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华为手机“夜视仪”的秘密武器,其渊源竟然这么长

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请称呼我所长  搞机社达人  发表于 2019-11-6 17:18:13 来自:浏览器

最新回复 3 天前

本帖最后由 请称呼我所长 于 2019-11-7 10:31 编辑

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好玩的、新鲜的、实用的“搞机资讯”都在这里,和所长一起去“搞ji”吧!
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大家有没有发现一个问题,如今市面上的越来越多的手机都有超级夜景模式,而华为P30系列和荣耀20系列更是被网友称为“夜视仪”。到了华为Mate 30系列更是将“夜视仪”应用的淋漓尽致,那么,可有人想过关于“夜视仪”的来源吗?本期所长就来和大家分享一下,关于华为Mate 30/P30和荣耀20系列“夜视仪”的秘密武器——RYYB。
RYYB的鼻祖距今刚好180年

有伙伴可能还不懂“RYYB”是什么?RYYB被称为超感光技术SuperSensing,就是“超级感光”的意思。感光技术是通过拍摄对象反射的光,记录物体的影像,就相当于人眼的视网膜,在看到发光的物体后才会在脑海里形成影像。

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感光技术怎么来的?这就不得不提起法国画家达盖尔,他在研究照相技术时,无意中把一把银匙放在用碘处理过的金属板上,过了一会儿,达盖尔发现这把银匙的影子居然印到了板上。于是他专门磨制金属板,并在上面涂了碘,用镜头进行拍摄,果然拍下了薄薄的影子。之后,利用镀有碘化银的金属板在暗箱里进行曝光,然后以水银蒸汽进行显影,再以普通食盐定影,得到金属光泽的正像,不仅十分清晰,还可以永久保存。

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由于属于最早期的摄影技术,很方面都有所欠缺,特别是在曝光时间上,所需的时间太长了,后面,人们在用作感光物质的碘化银里加入溴化银,从而大大地减少了所需的曝光时间。之后法国政府为推广摄影技术,便在1839年公诸于世的“达盖尔银版照相法”,这就是感光元件的鼻祖,距今刚好180年。

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有了早期的摄影技术后,但是留存方式还是个问题,为了解决这个问题,在“达盖尔银版照相法”发明之后,人们不断改善感光技术,感光的效率越来越高。1884年,理查德·利奇·马多克斯发明了第一个纸基负片胶卷,1888年发明了一直通用至今的透明片基胶卷。之后伊斯曼发明的胶卷以及“傻瓜相机”正式推动了摄影的普及,而他的这家公司也改名为“柯达”。

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黑白时代终结,色彩搬运工来临

早期的胶片都是黑白的,如何保留住光的色彩这是一个很大的问题,不过历史总是不缺乏英雄。法国的卢米埃兄弟首先研制出彩色底片技术,他们在含有网屏的感光板上,一面涂上全色黑白摄影乳剂(对各色光都能感光),另一面涂上橙色、绿色和蓝色的马铃薯淀粉微粒。在照相机拍摄和正像显影中,淀粉颗粒被保留了下来。显影之后,通过这个淀粉彩色滤镜,黑白正像就会呈现出全彩色的透明正像效果。

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之后,在1935年,柯达公司推出了革命性的彩色胶卷,赛璐珞片基上依次涂着对红、绿、蓝敏感的三层乳胶,总厚度还不及传统黑白片的乳胶层。之所以彩色胶卷能记录色彩,是因为三基色原理,即加色法RGB和减色法CMYK。

三基色原理是指:光照射在物体表面,部分光被物体反射到人眼,被视网膜上的光敏细胞所捕捉。光敏细胞感知到红光、绿光与蓝光三种颜色,并将光信号转换成脉冲,通过视神经信号在人脑中形成完整的物体形状和色彩,这是人眼捕获色彩的完整过程。

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加色法RGB:红、绿、蓝三种颜色基色相互独立,任何一种基色都不能由其它两种颜色合成。除三种基色之外,自然界中的绝大部分彩色,都可以由三基色按一定比例混合得到;反之,任意一种彩色均可被分解为三种基色。RGB是红、绿、蓝三种颜色的缩写。

减色法CMYK:实际上是加色法RGB的“互补“版本,被广泛地用于被动发光的物体上。除了光源,我们看到的自然界的一切物体,其实都是没有颜色信息的。我们在光的照射下看到的物体颜色,其实是物体对色光的吸收和反射的结果。CMYK是青(Cyan)、品(Magenta)、黄(Yellow)、黑(blacK)的组合。

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可能看到这有伙伴迷糊了,表示还是不理解什么是加色法RGB和减色法CMYK?简单点讲就是:红色+绿色=黄色,红色+蓝色=品红,绿色+蓝色=青色,红色+蓝色+绿色=白色,于是RGB模型便诞生了。反之,黄色+品红=红色,黄色+青色=绿色,青色+品红=蓝色,黄色+黄色+品红=黑色。黑色为了避免和Blue混淆,取black最后一个字母K代表黑色,于是CMYK模型也诞生了。之后便有了关于RGB与CMYK色彩模型的通俗称呼——RGB光与CMYK墨。

