从硬件提升到软硬协同，从华为P40 Pro+看手机影像的系统进化

原标题：从硬件提升到软硬协同，从华为P40Pro+看手机影像的系统进化

智能手机十多年的发展，手机影像系统发生了重大的变化，一个手机摄影的新时代即将来临，手机摄影正在沿着一条与传统单反完全不同的新路径进化到了一个技术变革的临界点上。

6月6日，华为P40Pro+正式上市，这款无论从影像系统的硬件规格，还是AI深度学习的算法平台，直至到高质量的照片输出来看，这都是一款具备划时代的产品。

一、手机拍照的演进，从可用到逼近专业

智能手机这十多年来的发展，在处理性能和系统平台不断提升的同时，手机拍照也从原来的附属功能逐步发展成为手机的主要功能，在这个演进过程中，手机拍照性能的不断提升，不仅绞杀了便捷式数码相机行业，而且近几年的发展，也正在给单反相机不断制造麻烦。

受手机体积和成像模组技术的限制，手机拍照不能像单反相机一样通过提升CMOS面积和提升光学镜头来提升照片质量，为了提升手机的拍照性能，手机产业不断突破空间的限制，手机厂商通过不同焦段多镜头组合来提升手机拍照的乐趣和提升便捷性，同时谷歌和苹果最早通过软件手段和AI算法的介入，来降低画面的噪点和提升照片的清晰度。

原则上讲，谷歌和苹果开创的这种通过算法提升照片质量的技术路径，与传统的单反相机的技术路线完全不同，这是一种全新的技术路线。

随后，华为自P9开始延续了谷歌和苹果在手机拍照方向的技术路线，并通过更为深入的技术探索，从硬件和深度学习两个方向持续突破，使手机影像的画面质量和拍摄的便捷性、趣味性不断提升，而最新上市的P40Pro+不仅在硬件素质上达到了空前的高度，而且通过深度学习算法的不断进步，让算法成为手机影像更为重要的技术影响因素，给计算摄影带来了革命性的进展。

二、华为P40Pro+如何将10倍光学变焦系统装入6mm的空间？

今年3月份发布的华为P40系列手机，以5倍的光学变焦和超清画质给用户带来了非常便捷的拍摄体验和更加清晰、色彩准确的画质。而最新上市的P40Pro+则以10倍的光学变焦让手机摄影达到了空前的技术高度。

华为P40Pro+搭载了一枚5000万像素的超感知摄像头、一枚4000万像素的电影摄像头、一枚3D深感摄像头，一枚3倍光学变焦摄像头和一枚10倍光学变焦摄像头（长焦端等效于35mm系统的240mm焦距），三枚摄影镜头的组合，实际上覆盖了18mm到240mm的宽广的焦段范围，足以应付从微距到人文、人像到长焦的使用环境。前置摄像头华为P40Pro+和华为P40Pro一样，采用的是3200万像素（f/2.2光圈）主摄，搭配了一枚景深摄像头，不仅提高了前置人像拍摄的趣味，也对人脸识别的准确率有帮助。

华为P40Pro+的硬件提升，不仅在于提供了10光学变焦的拍摄，更大的挑战在于，在240mm的长焦拍摄时，如何实现精确的对焦和防抖。

为了实现这一功能，在P40Pro+的10倍变焦系统中，华为设计出了由反射面、光学镜头组件、光线调整组件、驱动组件、图像传感器组成的影像系统，通过5部分组件功能协同，实现了10倍变焦下的精准对焦和拍摄。极其复杂的光路设计从构想变为现实，对模组的组装精度提出前所未有的挑战。为此，P40Pro+引入多重AA制程主动校准技术、纳米级镜面平整工艺，最终才能在精巧结构中实现光学奇迹。

P40Pro+在手机体积上和普通手机并无二致，要在拍照镜头上实现10倍的光学变焦，潜望式结构就是唯一结构。事实上要实现10倍光学变焦，焦点到CMOS成像模组的物理距离要比5倍光学变焦要多出178，普通的一次性光线折返很难达到光路的长度。这次华为在P40Pro+上，采用了高精度的光线5次折返结构，通过类似"几"次型光路，通过光线的5次折返，达到了240mm镜头需要的焦点到成像模组之间的光程，这个结构非常巧妙，但也极大地增加了机械装配难度。

