煎蛋科学第42期：有了iPhone还要买专业相机么 - 数学和光学的较量

第42期，2019年9月10日，有了iPhone还要买专业相机么？数学和光学的对抗 

最近苹果刚发布了iphone 11，特别是这个pro版本，使用了浴霸摄像头的设计，三个摄像头实现了大概有4倍的光学变焦。我们不评价苹果的这个产品怎么样，但是有一点是肯定的，就是现在几乎所有的手机厂商，都在朝着一个方向努力，就是把相机的素质做的更加专业，甚至有些厂家鼓吹自家手机能够取代专业相机。的确，手机现在是越做越大，专业相机现在也是越做越小，特别是不需要反光镜的无反相机，比如索尼和佳能的APS-C画幅的相机，都可以做到跟手机差不多大小。蛋博士的手机220g，2000万像素，索尼的a5000，算是APS-C画幅的入门机，机身大概是270g也没重多少，也是2000万像素。乍一看你会觉得，既然大小重量都差不多，那是不是手机真的可以取代专业相机呢？

我们先说说答案，答案就是看你比的是什么。如果说比画质，这个其实有很多人都讨论过，稍微专业一些的人士，都不太会去思考这个问题，因为摄影界流传着一句话，叫做底大一级压死人。这里面的底，说的就是相机的传感器。一个相机，通过镜头将画面传送到传感器，然后传感器将入射光线转化为电信号，存储在数码存储设备里面，这就是我们说的数码相机，手机也是一样。摄影作品的画质，通常是由传感器和镜头的素质共同决定的，而镜头又是针对传感器设计的，传感器大，镜头也会随之增大，所以传感器的大小尤为重要。那么传感器的大小以及随之而来的大镜头到底能改变什么呢？能降低景深，提高镜头的锐度，提高镜头的抗畸变能力，以及提高相机的高感画质。但是，我跟你说这些，你可能听不明白，而且很多不具有摄影基础知识的人都听不明白。我们来翻译一下，大传感器到底有什么优势呢？（1）背景虚化，（2）拍出来的照片更清晰，（3）拍出来的照片，建筑轮廓的直线在照片里也是直的，拍的什么颜色的东西，在照片里也是相应颜色，（4）晚上拍效果好很多，夜色也不会有颗粒。我们来一条条解释一下，背景虚化这应该不太用说了，很多喜欢拍人像的听友应该都明白，拍纯人像的时候如果要突出主体，还是希望背景能够虚化一下，特别是背景颜色突出的时候。这个效果一般可以通过一个专业相机配备大光圈镜头来完成。有听友可能会抬杠了，哎我这手机，广告上写的大光圈F1.8，即使在专业相机里面，也算大光圈了吧。其实相机镜头的光圈对背景虚化的影响，要用传感器的大小来等效换算的，约等于一个正比的关系，也就是说就算是一个APS-C画幅的索尼a5000，一个大约2000块人民币就能买到的相机，传感器对角线是大部分高端手机的4倍左右，所以所谓手机的F1.8大光圈，也就相当于一个APS-C画幅相机的F7，如果要等效到全幅相机，那是差不多F11，我们一般用全幅等效F11的光圈就能拍拍风景，拍虚化根本不行。第二条是锐度，就是照片是否清楚。这个其实跟很多东西都有关，有镜头本身的球面像差，有拍摄物体的运动情况，还有拍摄者手是否抖动。球面像差我们就不深入讲了，总之热销的专业相机镜头，锐度基本都很不错。如果是被拍摄物体运动或者拍摄者运动，那么就需要高速快门。手机能做到高速快门么？能，但是手机的镜头本来就小，高速快门损失进光量，经常出现曝光不足。第三个是镜头的问题，专业相机镜头通光量大，更好设计和加工，有很多经典设计可以参考，镜头上面还可以多层镀膜，来控制色差。多个镜头组的协同也能够矫正球面像差和筒状畸变，你拍出来的东西才能是横平竖直，并且边角的清晰度也较高。第四个是夜景拍摄，因为晚上光线较暗，所以在有限的快门和光圈设置后，一般都会提高曝光三要素的另外一个，感光度ISO来保证曝光量。这个东西实际上就是调节的感光元件的灵敏度。调节感光度，感光元件会将电信号放大，但是同时噪点也被放大了，于是就会在图像上出现颜色奇怪的颗粒。专业相机的传感器大，信噪比相对更高，因此在高感光度下，噪点会更少。给大家打个比方就很好理解了。美国圣地亚哥的动物园有两只熊猫，美国人特别喜欢看熊猫，每天熊猫馆都人满为患，你都不知道你看的是人还是熊猫。但是，假设突然有一天，成都市政府说，圣地亚哥飞成都的机票1折，当天去圣地亚哥动物园的人都来成都大熊猫繁殖基地看熊猫，同样那么多人，但是能看的熊猫变多了，好几十个熊猫馆随便看，是不是看的更清楚了？

