让光线随心所用！一文读懂智能手机的可变光圈技术！

　　继黑白镜头到自由曲面镜头、从3倍光学长焦到10倍潜望式光学长焦、到传感器RGGB到RYYB的超感光阵列，再从AI影像到计算光学，华为历代Mate系列手机在很大程度上成为了移动影像技术发展的风向标。
　　随着Mate 50系列手机的发布，移动影像又迎来了一个全新的设计——十档可变光圈镜头，通过调节6个光圈叶片的开合，实现进光量的控制。
　　问题来了，光圈在成像中扮演了怎样的角色，可变光圈技术又是否值得我们期待？
　　科普知识：光圈到底是什么
　　在很早以前，人们在学习摄影前都需要了解曝光三要素（光圈、快门和ISO），熟练掌握阳光十六法则，需要根据当前拍摄场景的光影确定光圈、快门以及合适感光度的胶片，确认无误后再按下相机的快门。
　　很多摄影爱好者都要学习到的曝光三角形
　　光圈的定义
　　步入智能手机时代后，移动影像变得越来越简单智能，我们只需要打开相机APP，打开场景识别，对准拍摄场景，按下电子快门，剩下的工作全部都交由给AI成像算法就好。
　　在搭配自研ISP或NPU芯片后还能让手机变身＂夜视仪＂，在极暗环境也能排除相对明亮的照片。
　　因此，如今我们在挑选手机时，关注的往往是传感器尺寸有多大、像素值有多高、是否支持光学防抖等等。
　　作为曝光三要素之一的光圈，往往被视为一个【不用太过关注的】参数。
　　实际上，光圈与快门速度才是控制相机视觉属性的两大核心参数，可以开辟出更多的创意效果。
　　所谓光圈，它其实是镜头内部的一个＂看得见摸不着＂的机械部件，由多组叶片构成，叶片中间是一个可调大小的孔。
　　没错，光圈定义的就是镜头中这组叶片中心的开口，影响单位时间里有多少光线可以透过这个小孔照进相机底层的CMOS感光元件。
　　通过调整光圈的大小，就能控制曝光量的多少。
　　光圈的作用
　　F值是用于描述光圈＂大小＂的参数，它的计算公式是＂焦距÷镜头光圈直径＂得出的相对值，比如F/1.4、F/2.8、F/4等等。
　　需要注意的是，F/后面紧跟的数字越大，光圈恰恰越小，意味着通过的光量越少。
　　本图来自数码博主@巨人摄影
　　F后面的数字越小，光圈反而越大，通过的光量就越多，也就是我们常念叨的大光圈。
　　在夜晚或环境光线不足时，只有更大的光圈才能保证充足的进光量，从而捕捉更多的暗部细节，提升画面亮度，降低噪点，而且在同等曝光时长情况下快门速度更快。
　　光圈所能够产生最显著的视觉影响就是景深的变化：光圈越大，景深范围越小（浅），背景的虚化效果越明显，可以让拍摄主体更突出，适合拍特写；光圈越小，景深范围越大（深），背景越锐利，场景中所有元素都清晰，适合拍风光。
　　本图来自数码博主@小狼啊小狼
　　换句话说，光圈并非越大越好。
　　当手机进行拍照时，需要根据拍摄的场景匹配合适的光圈，如果一味追求大光圈反而会得不偿失。这就好像小猫的瞳孔，白天光线充足时会眯成一条缝，夜晚则会瞳孔则会变圆变大。
　　没有最好的光圈，只有最合适的光圈。
　　模拟时代：背景虚化是如何实现的
　　专业的单反（或微单）相机可以搭配各式镜头，其中就不乏可以手动调整光圈的型号。
　　在手机领域，镜头模组的尺寸普遍只有单反镜头的数十分之一，很难容纳复杂的机械结构。
　　为了适用于更多拍摄场景，手机的习惯打法是搭配多种不同焦段和光圈的镜头，必要时还可以联合成像。
　　一般来说，新款智能手机的主摄和人像镜头最喜欢搭配大光圈，而超广角和长焦镜头的光圈则普遍很小。
　　那么，小光圈的手机就注定与背景虚化无缘了吗？
　　先拍照 后对焦
　　答案自然是否定的。
　　早在2013年，以诺基亚Lumia 1020为代表的手机（4100万像素，1/1.5英寸传感器，F/2.2光圈）就能实现＂先拍照，后对焦＂的功能了（Lumia 920、Lumia 925、Lumia 928、Lumia 1020和Lumia 1520等机型后续也均得以支持）。
　　到了2014年，以荣耀6 Plus为代表的Android手机也先后引入了类似功能，在相机APP里以＂大光圈＂模式拍照，在预览照片时可以重新选择焦点并在F0.95~F16之间调整光圈大小，改变景深的深浅。