同时因为光线经过了5次折返，使得第一块折光反射板不仅可以具有折光的作用，也能通过双轴运动实现防抖功能，这极大地提高了在240mm拍摄时的成片率。这套对焦机构采用了滑槽式承载方式，搭配极强的磁力与杠杆原理，精巧地平衡了前端的反射镜负载，并采用优异的润滑材料，使马达高稳定、高精度的移动反射镜，实现自动对焦功能。

除了独特的设计与功能之外，这颗对焦马达还具备超长寿命的特点。据华为介绍一般马达寿命测试多半到几十万次，而这颗特殊对焦马达的寿命测试高达数百万次，并支持在几十度的异常高温环境和零下二十多度的超低温环境工作。

在实际使用中，如果在不考虑画面质量的情况下，华为P40Pro+在240mm的成片率远高于单反在200mm镜头上的成片率，因为抖动而造成的画面模糊的情况只要稍加注意即可避免。

在P40Pro+的10倍光学变焦摄像头模组的极为复杂和精确的结构中，要实现10倍变焦的放大作用，极小的抖动就会产生极大的图像模糊，为了提高马达控制精度，P40Pro+采用三弹片弹性系数配比设计，把旋转中心抬升，减小不同姿态下重力对磁场位置传感器（简称霍尔器件）信号的影响，并选取业内灵敏度最高的霍尔器件，把信号检测灵敏度提升到常规的三倍，并通过两个霍尔器件的差分运算作为位置检测输入，有效削减了噪声，保证了防抖性能。

P40Pro+的这套复杂的光学机械结构解决了在240mm焦段拍摄时抖动和对焦的准确性要求，使得手机摄影的10倍变焦具备了可用性，从实际样张可以看出，在10倍光学变焦的情况下，画面的反差、色彩和锐度都达到了可用的水平，在行业手机拍照顶级水准。

较长的光程和折反结构在一定程度上会造成光线的衰减，在P40Pro+上，为了提高镜片的通透性，第一次在手机镜头上加入了玻璃镜片，形成了玻璃树脂混合结构，这对提高图像质量带来了比较大的益处。

除了10倍的光学变焦镜头外，P40Pro+的3倍光学变焦，等效于单反的85mm焦段，这是人像拍摄的最主要的焦段，用独立的一只镜头负责人像拍摄，不仅实现了从18mm到240mm变焦的平滑过渡，而且通过算法介入，提高了画面质量。

就P40Pro+摄像模组整体而言，在硬件性能配置上达到了目前业界的顶级水平，这为画质的提升提供了高质量信息输入，同时通过复杂而精确的光学和机械结构，实现了从18mm到240mm焦段的全覆盖，为手机拍摄提供了更广阔的应用场景。

三、手机影像的革命性时代来临

手机拍照技术经过十多年的发展，从硬件方面的提升已经见底，无论是从CMOS的面积提升还是从摄像头的数量增加，受手机体积的限制和CMOS技术的限制，即使将CMOS像素提升到1亿，也并不能对手机影像画质带来明显的改善。

手机影像需要走一条完全不同于传统单反提升画质的道路。

正像我前面所说，计算摄影是一条完全不同于传统摄影依靠硬件来提升画质的路线，通过传感器的信号输入，再通过深度学习的算法，重新将画面信息做处理，最后输出一张让用户满意更接近到真实场景的照片，这是适合手机摄影的发展道路。这一理论通俗地来讲，将传统单反拍照的后期处理，直接通过算法加入到拍照环节，让用户直接得到更加完美的照片。

透过华为P40Pro+，我们看到了计算摄影的价值和更为广阔的发展空间。

当然，在手机拍照加入AI以提升画质并不是什么新鲜的技术，但之前的AI算法，更多的体现在遵循传统拍照方式后画面修正，但在华为P40系列的拍照理念上，我们看到了完全不一样的技术路线，这是将算法作为了手机摄影的核心，而将多镜头作为了不同的信息源处理。

