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一篇长文华为P30系列相机实测与技术解析蔬菜

发布时间:2020-10-24 19:00:36
一篇长文: 华为P30系列相机实测与技术解析

首先是P30系列最震撼的“夜视”功能,网上有很多评测都有展示在弱光环境下P30系列有多厉害,那么直观来说,这是一张P30 Pro拍摄的平平无奇的照片:

但实际上,它的拍摄参数是ISO 204800,1/4秒,F1.6,有机会大家可以拿出自己的相机手动设置到这个参数,晚上关了灯在家里找找它所匹配的是怎样的光线,相信我,找到之后你一定会对P30系列油然起敬。但别慌,其实这里华为玩了一个数字游戏,这个咱们后面再细说…

P30 Pro(上)和P30主摄特写:

华为的图像算法可以说是激进与谨慎并存,激进的地方在于弱光下的降噪涂抹力度很大,但因为主要在手机上观看,涂抹强一点其实也无可厚非(因为高频信息即便有保留,在较小的显示面积下也会迅速超过人眼和大脑的敏感范畴,所以涂抹掉也无所谓)各档ISO(包括409600)JPEG都几乎没有一点儿噪声,这应该是让很多人惊叹的地方之一。而华为的谨慎之处是多帧算法的模糊帧抽取得非常好,这一点真是远远胜过了还需要在PC端用专用程序处理的专业相机,下图是用夜景模式拍摄正在抚琴的古装美女:

这可以说是摄影爱好者都有点害怕遇到的光线环境,暖色且杂乱的背光,照度偏低的环境,不断移动的主体…整个6秒多帧处理过程中她一直在弹奏,但最终出片时,人像并没有模糊,所以这幅照片里人像的部分其实只用到了实际拍摄的很少部分帧数,但依然可以凭借算法来输出毫无违和感的图像,并且几乎看不到噪声,可见算法工程师的加班盒饭里,鸡腿是加到位了的…

不过即便是多帧堆栈,在配准对齐上其实也很难做到十全十美,比如很多手持夜景多帧堆栈的照片在电脑显示器上放大观看时并不难发现细节的模糊,这里随便截几个100%放大:

但因为手机屏幕相对电脑显示器要小非常多,这些细节上的问题几乎都无法察觉,考虑到手机的照片也主要是在手机上查看,所以这并不算是什么严重的问题,毕竟这种弱光下拍得到比拍得好更重要。

弱光拍摄能做到这个地步,关键因素是决定了快门基数不会太慢的高ISO,再加上多帧堆栈,P30系列所有拍摄模式在判断为弱光或有高光比环境时都会启动多帧模式,这也是为什么拍摄的时候会有一行“拍摄中,请持稳手机”的提示。华为虽然官宣P30系列主摄像头的ISO可以到409600,但实际上只有Pro可以,P30只能到204800,而且整个系列的主摄至多只能输出ISO 6400的RAW,超出6400以后不但无法输出RAW,快门速度也会自动限制到一个与之匹配的固定速度:409600就只有0.5秒,51200-204800是1/4秒,25600是1/8,12800是1/15秒,这些规格无论在什么模式下都是自动多帧(ISO 6400以内主摄的专业模式为单帧输出)而且真实快门比这个要快很多,为什么这么说?简单设置一个ISO 102400,F1.6需要1/5秒才能正常曝光的环境,作为参考的全画幅相机输出亮度是这样:

而ISO 409600,F1.6的P30 Pro如果是严格的1/2秒单帧,那意味着亮度会大幅高于上图(因为此时的理论快门应该只有1/20秒,1/2秒约高出3档多一点)但事实上只能拍出这样的效果:

P30 Pro出图亮度比理论正常曝光值低了2档左右,所以显然,真正用于曝光的有效时间不会超过1/80秒,在1/2秒的时间里它其实是以此速度连续拍摄多张后进行了机内堆栈—而这就是前面所说的“数字游戏”华为P30系列在ISO 6400以上时都会固定快门速度,但这并不是它真正用于曝光的快门速度,而是多次曝光+机内处理的时间总集。从技术上来说,N次相同空间采样叠加后的信噪比为N的平方根倍,所以如果要提升K档信噪比,理论上就需要堆栈的照片张数就是2的2K次方,事实上包括夜景、长焦、高ISO等等所有的机内多帧都是如此处理,只是强光环境下单次快门的速度非常快,多帧处理的过程几乎不会被察觉罢了。因为有着较好的性能提升效果,所以对1/1.7英寸这种小底来说,多帧均值叠加很有意义。