我们讲了这么半天，可能听友们听了觉得，那手机还是不行啊，天天吹4000万像素，其实底还是那么大。那没有办法，这是个营销问题，厂商没有功夫像蛋博士一样去跟大家解释传感器的重要性，那大家普遍能接受的数字，不就是像素了么？每个人都知道自己手机是多少像素的，有几个人知道自己手机的传感器是多大的呢？但是，上面你听到的这些是一般摄影师对于这个问题的看法，到现在为止我们还没引用文献呢，所以精彩的其实在后面。但是来了，手机并没有那么不好，也有很多专业摄影师使用手机进行拍照。这就要借助与一种技术，叫做计算摄影。传统的光学摄影进步是很缓慢的，蛋博士有一个60年代的蔡司长焦镜头，成色很好而且很便宜，现在新出的镜头，跟这颗镜头比锐度和色差控制也没有明显提高。但是计算摄影就不一样了，随着现在手机处理器性能的提升，加上人工神经网络的迅速发展，对于摄影的计算处理已经可以非常接近传统光学摄影的优秀效果。我们还是拿上面那四点来举例子。第一是背景虚化，早在苹果第一次将双镜头引入iPhone系列的时候，苹果就已经将这个功能放在了它的相机app里面。很多用户表示，这个功能非常靠谱，能拍出跟专业相机效果差不多的浅景深。双镜头的设计出了变焦以外，其实一个主要的功能有点像我们的双眼。人之所以有一双眼睛，是因为两只眼睛对焦能够对物体距离我们的远近有所估计，而一只眼睛对焦是不行。苹果以及同时期的三星，都是通过双镜头构建拍摄物体的景深图，从而推断出拍摄主体和背景。将背景分隔开就能对其进行虚化了。分隔背景，一直是图像处理领域一个经久不衰的领域，Google也没有少研究。Google后来推出的pixel相机，就只有一个镜头，但是传感器里面每个像素被分成了两半，被称作双像素，这种双像素最开始是佳能开发出来加强对焦的。谷歌利用这个传感器的两个信号同样能够对背景进行虚化。当然这也得益于Google自己的人工智能方面的研究，通过神经网络对图像的背景进行分割。2018年，Google把他们的技术发表在了一篇arxiv的文章上（https://arxiv.org/pdf/1806.04171.pdf）。从文章中我们不难看出，Google的技术对于主体和背景之间的过度，已经非常接近光学器件产生的焦内焦外的过度了，并且模糊层次感很强，拍摄主体坐在一个沙发上，沙发的纹理都已经有了一些模糊，而后面的背景更加模糊，这几乎可以和大光圈镜头媲美。

第一我们花了很多时间讲，因为其实大多数人认为专业相机的最大特点就是背景虚化。当然其他点其实也很重要，只不过关注的人没那么多而已。说说第二，锐度。现在的手机厂商镜头锐度都还不错，但是边缘锐度有些欠缺，因为手机镜头光圈一般固定，所以也很难像专业相机一样缩小光圈来提高锐度。其实这个也是好解决的，办法还是神经网络，现在比较流行的GAN，我们就不翻译了，处理这个问题非常合适。尽管在摄影上还没有广泛应用，但是在医疗成像上，在卫星图片优化上，已经有了很多研究（https://arxiv.org/pdf/1706.00051.pdf， https://arxiv.org/pdf/1805.03371.pdf），蛋博士也有一位朋友运用这种技术去让没有对好焦的癌细胞的显微镜照片变得清晰，效果也很好。第三是高速快门，目前的高端手机一般都能在光线充足的情况下拍到溅起的水花。但是光线不充足的时候也会运动模糊，当然Adobe已经做的很好了，主要是通过神经网络来估计物体运动速度，然后将运动物体还原，目前也有一些文章讨论如何将电脑上的解决方案应用到手机上。当然这个效果和专业相机高速快门带来的效果差距还是有。第四个是高感光度拍摄噪点的问题，这个解决方法就多了，可以利用神经网络去除噪点，还可以用低感光度搭配慢门长曝光，还可以连拍数张后期堆栈，总之效果还是不错的。

其实关于手机能否取代专业相机，蛋博士觉得这个问题就不应该存在，这就相当于是问葡萄能不能取代菠萝成为你每天吃的水果一样。热带菠萝多，温带葡萄多，当然还看你爱吃哪种，这就是两个不一样的东西。手机确实没有办法像专业相机一样高速快门，但是在大街上你看到一个有趣的场景，一直蝴蝶停在了你男朋友或者女朋友的头上，等你摸出相机，蝴蝶走了，你说你的相机快门再快又有什么意义呢？手机作为一个移动计算机系统，还有一个优势就是运算速度快，这为手机直接处理照片带来了可能，蛋博士最常用的一个功能就是HDR，这个过程简单说就是在几个不同曝光情况下连续拍摄，然后将图片堆起来，这样能够处理高光比的环境，就是拍摄对象亮暗对比太强，比如同时有天空和地面。使用专业相机的摄影师可能告诉你，我用一个中灰渐变滤镜就解决了，或者专业相机也可以多拍几张堆栈起来，但是滤镜和Photoshop，升至是机内HDR，哪一个不需要多花钱呢？不过在专业摄影棚里，你就不能用手机了。想想你的客户把模特带来让你拍，然后你把补光灯都摆好然后掏出手机连拍数张，然后告诉客户，看我给你用深度神经网络优化照片，你看客户还愿不愿意签你这单生意？的确利用深度学习技术，手机拍摄的照片也可以获得很高的画质，但是深度学习，所有的训练都是针对如何让手机的照片看起来像专业相机拍的。可以非常像，要想完全一样，目前还是没法达到，但是在一些特殊的摄影题材，计算摄影和专业光学摄影已经很接近了。文中提到的索尼和佳能相机，因为蛋博士是索尼和佳能用户，对这两个厂商比较了解，很多摄影爱好者喜欢较真，蛋博士完全没有捧这两家或者黑其他家的意思。我们希望通过这一期的节目让大家能够对手机摄影有一个清晰的认识，明白手机摄影和专业摄影其实不存在谁超越谁，本身就是两个不同的思路，不过如果只论画质，专业摄影器材在大部分题材下还是要更胜一筹。今天的节目就到这里，感谢大家收听，我们下期再见！