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上面所提的彩色胶卷,正是使用了CMY的减色法。彩色胶卷的感光片为多层结构,其中有三层感光乳剂特别重要,即:感绿层、感红层、感蓝层。这三层里面都是涂有银盐(卤化银)的染料。光线照下来,卤化银发生变化了,变化的这一部分同时被染上颜色,“银盐感光 + CMY颜料”,这就是彩色胶卷的秘密。

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感光元件助力,开启数码摄影时代

伟大的转折,发生在1969年。美国贝尔实验室乔治·史密斯(George Smith)和威拉德·博伊尔(Willard Boyle)发明了CCD器件的原型。当时发明CCD的目的是改进存储技术,元件本身也被当作单纯的存储器使用。随后人们认识到,CCD可以用来拍摄并存储图象。


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胶卷成就了摄影的化学时代,CCD/CMOS感光元件则开启了摄影的数码时代。1975年,柯达应用电子研究中心工程师史蒂芬·沙森开发出了世界上第一台数码相机。

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这台数码相机使用磁带作为存储介质,拥有最高1万像素的CCD黑白感光元件,拍完一张照片,写入数据的时间就长达23秒。拍好以后需要把磁带拿下来,拿到播放设备上才能够显示照片。柯达公司认为数码相机的发展会严重威胁到公司赖以维生的底片事业,所以停止了研发,后面的故事大家都知道了。随着数码相机的发展,更省电的CMOS感光元件被发明。这就是今天手机里使用的图像传感器。

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大家所说的“底大一级压死人”,指的就是CMOS的物理尺寸更大,可以获得更多进光量。这个“底”(sensor size),分割出像素点(pixel)。总像素数,就是我们常说的XXX万像素,它决定了拍摄照片的清晰度。图像传感器“底”的大小 ÷ 总像素数,就是每个像素的尺寸(pixel size,一般按μm计),直接决定了每个像素点的进光量和噪点。

胶卷是通过在银盐中增加颜料来捕获色彩,那么CCD/CMOS感光元件又是怎么捕获颜色的呢?实际上CCD/CMOS通过光电转换也只能保存光的强度,无法保存光的颜色。于是人们想到,能不能在每个像素点上增加红、绿、蓝3个滤镜呢?这样根据RGB加色法,不就可以通过每个像素通过的红、绿、蓝三种颜色混合,从而计算出这个像素点的颜色了吗?

理想很丰满,现实很骨感。在每个像素点上增加3个滤镜,不仅成本很高而且工艺技术很难,于是人们不得不“另辟蹊径”。1976年,柯达公司的拜耳发明了RGGB拜耳滤色镜。拜耳在每个像素点上增加一个滤镜,每个滤光点只能通过红、绿、蓝之中的一种颜色。

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每个像素点只可能为三种颜色之一:红、绿、蓝,或者什么也没有。为了能够准确还原出原始光线的颜色,不同颜色的滤镜的排列是有规律的:每个绿点的四周,分布着2个红点、2个蓝点、4个绿点。这意味着,整体上,绿点的数量是其他两种颜色点的两倍。这是因为研究显示人眼对绿色最敏感,所以滤光层的绿点最多。

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这就是拜耳发明的RGGB颜色滤波器(Bayer Color Filter Array)。按下快门,光线经过镜头,传感器上的滤镜将光线分解成一个个单色的光,传感器记录每个像素点的光强度数值,这就得到了RAW数据。RAW的灰度值转换成图像,是这样的:

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RAW照片只有黑白马赛克,没有完整的图像,惨不忍睹。这时候,用数学处理的后期工作该上场了。将颜色滤波器捕捉的像素对应点的颜色加上后,是这样的:

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第三步,去马赛克(Demosaic),也叫“猜色”。没错,彩色照片的颜色就是猜出来的。前面提到,每个滤光点周围有“规律”地分布其他颜色的滤光点,那么就有可能结合它们的值,判断出光线本来的颜色。以黄光为例,它由红光和绿光混合而成。

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那么通过颜色滤波器以后,红点和绿点下面的像素都会有值,但是蓝点下面的像素没有值,因此看一个像素周围的颜色分布——有红色和绿色,但是没有蓝色——就可以推测出来这个像素点的本来颜色应该是黄色。


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在猜出每个像素的RGB颜色后,后期软件再通过各种增强(包括白平衡矫正、gamma校正,风格曲线、降噪锐化设置等参数),就得出我们想要的照片了。

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颜色滤波器(CFA)和去马赛克(Demosaic),是彩色照片的物理和算法基础。目前业界采用的颜色滤波器和去马赛克,基本都是基于拜耳发明的RGGB模型。从数码相机诞生起,拜耳RGGB模型一直是图像传感器CFA的主流选择,过去四十年间诞生过各种不同排布的CFA,比如CMY,RGBE,CYGM,CYGW,RGBW等等,始终未能撼动拜耳RGGB的地位。

