雙攝甚至多攝手機的出現，為智慧手機的變焦帶來了新的方向，也是目前主流的變焦方案。這種方案說白了就是採用不同焦距的攝像頭，當變焦達到該焦段時，切換攝像頭，其他過程仍以數碼變焦來代替。這是一個混合的變焦方案，並不是真正意義上的光學變焦，優缺點都很明顯，優點是達到固定的變焦倍數時，確實也是無損的；缺點嘛，除了固定倍數，其他仍然是有損的。

我們以華為Mate20 Pro為例來解釋“手機光學變焦”的工作原理。

Mate20 Pro配備了“浴霸式”的三顆後置攝像頭：

1）4000萬畫素主攝像頭，27mm廣角

2）2000萬畫素超廣角攝像頭，16mm超廣角

3）800萬畫素長焦攝像頭，80mm長焦

華為宣稱Mate20 Pro具備3×光學變焦（80/27=2。96≈3），而不是5×光學變焦（80/16=5），因此可以推測Mate20 Pro在變焦過程中超廣角攝像頭參與度不會很高。進一步研究了Mate20 Pro具體的“光學變焦”原理：

1）當畫面0。6×至1×時，使用2000萬超廣角實現數碼變焦；

2）當畫面在1×時，使用4000萬廣角主攝像頭拍攝，產生無損照片；

3）當畫面在1×至3×時，使用主攝像頭的數碼變焦實現變焦；

4）當畫面達到3×時，利用主攝像頭和長焦攝像頭，產生3×無損照片；

5）當畫面在3×至5×時，採用主攝像頭和長焦攝像頭配合的數碼變焦實現工作；

6）當畫面在5×時，使用800萬長焦攝像頭單獨工作拍攝無損照片；

7）當畫面在5×至10×時，仍然單獨使用800萬長焦攝像頭實現數碼變焦。

雖然從定義上，雙/多定焦攝像頭實現“光學變焦”本質上並不是光學變焦，但是從結果上達到了輸出與光學變焦相同場景的效果。而侷限於手機的特徵，未來中短期內智慧手機光學變焦仍將在雙/多攝“光學變焦”上做創新。為了輸出更高倍數的無損照片，未來勢必會加入焦距更長的長焦攝像頭，再透過演算法實現與光學變焦素質相等的變焦。

今年4月上市的華為旗艦P30 Pro使用了一顆潛望式長焦攝像頭，實現令人驚歎的10倍混合變焦與最高50倍數碼變焦，無論是懸於樹梢的明月，抑或海平線上的夕陽，以往遙不可及的美景，如今觸手可得。我們預測，未來“超廣角+廣角或標準焦距+TOF+多個定焦長焦攝像頭”將會成為趨勢。

MIPI開關的作用

如前所述，手機變焦時需要在幾個攝像頭中切換，實現焦距從超廣角到長焦的覆蓋，滿足使用者一機走天下的要求。這其中攝像頭的切換需要由MIPI開關來完成。一般手機平臺的CSI（Camera Serial Interface）介面有限，不可能給每個攝像頭都分配CSI介面，透過MIPI開關可以共享平臺的CSI介面。

下面是MIPI開關在D-PHY協議下的典型應用：

MIPI開關也能應用於DSI （Display Serial Interface）介面，實現兩個顯示屏的切換。

MIPI開關的重要引數——頻寬（-3dB）

高頻寬在高畫素攝像頭上的優勢

選擇多大頻寬的MIPI開關需要根據實際使用的攝像頭的畫素來確定，通用的演算法如下（以2000萬攝像頭為例）：

每個畫素點：10bit （比較通用），2000萬畫素的輸出採用D-PHY 4條資料通道，輸出幀率為30fps，可以計算出每條資料通道的傳輸速率：

業界通常要求通道上MIPI開關的頻寬（-3dB）要大於資料傳輸速率。當然MIPI開關的頻寬越高，透過的訊號衰減越小。同樣的，可以得到攝像頭畫素與MIPI開關頻寬要求的對比表：

AW35646的頻寬高達4。5GHz，可以完美支援6000萬超高畫素。

一般來說30fps是可以接受的，基本上感覺不到畫面的遲鈍。但是如果將幀率提升至60fps，可以得到更流暢的畫面，明顯提升互動感和逼真感，所以現在的攝像頭都提供幾種不同幀率。

對於2000萬畫素的攝像頭，根據上面的公式，可以計算幀率與頻寬的關係：

對於2000萬畫素的攝像頭，AW35646可以完美支援90fps的幀率。

高頻寬對於板級設計的好處

在攝像頭和AP影象訊號處理單元（ISP）之間的傳輸線互連結構（TLIS）中，插入的模擬開關可被視為一個媒體通道，作為傳輸線互連結構的一部分。作為傳輸線互連結構的一種實現——印刷電路板（PCB），是高速資料傳輸完整性設計中更重要、更困難的環節，需要儘量減少不連續點，從而實現阻抗匹配。

若傳輸線互連結構被允許的最大衰減為-6dB，如果使用3。0GHz頻寬的開關，那麼在3。0GHz的頻率下，MIPI開關的衰減為-3dB，則傳輸線互連結構剩餘部分允許的最大衰減僅為-3dB。但是如果使用4。5GHz頻寬的開關AW35646，同樣在3GHz的頻率下，MIPI開關的衰減僅為-2dB，則傳輸線互連結構剩餘部分允許的最大衰減為-4dB，為PCB的高速傳輸設計留下足夠的餘量，滿足整個通道訊號完整性的需要。

高頻寬對於板級設計的好處

透過對比3。0GHz、4。5GHz頻寬的開關，在1Gbps、2Gbps、2。5Gbps資料速率下的眼圖，並測量上升時間，說明高頻寬開關在眼圖上的優勢。

高頻寬在眼圖上的優勢

高頻寬在眼圖上的優勢

高頻寬在眼圖上的優勢

模擬原理圖如下：(原始訊號上升/下降時間為0.2*UI)

下面是具體的測試眼圖

1Gbps

位元速率的眼圖

2Gbps

位元速率的眼圖

1Gbps位元速率情況下，受制於訊號本身的頻寬限制，眼圖的開啟大小區別不大，4。5GHz頻寬僅在上升時間上比3。0GHz快。

2Gbps位元速率情況下，眼圖的開啟大小趨於明顯，4。5GHz頻寬的訊號質量更好。

2。5Gbps位元速率情況下，眼圖的開啟大小更加明顯，4。5GHz高頻寬的優勢凸顯，上升時間更短。

得益於4。5GHz高頻寬的開關，相應輸出訊號的上升/下降時間更短，眼圖張開的更大。

艾為透過嚴謹的市場調研，立足高起點，推出了高速四資料通道MIPI開關AW35646，具有業界領先的資料頻寬4。5GHz，滿足未來智慧手機市場更高畫素攝像頭、更高資料傳輸速率的需求。

此款晶片集成了經過高速傳輸最佳化的10個單刀雙擲開關（5個差分通道），非常適合2組4 lane或以下的MIPI資料傳輸和切換，低至25μA的靜態功耗可滿足手機等電子產品的低功耗要求。AW35646晶片提供晶圓級的封裝WLCSP-36B。