回形针事务所 019 - 为什么你的手机总拍不好明暗细节？

这是《圣马修的召唤》，一幅由意大利著名画家卡拉瓦乔于 16 世纪末绘制的油画。

在这幅画中，卡拉瓦乔还原了一个典型的高动态范围场景。从近似黑色的角落，到人脸上的高光。

这样一来，我们更愿意相信这些画来自一个个真实的场景，而不是神话。

然而，这种用画笔和颜料就能实现的效果，手机做起来却很难。当我们用手机拍摄相同的场景时，得到的照片不是阴影一片模糊，就是高光一片白色，成为废片。

为什么你的手机总是拍不好明暗细节？为了改变这件事，厂商们做了哪些努力？

这是一台胶片相机。按下快门时，海量的光子撞击在胶片上，使上面的卤化银晶体感光，产生肉眼看不见的潜影。再经过显影，获得由黑色金属颗粒构成的影像。

然而在这些亮度很低的角落，光子数量相对较少，卤化银晶体被撞击到的概率降低，无法呈现清晰的影像，暗部细节就此丢失。

除了调整快门速度和光圈大小之外，就需要更换感光度更高的胶片。这些胶片上的晶体体积更大，光子有更大的概率撞击到它们，并被吸收，完成感光。

进入数码时代，相机的感光元件由胶片变成了 CMOS 传感器。调节传感器的感光度，比胶片时代调节卤化银晶体大小来得更加复杂。

这是现在广泛应用的背照式 CMOS。最上面是用来聚光的微透镜。第二层是拜尔阵列滤光矩阵，来收集红、绿、蓝三种光。第三层是光电二极管，然后是金属布线层以及存储层。

其中最关键的结构是光电二极管。它可以将光信号转化为电信号，即将光子转化成光生电荷，并存储在一个电场中。

这个电场被称为势阱。势阱中的光生电荷会被转换成电压信号后再放大。

这种从电荷数量转化为电压信号并放大的过程，就是数码相机的原生 ISO，和胶片的 ISO 一样，是一种出厂设定，无法被调节。

接着，被放大的电压信号，会经电路传输到模数转换器，转换成数字信号。

这样一来，每个像素的光强信息就能记录下来，再结合颜色信息，就得到了一张照片。

如果光线很暗，即进入传感器的光子数量很少，就很难去统计各个像素之间的光强差异，在照片上就会表现成一片漆黑。这又该怎么解决呢？

一种思路是在模数转换器后，增加一个数字信号放大器，来提高数字信号的增益倍数。这样，即使光线很暗，也能比对出各个像素之间的差异。

这就是你在用手机照相时调大 ISO 实现的效果——放大了数字信号。然而在这个过程中，系统会不可避免地引入噪声，表现为照片上的噪点。

那么有没有可能在不引入大量噪声的情况下，也能在暗光下拍照呢？

有，就是让 CMOS 上有两种势阱。

我们可以将势阱比作水桶，拍照时就像雨水滴入水桶。缩小桶的体积，我们就能更精准地计量水量变化，即在水量很少的情况下，不同水桶的水量差异也可以清楚地比对。

拍照也有相同的原理。使用一个更小的势阱，意味着对光线更敏感，也就对应着更高的 ISO。这样一来，弱光环境下的细节可以被保留，读取噪声也能减少。

两种势阱的存在，就好比一台胶片相机同时装载有两种胶片，可以根据场景的亮度高低进行自动切换。

弱光时开启高原生 ISO，解决噪点增多和细节缺失。强光时开启低原生 ISO，解决过曝问题。这就是源于专业摄像机的双原生 ISO 技术。

然而，在这样一个洞穴中，如果只使用低原生 ISO，暗部细节就会丢失；如果只使用高原生 ISO，强光部分就会过曝。

也就是说，同时只使用双原生 ISO 中的一个，仍然无法精确还原高动态范围的场景。

为了解决这个问题，小米 10 至尊纪念版的 1/1.32 英寸超大底传感器，首次在手机上实现了用双原生 ISO Fusion 超动态技术，即同时利用 CMOS 的两种势阱拍摄照片，并实时融合。

除了在拍照上实现了高动态范围输出，小米 10 至尊纪念版也可以录制 HDR 视频，让每一帧画面都呈现高动态范围。这是以前使用手机拍摄视频时很难做到的。

除此以外，这台手机的图像传感器还具有芯片级单帧逐行 HDR 技术。

相比传统 HDR 技术需要拍摄三帧画面、并分别进行三次曝光，芯片级单帧逐行 HDR 技术的合成速度更快。

这个技术可以对每一行像素都连续进行短、中、长三次曝光，只需要几乎单帧时间就可以完成三次曝光。从而避免了鬼影，也可以获得更高的动态范围。

从画笔、胶片，到数码相机和手机，高速发展的影像技术，让真实世界在你的手机镜头中变得越来越清晰，也让你的故事可以走到更远的角落。

拿起你的手机，去书写自己的故事吧。