RYYB:“夜视仪”的秘密武器

华为这个理工男,无论做什么事情都追求搞得明明白白,所以在基础技术上总是孜孜不倦。华为早在2016年推出第一款徕卡双摄手机之后,就启动了RYYB的预研工作。Camera的科学家们从黄色太阳镜获得灵感。既然黄色=红色+绿色,那如果把R-GG-B换成R-YY-B,不就相当于R-RGRG-B了吗?这意味着相同镜头和传感器下,光子进光量多了一半。

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经过两年多RYYB算法开发,终于解决了从RYYB还原到RGGB的问题。RYYB相比RGGB实现40%的进光量提升。这使得P30、Mate 30系列不仅提升了清晰度,还大大提升了夜拍效果,远远超过人眼ISO。目前还没有科学的方法准确计算出人眼的感光度,据摄影师不可靠测算,人眼ISO感光度大概在60000左右(这一点众说纷纭,所长取了一个自己晚上眼睛感知比较靠谱的值)。

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得益于RYYB颜色滤波器的加持,P30和P30 Pro主摄的ISO感光度分别提升到了204800和409600,不仅远远甩开其他手机一条街,甩开了上一代P20 Pro的102400,甚至某种程度上,超过一般单反相机。所以,P30一发布,网友们纷纷表示:

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同样,最新发布的Mate 30系列也采用了RYYB,ISO感光度同样分别达到204800和409600。为了更好体现超感光传感器的性能优势,华为采用了AI去马赛克算法,以及全新的色彩和亮度算法,并整合进麒麟ISP图像处理的通路中。同时,AI去马赛克算法能够在单独的NPU上运行加速,有效提升了图像实时处理的运行性能。值得一提的是,华为在RYYB基础上构筑的“色彩调校算法”跟基于RGGB的调色校准并无二致,特别是徕卡色彩依旧别致。

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RYYB换掉了数码摄影的最底层技术,涉及色彩传感器、算法到芯片整个色彩处理系统。这也是华为手机摄影甩开别人一条街的关键“断裂性技术”之一。伟大的是自然,强悍的是人眼。人们在追求摄影的路上,一直梦想要超越人眼。今天,我们有幸见证在感光度这一个窄窄的点上超越了人眼。或许终有一天,无论是在清晰度上,还是3D成像、测算距离、识别对象、读懂表情、脑机结合……科技都能全方面超越人眼,为我们带来更多的新鲜体验,也为智慧生活翻开新的篇章。

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最后,所长再给大家放一下预告,华为再次将5000件新影像大赛优秀作品搬进巴黎大皇宫,在一年一度的巴黎国际摄影艺术展(Paris Photo 2019)与全球顶尖摄影艺术品同场展出,用迸发的创造力叩开艺术殿堂的大门。凭借华为手机强大的影像能力,普通人的作品也能和大师名作共同展出。展览时间:11月7日至10日。

(素材内容源自微信公众号:菊厂搞机,转载请注明出处)

=====THE END=====

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独人欣赏  搞机社达人  发表于 2019-11-6 17:36:12 来自:荣耀V20 4800万3D相机
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为你加油!!!!!!   * .     . ∧_∧ ∩ * * ( ・∀・)/ .  . ⊂   ノ* * (つ ノ .    (ノ  发表于 2019-11-6 21:21
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香菇少女  花粉俱乐部团队  发表于 2019-11-6 17:46:00 来自:浏览器
火钳刘明

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达盖尔的旗帜欢迎你  发表于 2019-11-6 21:04
bilibili  发表于 2019-11-7 00:58
市长_  独步江湖  发表于 2019-11-6 17:49:06 来自:荣耀Play 让快更快
不错
huafans01271235626  登堂入室  发表于 2019-11-6 17:53:38 来自:荣耀V9,我想要的快
说的哪么好,荣耀V9语音助手连给微信发信息都没有这功能,还不能同时识别两个微信?也是 悲哀,唉

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评论与文章毫无关系,你可以换一个相关的帖子反映,不然官方也不会回应  发表于 2019-11-6 20:04
不知道在哪里反映啊?  发表于 2019-11-6 20:33
老机型bug吧  发表于 2019-11-6 21:03
社长小贱  搞机社达人  发表于 2019-11-6 17:54:17 来自:HUAWEI P30 Pro
抢个位置
迷一样的菠萝  独步江湖  发表于 2019-11-6 17:55:05 来自:HUAWEI Mate 30 Pro 5G
变色啊!
slsisli  登堂入室  发表于 2019-11-6 18:00:32 来自:华为平板 M6 10.8英寸
超感光摄像头,你值得拥有。
猫哥lhq598  自成一派  发表于 2019-11-6 18:08:37 来自:荣耀20i
huafans01328962077  炉火纯青  发表于 2019-11-6 18:13:01 来自:荣耀Magic2 魔法手机
学习了。
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