而且不难发现,在这种几乎没有主光源的弱光环境下,P30 Pro的白平衡并不准确,在相同场景先后拍摄两张照片的色调可能完全不同,而作为参考系的全画幅相机则没有这个问题。除此之外,P30系列在ISO 6400以上时即便专业模式,曝光补偿、对焦模式、白平衡等也都均不可调整,说明这块传感器的原生ISO输出其实只能到6400,往上都是通过扩展ISO+强制机内降噪的方式实现,事实上如果对比单帧拍摄,P30 Pro的ISO 6400 RAW和机内JPEG降噪可能并不会如你想象中那么厉害,再次设置一个ISO 102400,F1.4也需要1/5秒的极暗环境,但为了看清细节上的差异,所以在画面右侧设置了一颗很小的白光LED来照亮细节:

截图从左到右分别是P30 Pro ISO 6400的RAW和JPEG、ISO 409600 JPEG多帧、佳能全画幅ISO 102400的JPEG和RAW。如果你放大或在PC显示器上观看,不难发现P30 Pro的ISO 6400 RAW在细节上远远不如比它高4档的全画幅ISO 102400,JPEG更是多出了许多色块,ISO 409600已经没有了什么高配细节,只剩下了低频反差。唯一的优势是因为景深较深(1/1.7英寸+F1.6+物理焦距5.6mm半米左右的对焦距离景深也达到了45cm左右,而F1.6的24mm对焦在半米处时景深只有3.3cm左右)所以对焦难度相对要低很多,事实上全画幅的拍摄我是在开灯完成对焦后,再切换到手动对焦档并关灯进行拍摄。

但注意,不同画幅之间高感光度的对比除了满足部分人好奇心之外本身没什么实际意义,因为极弱光为最大噪声源的散粒噪声信噪比本来就与传感器面积的平方根成正比,手机就是手机,相机就是相机。此前吵得沸沸扬扬的星空事件其实也真的就是打打嘴仗,因为在晴朗夜晚即便是有着严重光害的市区内,P30 Pro设置ISO 400,6秒曝光的情况下就能看到星点:

所以如果是身处纳米比亚,当然会更加容易拍出很不错的星空作品,只要支持RAW和手动模式,手机拍星空并不是什么天方夜谭,这并不是华为才能拍的主题。

而P30系列之所以能够成为“夜视仪”最大的功劳除了相对足够大的主摄传感器,程控电压电路设计也相当了得,能把原生ISO推到6400对于小底传感器来说已经很厉害了,毕竟APS-C的佳能M100原生感光度也不过是6400的上限。

从硬件来看,P30系列的主摄其实本身就是为弱光而来,首先是Quad CFA设计,四个覆盖相同频段滤镜的像素合为一体(也可以理解成把一个像素切成了四个)所以原生是4000万像素,事实上也可以在拍摄设置里设置成4000万输出,这一点跟P20 Pro是一样的,这个设计的好处是提高空间采样率,提高摩尔纹的产生频率,并且可以从像素内做曝光长短帧HDR(虽然做得并不算太好)所以相对原生1000万,它是能够提升细节的,而细节恰恰是弱光下最缺乏的内容点。

而第二个改进就是RGGB变RYYB,这个讨论得很多了,简单来说对于弱光环境来说,RYYB增大了长波段的透过率,而真正的夜视仪本身就是长波段的红外成像仪,所以RYYB从原理上自然可以增强弱光下信号值。结合多帧技术,拿到这两台P30的这几天我几乎逢黑就拍,以前总是怕黑,现在是生怕它不够黑…效果也确实是不负众望的强悍,“暗夜之眼”实至名归。

这里可以插一句:有朋友问我,为什么相机不做这些设计?事实上相机早有做过,早在CCD时代柯达就尝试过补色滤镜组合来提升弱光性能,多帧更是早在多年前就出现在了卡片机上,现在的索尼、宾得、奥林巴斯甚至哈苏也还在用像素偏移摇摇乐来提升画质。但随着手机摄像头成为影像传感器出货量的绝对龙头,面积小、良率高、产能大、迭代快等优势让它更适合作为新技术的演武场,所以未来的不少新技术也基本只会先在,甚至只在手机摄像头上出现。

不过RYYB增强了弱光,代价则是牺牲了日间拍摄的色准,特别是绿色与黄色,其实作为新滤镜阵列的第一代,P30系列的表现还是很不错了,在不对比且非极端的情况下比较难以察觉异样,但一旦对比,哪怕是主摄与广角、长焦镜头的对比都可以说是非常明显:

都是自动模式,相同场景同时拍摄,两张照片中第一张是RYYB的主摄,第二张是RGGB的广角镜头,都是日常拍摄,没有刻意去找差别很大的场景,这样可以比较准确反馈出大家日常使用的差距:

从RAW效果来看,如果是色调构成简单的环境,比如绿色为绝对主力,那其实拉一下绿色通道就能找回来,但复杂环境就比较难了,而且比较容易把人脸拍得偏蜡黄甚至发红,所以目前来看猜色会是P30一个相对比较大的问题,老外的盲测结果也算是一种佐证,不过还是那句话,大多数情况下如果不做摄像头之间的对比,其实很难察觉这个现象。

说了很多主摄静态照片方面的特点,现在来补充一下,弱光最大的限制其实是帧率,如果是30p就意味着快门速度最慢也要1/30秒,而且几乎不能做多帧,弱光拍摄就只能靠自动ISO来硬怼,所以P30系列的弱光性能并没有照片模式那么厉害(虽然取景时看上去差不多)而且模式有明显的视角裁切:

使用广角镜头可以把等效焦距拉到24mm左右,不过裁切其实也可以理解:一方面是可以做电子防抖,另一方面别忘了这可是一块原生有4000万像素的Quad CFA传感器,以1000万输出取829万做4K实际上也相当于用3317万,也就是8K原始数据采样,因此P30系列的4K素质是比较高的,而在这个基础上也自然只能做30p。不过它的4K码率不高,即便H.264也只有30Mb对中国的言辞也更加激烈。ps左右,这意味着1分钟左右的需要230MB左右的存储空间,对手机来说是比较适中的设计。

P30 Pro潜望式长焦镜头特写,稍微倾斜角度就能窥见内部棱镜

接下来说说长焦,潜望式设计实际上OPPO在去年12月底就申请了专利,当时我也曾写过我的预估,简单来说这是不机身厚度,也能很好利用机身宽度来制作长焦镜头的实用方案,其实手机的变焦概念并不同于相机,手机的变焦是接棒式的多摄混合算法,而相机镜头变焦则是靠移动镜组来改变主点位置,所以手机的长焦镜头从光学上来看依然是定焦镜头,这次首发于华为P30 Pro的长焦模组规格是800万像素等效135mm F3.4,但事实上即便是解读在135mm及以上是它单独工作,但输出的分辨率依然是与主摄分辨率相同的2736x3648,因此一直有第三方行业人士在质疑这个初代潜望式镜头实际上光学焦距只能做到主摄的2~3倍,多出来的部分是叠加软件算法的形式实现。

但无论算法如何,135mm F3.4的规格不算落后,在手机镜头里已经算是相当长的焦段,而作为对比,P30就只有80mm F2.4,在同为5倍,也就是P30 Pro光学,P30数码的情况下性能差距还挺明显的:

这也从侧面反映出在手机这“芝麻绿豆”般大小的空间里想做我们传统摄影观念里真正的长焦镜头有多么费劲,潜望式“黑科技”加持下也只做到了135mm,再做大就会遇到光圈、防抖方面的天花板,所以在此基础上长焦端依然十分依依赖多帧均值叠加来增强数码长焦的实用性。事实上在日常光线,哪怕是黄昏时不算特别理想的环境下,这颗等效135mm摄像头的素质还是挺不错的,如果是光线条件较好的情况下,10倍,也就是270mm的输出效果用在社交媒体上反正是绰绰有余。

27mm(1倍)是这样的:

135mm(5倍)后是这个样子,没有问题:

270mm(10倍)后的画质其实是依旧可用的:

1343mm(50倍)虽然也会辅以多帧,但这时候往往画面会抖动得让你怀疑自己是不是得了帕金森,非常难以配准,所以堆栈几乎起不到什么作用,在手持的前提下50倍变焦可以粗暴理解为数码放大,当然如果是架在脚架上,效果会更好一些:

其实这种照片已经全网到处都是了,我也就点到为止吧。前几天有朋友在评论区聊到了数码变焦的画幅裁切,为什么4000万像素主摄不直接做个5倍焦距裁切?N倍焦距就意味着视角,也就是对角线缩减为1/N,只能用到画幅的1/N^2面积,5倍裁切实际上就是取原始画幅对角线1/5,即1/25的面积来进行有效采样,4000万像素就只剩下了160万,而且Quad CFA还要再除以4,只有40万像素…所以多摄接棒光学变焦在目前是绝对有意义的设计,绝非数码变焦可取代。

而且华为P30系列的多摄拼合做得很聪明,即便是调整到长焦镜头,但当物距较近(大约50cm以内)的时候它会调用主摄裁切来进行拍摄,大家可以自己用手指遮挡镜头,一测便知。这样做的原因是可以在长焦模式下也可以实现近距离对焦,虽然有点取巧的意思,但比只会单纯使用长焦镜头的方案要更机智。