这就是华为此次推出的XDFusion的核心逻辑。

事实上，华为在计算摄影领域耕耘多年，XDFusion的推出，正是基于计算摄影的理论体系，重新对手机拍照进行了革命性的变革。

那么深度学习对手机影像的影响有多大？这在很大程度上接近于一门玄学，很难简单的解释明白。正好华为在P40Pro+上提供了RAW格式输出，我们可以通过对比RAW格式文件与最后输出文件来对比深度学习算法对手机影像的影响。

第一张为原码文件，第二张为同时拍摄的未开AI功能的jpg文件，无论从色彩、白平衡还是放大后的细节看，RAW格式未经处理的手机照片，基本属于不可用状态，特别是放大后细节中的噪点非常多。而由XDFusion输出的照片，无论从锐度、色彩还原度、细节描写、噪点抑制等方面看，都是一张上佳的照片。如果我们可以把RAW格式输出文件看成传统单反的技术路线，而第二张就是计算摄影的技术结果。

在华为XDFusion系统中，我们大致可以将其分为三个阶段，第一是多镜头的信号输入，第二阶段是计算机视觉的语义识别，而第三个阶段将是基于神经网络单元的深度学习。

在一般的手机拍照中，摄像头的拍照，基本上就是画面的起点也是终点，但在华为XDFusion系统中，摄像头的拍照，只是一个画面输出的起点。在P40Pro之前的华为系统中，虽然加入了TOF深度感知摄像头可以辅助提升成像质量，但各镜头之间是相互独立完成不同焦段的拍摄，这也是行业通行的技术方式。而这次XDFusion，不仅实现了让TOF镜头参与到了其它三只摄像头的成像之中，更重要的是让四枚摄像头同时工作，并根据不同镜头的成像特征，形成了多信号输出的图像输入单元，在这点上，华为在计算摄影上，远比谷歌、苹果的系统更为彻底，并向计算摄影方向发展方向迈出了革命性的一步。

多信号源的协同，为后面计算机视觉识别和语义分析提供了更多的计算维度，也为最终照片输出更能准确还原提供了参考标准。

有了多镜头不同维度的信号输入之后，XDFusion系统的计算机视觉单元开始进行不同画面的语义识别，并通过设定标准进行不同场景的识别和主要特征的识别，比如说背景中的草原、蓝天、树林，以及拍照主体的人物、动物或静物花卉，并重新结构化背景信息、主体及主体形势等一系列画面要素。

经过重新结构化的画面信息，在神经网络处理单元会重新组合，并根据已经经过大量数据训练过的算法模型进行进一步的画面优化处理，不同画面构成的归一化处理，包括准确的白平衡、锐度、色彩饱和度、以及局部（比如脸部）的个性化特征处理。这是一种像素级的基于深度学习的处理，画面质量与输入的信号有了天壤之别。

要完成这一流程的数据输出、分析及处理，算法模型是核心，但要在拍摄的一瞬间输出结果，算力也就成为了影响效率的关键。得益于麒麟990芯片独立的NPU单元的超强计算能力，让XDFusion复杂的计算体系达到了与普通手机一样快的拍照效率。

XDFusion的出现，不仅让手机多摄像头发挥出了极大的效能，而且通过画面信息的重新结构和像素化的处理，让手机拍照真正变成了计算摄影。

从产业发展来看，手机作为个人手持计算终端，体积不可能再大，在目前6英寸左右的屏幕和8mm左右的厚度中，纯粹的堆料在手机摄影方面并不能真正提高画质，手机摄影需要从技术体系解决在有限的空间里如何最大可能的发挥硬件性能的技术方案。

像单反一样提高硬件规格来提升画质的路径已经走到了尽头，而计算摄影则是一条有效改变手机拍照功能必然之路。

华为P40Pro+就是开创了一个计算摄影新时代到来的一款里程碑式的产品。

这是一种在原有计算摄影基础上创新的全新技术路线，也是充分利用现有的光学技术，最大可能地发挥在手机上实现最佳画质和便捷性的一种全新的技术路线。

这种技术路线的变革，带来了什么样的拍照体验？可以从样张中表现出来。

广角效果

10光学变焦下240mm端效果

大光比场景中的表现。天空的细节基本上得到了保留，暗部过渡仍然可见。

暗光环境中，噪点控制非常出色

静物，高饱和度场景中，色彩并没有溢出