从iphone11 pro短片《女儿》看手机视频技术

2020年1月11，临近中国农历鼠年春节，苹果官方上线了今年新春大片《女儿》，感人的故事，上乘的制作，精致的画面，如果不是特意提及全程是用手机拍摄，恐怕所有人都会以为还是使用主流的摄像机等大型设备拍摄的。短片里，移动中快速精准的对焦，全场景准确的曝光还原，大小焦距带来的广阔的视野空间，暗光下丰富的细节呈现，特别是整体手机画面的超强稳定性，给观众带来了极佳的用户体验。那么，手机摄像又是怎么样的发展情况，这中间涉及哪些技术，本文尝试给出一些思考和解释。

《女儿》海报

    对于手机摄像，主要就是指手机的摄像（video）功能，其实每年苹果都会发布贺岁短片，借以宣传自己的手机出色的拍摄和摄像效果，2018年曾使用iphoneX发布短片《三分钟》，今年，是不是受华为去年下半年mate30 pro发布会的刺激，2019年9月19日，华为发布旗舰机型mate30 Pro，超感光徕卡电影四摄，DXO排名坐拥榜首，手机video效果也极其出色，出售首日一时万人空巷。不管怎么看，我们可以发现一个共识，就是现在的手机厂商，越来越重视手机录像功能，好的手机录像效果也是各大厂商在发布会必提的亮点之一。

华为mate30 pro手机camera参数

那么，如何评价video效果的好坏呢？DXOMark评分现在是较为主流的一个评判依据。DXOMark评分是由法国一家图像处理软件DxO公司，通过一套自家的客观的图像客观评价机制计算照片的图像质量，目前整体上得分比较贴近市场和用户的反应。以华为mate30 pro和iphone11 pro为例，从DXO评分上来看，华为拍照得分134，独占榜首，遥遥领先于苹果；而在video效果上，两者分数相当，均102分，其中主要测评项包括曝光，色彩，自动对焦，纹理，噪点，伪像以及防抖等7项。具体是什么含义呢？本文将一一进行解释。

Iphone 11 pro DXO得分

华为mate30 pro DXO得分

第一点，防抖。从短片宣传上来看，主打三个买点：超广角镜头，小空间拍出开阔画面；扩展的动态范围，打造丰富层次和细节；影院级防抖，稳稳呈现生动情节。也就是广角镜头、高动态范围以及防抖。防抖一直被提到，可见它的卖点地位。那防抖是什么意思呢？为什么要防抖呢？简单的来说，对于我们拍照，每一张照片都是有一个曝光时间的，比如1/30 Sec，也就是说在这持续的三十分之一秒时间里，我们的sensor需要不断地接收来自所拍实物的反射光，从而成像存储下来。现在假设拍一张静物，但是拍摄的时候人的手有稍微的抖动，刚好在1/30Sec之前和1/30Sec之后拍摄的物体的位置有较大的的出入，这个时候储存的图像就会错位，显示模糊，看不清，我们把这种模糊，称之为抖动模糊。

抖动模糊举例

防抖，就是减少抖动造成的成像影响，具体实现方法都是检测抖动情况，做反向补偿。OIS光学防抖，EIS电子防抖以及AIS智能防抖是目前常用的三种防抖方法，其中已OIS应用最为普遍。OIS，Optical Image Stabilization， 光学防抖，它的工作原理可以简单的描述为：通过在镜片组中增加一个使用磁力悬浮的镜片，配合陀螺仪工作，当机身发生震动时，能检测到轻微的抖动，从而控制镜片浮动，对抖动进行相同大小但方向相反的图像偏移的补偿，以避免光路发生抖动，iphone11 pro也是采用这种方法。

通过镜头的光线示意图

OIS具体系统工作流程如下图所示，主要由Hall, Gyro，Actuator以及相应的处理控制单元组成。Hall器件主要检测抖动的位移量，即前后左右方向；而Gyro则主要检测抖动的倾斜角度，一般都是在+-0.5左右，在实拍过程中，拍摄人的抖动信息会被各种传感器检测到，从而转换成相应的电流信号，驱动Actuator进行反向补偿。

OIS系统结构单元示意图

线圈的工作方式，主要基于电磁场的经典理论，洛伦兹力以及胡克定律。根据电流的大小控制受力的大小，电流的方向实现力的作用方向，同时，结合弹簧线圈受力大小和长度的关系实现位置的偏移量，最终达到抖动的补偿，来实现精准的对焦。

线圈受力分析图

另外，OIS主要工艺方法有两种：平移式和移轴式，基本原理都是控制镜头相对于图像传感器平移而将手抖造成的图像偏移抵消补偿掉，结构这一块也有很多专利技术。总的来说，平移式纠偏大效果好、但结构复杂成本高，需要额外的系统平衡掉外界对悬浮体的影响；而移轴式四角容易模糊，效果差，但结构简单，尺寸小，易装配。

两种OIS结构示意图

而EIS电子防抖，是一种演算法运算，透过影像裁减补偿方式来避免模糊，防震效果取决于演算法的设计与效率，主要是做算法处理，优点是不需额外增加硬体，成本较低且适合微型化设计，但通常必须牺牲影像的解析度与大小，对于防抖治标不治本。另外，AIS智能防抖，就是利用人工智能技术，结合OIS和EIS的优点，进行深度学习优化。

余下几点，后文持续更新。

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主要参考资料：

1，https://www.dxomark.com/cn/

2，https://product.pconline.com.cn/itbk/digital/dc/1709/10031064.html

3，https://baijiahao.baidu.com/s?id=1548128565783070&wfr=spider&for=pc