再说一个比较有趣的功能—超级微距。这个功能最开始是出现在Mate20系列上,而P20等老机型通过升级也能实现,P30全系都原生支持,一枚1角钱硬币在超级微距下最大可以拍出这种效果:

作为对比,全画幅百微镜头放大拍摄效果是这样的:

所以,P30系列的超级微距模式可以实现接近全画幅微距镜头的效果(虽然准确来说像高/物高的放大倍率远远不到)手机的小画幅和超短光学焦距先天就更有利于做微距,小画幅可以较低的放大倍率实现较大的画幅占比,比如前面那枚硬币直径19mm,放大意味着它在全画幅传感器上的像也是直径19mm,但在P30系列的1/1.7英寸上像则仅仅只有4mm,真实放大倍率不过0.21x,但因为这两个像在各自画幅下的占比接近,所以输出的图像看起来是差不多大小。

而较短的焦距为什么容易做微距?因为放大倍率m=焦距f/(物距u-焦距f)=(像距v-焦距f)/焦距f,移项后可以得到像距v=(1+放大倍率m)*焦距f,微距摄影从透镜公式来看无非就是增大像距v,而增大像距意味着镜组需要向外延伸,这对于设计空间非常有限的手机镜组来说就非常具体,而根据上面的公式,当放大倍率m变大时如果想要降低像距v的变化,唯一的方法就是降低焦距f,所以较短的焦距就更容易做微距,这一点对手机来说特别重要。

不过事无绝对,超广角虽然方便做微距,但也有物距u=(1+1/m)*f,焦距越短,相同放大倍率的物距也更近,有微距拍摄经验的都知道贴太紧其实并不算好事,所以相机端的放大微距镜头主要还是在60mm、90mm、100mm甚至180mm,目的就是不惊扰一些敏感的拍摄对象,比如昆虫,而且也更易于布光。而放到手机上,P30系列在超级微距模式下可以用等效16mm的超广角镜头进行拍摄,不过对焦距离不会有变化,所以它的放大倍率其实并不会比主摄高,主摄也提供了3倍数码变焦功能,可以进一步放大一些细节,但实际上也就跟我们拿到一张放大倍率照片后手动放大一个意思。

P30 Pro和P30广角镜头特写

说到了P30系列的广角,这可以说是它做得不那么好的镜头之一,可能也正因如此所以华为没怎么讲它。边缘区域的像散、彗差结合倍率色差相当明显(注意下图左上角)而且存在一定程度的畸变,可以作为一种视角上的补充,但综合素质明显不如主摄与长焦:

最后说说RAW的调整空间,虽然在手机上聊RAW有点傻乎乎的感觉,毕竟手机讲求的是直出,但既然P30系列提供了RAW,那就来看看它的传感器性能究竟如何,先看样张:

还是要依据平台本身业务而来

等效27mm的主摄RAW有非常明显的暗角,当然可以通过后期手段补偿,但会比较明显增加暗部噪声,这意味着它的动态范围其实很一般,作为一个很多时候都要靠多帧处理的方案,单帧性能并不是华为主要考量的对象(这么小的底确实也很难翻出什么浪花来)所以这个部分也就看看就行,点到为止吧。

不知不觉竟写了这么多,虽然华为P30系列尚且存在一些小毛病,但瑕不掩瑜,并不妨碍它拿下最佳拍照手机的名号,也从很多方面给出了未来手机摄影的走向,无愧国产之光的美名!至于这P30和P30 Pro该怎么选,如果你不太在意长焦,也希望主摄颜色更正,那我建议选P30,而如果你对望远镜比较感兴趣,那P30 Pro是更好的选择,除此之外两者在相机方面的使用体验是很接近的。

本文相关词条概念解析:

华为

华为技术有限公司(简称华为)是中国一家从事信息与通信解决方案的供应商,总部位于广东省深圳市。华为于1987年注册成立,业务范围涉及电信网络、企业网络、消费者和云计算。其电信网络产品主要包括通信网络中的交换网络、传输网络、无线及有线固定接入网络和数据通信网络及无线终端产品。2014年10月9日,Interbrand在纽约发布的“最佳全球品牌”排行榜中,华为以排名94的成绩出现在榜单之中,这也是中国大陆首个进入Interbrandtop100榜单的企业公司。2015年,评为新浪科技2014年度风云榜年度杰出企业。2016年,研究机构MillwardBrown编制的BrandZ全球100个最具价值品牌排行榜中,华为从2015年的排名第70位上升到第50位。8月,全国工商联发布“2016中国民营企业500强”榜单,华为以3950.09亿元的年营业收入成为500强榜首。8月,华为在"2016中国企业500强"中排名第27位。

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