　　时至今日，大光圈模式几乎已成智能手机的标配。
　　需要注意的是，先拍照后对焦这类功能并非改变相机镜头的物理光圈实现的。
　　最早的Lumia和随后的Android手机采用的是迥异的两种思路。
　　Lumia手机选择的方案是，拍摄一张照片时镜头从头到尾移动，每一个焦点的图像都记录下来，相当于我们在按下快门的瞬间就将所有能对到焦的点全部拍下来了。后期选择焦点的时候，则会直接根据我们所选择景物所对应的焦距，导出该焦点平面相对应的图像，一颗镜头就能搞定。
　　Android手机的实现思路则是借助双摄虚化。
　　开启大光圈模式后，主摄负责记录全景，副摄则用于记录景深信息，判断主体和背景，两者结合保存为一张普通照片。后期再对焦时，系统会根据我们所选择的对焦点判断是主体还是背景，然后将主体扣取出来，对背景进行高斯模糊处理。
　　Lumia的方案计算量大，背景虚化较浅，在拍摄人像时在等效24mm端虚化的效果很一般。Android手机的双摄虚化对成像算法要求很高，高斯模糊所带来的虚化可能不太自然，在某些场景下还会出现抠图错误，物体边缘处理翻车的＂事故＂。
　　随时拍照随时调
　　随着智能手机搭载处理器AI算力的不断提升，以及相关成像算法的不断成熟，绝大多数新款手机都能在相机APP里直接调整光圈大小，在拍摄预览时就能随心调节景深效果，按下快门后直接生成满意的作品，随时拍照随时调，甚至不需要第二颗镜头的参与。
　　类似功能有些品牌集成在了专业模式中，还有一些则放在了人像模式下，很多新品甚至依靠前置单摄就能录制景深虚化的人物视频，在算法的加持下一切皆有可能。
　　然而，这种在相机APP调节的光圈并非镜头的物理光圈，准确来说应该算是电子光圈，依靠多帧合成的方式，来实现小光圈长曝光的拍摄效果。
　　大家可以尝试一下，在相同的取景范围里，使用手机的电子光圈分别在F/1.6和F/16状态下拍一张照片，你会发现两张照片的曝光是相同的，其中的差别只是背景虚化的程度不同而已。
　　而且这个虚化效果也没有单反大光圈镜头拍出的自然，有无瑕疵全靠镜头本身的素质以及AI成像算法。
　　俗话说，打铁还得自身硬，想让手机可以完美适配光亮和昏暗的场景，拍出最佳景深的照片，还是需要手机镜头处于最合适的光圈范围。
　　如果手机镜头也能获得类似单反镜头的可调光圈功能，一切不就完美了吗？
　　回顾过去：可变光圈的发展史
　　华为认为，成熟的手机影像系统，包含软、硬件多维，需要构筑＂光（光学设计）、机（机械结构）、电（光电转换）、算（图像算法）＂四大技术底座。华为Mate50系列首发的十档可变光圈镜头，就属于对其中的光学设计升级。
　　不过，可变光圈可不是华为的首发，早在13年前可变光圈就已经在手机领域出现了。
　　诺基亚首发可变光圈
　　在手机历史上，第一次引入可变光圈设计的产品，还要数诺基亚在2009年推出的N86，不仅配备了机械快门（最高 1/1000s），还提供了F2.4、F3.2、F4.8三档可以自动调节的光圈，无法手动切换。
　　N86之所以加入可变光圈设计，是为了中和最高1/1000s的机械快门，避免强光下不会过曝。
　　Android手机的接力赛
　　继诺基亚N86，可变光圈在手机领域的第二次露面已经是8年后。
　　2017年底，三星发布的心系天下W2018，以及2019年初发布的Galaxy S9/S9+系列手机的主摄就都具备F/1.5和F/2.4两档可变光圈，通过巧妙的设计实现了物理光圈自由切换。
　　在自动模式下，光线充足时会启用F/2.4光圈，拍摄出清晰锐利的画面，防止在大光圈下出现光线晕染的情况，还原真实的画面色彩。在低光场景中，光圈便会自动扩大到F/1.5，取景区域画面会感到亮度明显提高。微距或专业模式下可以手动切换成F/1.5光圈，可带来比软件实现的虚化更加真实细腻的景深效果。
　　注意上方主摄的光圈大小变化
　　同样是2019年，OPPO旗下的R17 Pro也主打可在F1.5和F2.4两档之间切换的＂灵动光圈＂功能。当环境光线昏暗，R17 Pro的主摄可自动将光圈放大到F/1.5，在白天或光线明亮的环境，镜头光圈则会收缩到F/2.4，避免大光圈可能产生的边缘画质以及高光溢出的问题。
