什么是计算摄影及其工作原理?

计算摄影使用软件对照片进行数字增强。它以多种方式实现这一点,并且最常用于智能手机。事实上,计算摄影是智能手机相机现在如此出色的主要原因——尤其是与更大、更昂贵的相机相比时。

让我们来看看计算摄影涉及什么以及如何使用它来增强图像。

计算摄影如何增强图像?

传统上,每张照片都是通过两个主要过程制作的。首先是光学组件,包括镜头、相机传感器和设置,然后是图像处理。通常,图像处理发生在照片制作之后,在冲洗胶片或使用 Photoshop 等软件处理图像时进行。

相比之下,计算摄影是自动发生的,与实际拍摄的照片并排发生。例如,当您打开智能手机摄像头时,已经发生了一些事情,包括分析局部区域的颜色和检测场景中的人脸等物体。这些过程发生在拍照之前、期间和之后,可以大大提高其质量。

那么,计算摄影有哪些功能呢?

图像堆叠

图像堆叠是将多个图像组合在一起以保留每个图像的最佳质量。智能手机经常使用此功能,尤其是在拍摄高动态范围 (HDR) 照片时。相机非常快速地拍摄连续图像,每次都会略微改变曝光。通过堆叠图像,可以保留图像最亮和最暗部分的细节。

这对于同时具有明亮和黑暗部分的场景特别有用。例如,您可能正在拍摄一个城市的照片,背后是明亮的日落。图像堆叠可让您的手机正确曝光太阳和较暗的城市,从而拍摄生动、详细的图像。

像素合并

智能手机的问题在于它们的相机传感器需要非常小,这意味着对于高分辨率的传感器,像素也需要非常小。例如,三星 S21的其中一个传感器的尺寸为 64 兆像素和 1.76 英寸。这相当于 0.8 微米的像素尺寸——比大多数数码单反相机的像素小五倍多,这是一个问题,因为较小的像素比较大的像素进入的光线更少,从而导致图像质量较低。

像素合并通过将相邻像素的信息合并为一个像素来避免这一问题。这样,相邻的四个像素就会变成一个。问题在于它将最终分辨率降低了四分之一(因此 48 兆像素的相机将产生 12 兆像素的图像)。但是,在图像质量方面,这种权衡通常是值得的。

模拟景深

您会注意到,智能手机图像通常或多或少地显示所有内容,包括镜头的背景。这样做的原因有点技术性,但基本上,因为智能手机传感器很小,而且镜头的光圈通常是固定的,所以每次拍摄都有很大的景深

相比之下,来自高端相机(如数码单反相机)的图像通常具有非常柔和的散焦背景,可提高图像的整体美感质量。可以操纵高端相机镜头和传感器来给出这个结果。

智能手机反而使用软件来实现这种效果。有些手机有多个镜头,可以同时拍摄前景和背景的照片,而有些手机则有软件可以分析场景中的物体及其边缘并人为地模糊背景。

有时这个过程不能很好地工作,智能手机无法正确拾取边缘,将人或物体的一部分模糊到背景中并产生一些有趣的照片。但是,该软件变得越来越复杂,从而可以通过智能手机进行一些出色的人像摄影。

色彩校正

几乎每台相机都有一个色彩平衡选项。如今,大多数相机都可以完全自动执行此操作。相机将获取有关场景中颜色温度的信息,并确定哪种照明充足。是夕阳的暖橙色光芒还是室内荧光灯的亮蓝色?相机将获取此信息并相应地调整照片中的颜色。

锐化、降噪和音调处理

为了提高图像质量,许多智能手机会对照片应用各种效果,包括锐化、降噪和色调处理。

  • 锐化有选择地应用于图像的对焦部分。
  • 降噪消除了在低光照条件下产生的大部分颗粒感。
  • 色调处理就像应用过滤器。它将改变照片的阴影、高光和中间色调,使其看起来更具吸引力。

用于计算摄影

计算摄影使我们智能手机中小巧、不显眼的相机上的一些惊人的事情成为可能。

夜间摄影

使用 HDR 图像堆叠对场景进行多次曝光,智能手机可以在低光照条件下拍摄清晰、高质量的图像。

天文摄影

某些手机​​(例如 Google Pixel 4 及更高版本)包含天文摄影模式。例如,Pixel 4 需要 16 次 15 秒的曝光。长时间曝光可以让手机传感器接收到尽可能多的光线,而 15 秒的曝光时间不足以让星星的移动导致照片出现条纹。

然后将这些图像组合起来,自动去除伪影,结果是夜空的华丽图像。

人像模式

借助模拟景深的选项,智能手机可以拍摄精美的人像摄影,包括自拍。此选项还可以隔离场景中的对象,为背景添加失焦外观。

全景模式

与 HDR 一样,其他形式的摄影也涉及组合多张图片。大多数智能手机中包含的全景模式涉及拍摄多张照片,然后软件将它们拼接在一起以创建一张大照片。

一些相机包括非常有趣的版本。例如,像 Mavic Pro 2 这样的一些无人机包括球体照片选项。无人机将拍摄一系列照片并将它们拼接在一起,创造出一个看起来像微型地球的东西。

计算摄影:小型传感器,出色的照片

随着计算摄影的发展,手机、无人机和运动相机中使用的小型相机将大幅改进。能够模拟更大、更昂贵的相机/镜头组合的许多理想效果将吸引许多人。

自动化这些过程将帮助没有摄影经验的普通人拍出令人惊叹的照片——专业摄影师可能不会对此感到高兴!