　　可惜，OPPO的灵动光圈在经历R17 Pro之后便＂一世而终＂，三星的可变光圈在Galaxy S10系列之后也＂退隐江湖＂。
　　最近一款采用可变光圈设计的手机是索尼在2021年推出的Xperia Pro-I，主打1英寸的Exmor RS感光元件以及F2和F4两档可调的光圈。F2.0光圈可实现＂超浅景深＂，背景呈现美丽自然的虚化，使用F4.0拍摄时远景近景更清晰，成像更锐利。
　　展望未来：浅析华为的超光变主摄
　　和已经存在的可变光圈设计相比，华为Mate 50系列手机主打的＂超光变主摄＂有何不同？
　　更复杂的机械结构
　　无论是诺基亚、三星、OPPO还是索尼，前文提及手机采用的可变光圈都仅能在两个（或三个）固定档位之间进行切换，并非在一段光圈值范围内实现自由变化。
　　华为Mate50系列主打的＂超光变主摄＂，则实现了首发十档可变光圈镜头设计，可以带来类似传统相机上镜头光圈可调节的使用体验。
　　从早前网上曝光的华为专利，以及Mate 50系列手机的宣传资料来看，所谓的＂超光变主摄＂，是由5000万像素的RYYB超感光传感器、高精度环形磁场微控马达，以及由6组光圈叶片组成的可多档调节叶片镜片群构成。通过调节6个光圈叶片的开合，实现进光量的控制。
　　多档可变光圈的效果
　　华为Mate 50系列手机的超光变主摄存在两种运行逻辑。其一是进入专业模式，在这里可以进行完整的从F1.4到F4.0十档可变光圈可调，方便摄影爱好者通过手动调节找到最匹配当前光线环境和个人品味的黄金光圈点位；
　　其二则是在默认的自动模式下，相机APP提供四档光圈，可根据不同场景智能匹配光圈大小。在夜晚、光线不足的条件下，使用大光圈提升镜头的进光量，从而带来明亮的拍摄效果；在白天多人合影拍摄时，使用小光圈可确保前后人物都清晰，画面边缘细节丰富；在高倍变焦场景下，使用大光圈可进一步提升画质，捕捉清晰锐利的影像。
　　在10档可调可变光圈的帮助下，华为Mate50系列手机可以带来更精准的人像分割计算能力，也为人像拍摄带来了渐进有层次的光学级虚化，人像主角立体突出，营造大片氛围。
　　同时，可变光圈还能带来专业光学级虚化能力，可精准对焦项链、珍珠等细小物件，带来亚毫米级精度的拍摄体验，还能随心调整景深范围和虚化程度，实现更大的创作空间。
　　理性看待可变光圈的意义
　　在华为之前，无论是三星、OPPO还是索尼，都将可变光圈作为了手机研发道路上的＂过客＂，拥有过，宣传过，但最终还是选择了分手。
　　究其原因，一方面是可变光圈会增加镜头机械结构的复杂度和尺寸，成本高昂还会面临潜在的使用寿命隐患。
　　荣耀Magic系列手机倡导的多主摄融合计算摄影技术
　　另一方面，则是在大尺寸传感器、多像素合一的融合技术、多帧合成的手持超级夜景、HDR以及计算摄影理念的加持下，利用AI已经足以模拟出以假乱真的景深效果。
　　此外，拍摄人像、微距或远处风景时，还能交由更专业的辅摄像头解决（如潜望式长焦镜头），主摄只要做到大底大光圈就好了。
　　因此，可变光圈最终还是败给了成本以及AI计算摄影。这一次，可变光圈重新被华为＂拾起＂，并进行了优化创新，从过去的非A即B，改为了媲美专业单反相机镜头的十档光圈可调，这种可以连续性调整光圈的过程让不少摄影爱好者大呼过瘾。
　　但是，这也仅限摄影爱好者。对于普通用户，可能在整个手机的生命周期里也不会使用专业模式拍照，日常使用中也能发觉自动模式下四档智慧光圈对最终成像的增益效果。
　　实际上，超光变主摄是华为Mate系列手机跳出内卷化陷阱，继续保持专业影像定位的必要创新。
　　在徕卡与小米联姻后，华为被迫推出了自己的影像品牌XMAGE，在延续家族前辈特色的计算光学、原色引擎以及超潜望式长焦镜头之余，需要找到另一个可以彰显影像专业性的卖点，而只有专业单反相机才能实现的可多档调节的可变光圈，无疑就是一种很好的突破口。
　　正如华为宣传那般——光圈可变，硬核掌控。
　　可以让用户自由掌控光圈的变化，这是其他手机厂商在短期内都不会涉足的领域，而这也已经足以吸引摄影爱好者为之侧目了。
　　至于普通消费者，可变光圈只能作为选购手机时的加分项，并非必选项。