作者：安知乐 知产财经
随着智能手机摄影的普及和发展，越来越多的人开始用手机记录生活日常，如山水风景、美食静物、自拍vlog等等。拍摄场景的多元化对手机影像技术提出了更高的要求。较之于传统摄像机和照相机，虽然手机摄影在便携性和操作“亲民”性方面具有明显的优势，但在一些拍摄场景下，智能手机拍摄出来的照片往往在摄影效果上不比传统照相机，而其中影响手机摄影效果的重要因素就是智能手机对镜头“光圈”的调节能力。
光圈是如何影响摄影效果的
光圈是摄影领域中的重要参数，它是指镜头孔径的开口大小，通过调整光圈大小，可以控制进入镜头的光线量，从而影响照片的明暗度和景深。[1]通常情况下，光圈越大，景深越浅，背景模糊的效果也就越明显；光圈越小，景深越深，背景清晰的效果也就越明显。通常情况下，拍摄人像、花卉、宠物时，一般使用大光圈、较浅景深，突出人物或静物；拍摄风景、建筑等，一般使用小光圈、较深景深，展示场景全景并突出层次感。
使用较大光圈的拍摄效果[2]
使用较小光圈的拍摄效果[3]
传统相机搭载有较大体积的镜头，人们可以通过手动或者自动方式调节光圈大小，对摄影效果有更高要求的摄影师在拍摄不同场景时还会更换不同的镜头。“背”着设备拍照成为摄影爱好者常见的旅拍状态，传统相机上的镜头显然因过于庞大而无法布置在一直追求轻薄的手机身上。出于技术难度和成本的考虑，手机厂商更倾向于使用算法模拟景深效果。例如在拍摄人像时，通过算法模拟浅景深的效果，将背景虚化，突出人物。这种方式的缺点是处理后的照片看起来比较不真实，有时会出现明显的边缘锐化和人物背景不自然的现象。而如果要获得像单反镜头一般的自然景深效果，就要厂商在手机上安装可变光圈。
有限的固定档位切换
2019年初，三星发布的Galaxy S9系列手机的主摄配备了F/1.5和F/2.4两档可变光圈，用户可以根据场景需求选择合适的光圈档位，带来了移动影像的新体验。然而，两档可变光圈对移动影像带来的收益有限，如果要满足特定场景下对进光量的精确控制，模拟单反可变光圈设计，手机可变光圈势必需要实现更广泛的可调节光圈数值。多档可变光圈无论对硬件设计还是软件控制算法都提出了极高的要求。因此，三星在Galaxy S9/S10系列手机上使用了可变光圈技术后，由于市场反馈不佳，S20系列手机即全系取消了该设计。
由此可见，要在手机上真正实现媲美单反的多档可变光圈，无论硬件还是软件都存在多项技术难点。
三星Galaxy S9系列手机 F1.5/2.4 可变双光圈设计[4]
华为的十档可变的“超聚光主摄”
2022年华为在其Mate50系列手机上首次商用了十档可变光圈——这是华为推出的首款搭载可变光圈的手机产品，也是整个智能手机领域首款真正商用多档位光圈调节的产品。2023年，华为又推出了其P60系列手机，在Mate50系列手机的基础上，进一步优化了可变光圈技术，为用户带来了媲美传统相机的光圈使用体验。华为在影像领域深耕多年，率先商用多档可变光圈，是其研发实力和技术积累最直观的体现。
Huawei P60 Pro 超光聚主摄[5]
据华为公开的功能特征信息，华为P60系列手机采用了全新的光学系统设计，包括超聚光主摄、F1.4-F4.0十档可变光圈、高透光镜组和RYYB超感光传感器。在日常使用中，P60系列手机物理光圈可以根据场景智能调节光圈大小：在光线较暗的环境下，光圈自动切换为F1.4，此时的照片拥有更出彩的暗部细节；在光线较充足、阳光明媚的环境下，光圈切换为F2.0，此时画面细腻，景致有度；在多人合影的场景下，光圈切换为F4.0，此时无论前后，人物都是焦点。同时，P60系列手机提供的更广泛的光圈范围，帮助实现了更精细的景深控制和更好的成像效果。
Huawei P60 Pro：多人合影[6]
从光圈数值范围、档位等参数上都可以看出华为P60系列在可变光圈技术上下足了功夫。那么，华为是如何在手机上实现多档位、大范围光圈数值的可变光圈技术的呢？我们尝试从华为申请的专利上一探究竟。
在某公开的专利数据库，我们以“可变光圈 AND 手机”作为检索式检索，可以看到华为有44条相关专利申请数据，全球排名第一，其中发明专利技术领域涵盖有多档可变光圈的结构设计、驱动方案设计、软件算法设计等。上述数据足以体现华为在可变光圈技术领域的研发投入以及技术领先地位。
以下我们通过对华为三件发明专利的介绍，尝试了解其是如何突破多档位可变光圈技术落地手机摄影这一难点问题的。
首先，华为解决了可变光圈的设计尺寸的问题。将传统相机中的可变光圈硬件“塞”进手机严苛的尺寸中，第一要攻克的难点就是“镜头不要太突出”，模组尺寸仍要保持原有设计，不能明显变高。在专利局网站上可以检索到华为的一件名为“可变光圈、摄像模组以及电子设备”的中国发明专利CN 115480433 A。该发明中的一个实施例提到，将带动叶片运动的转动支架63内置于座体61中，驱动转动支架运动的磁铁67和线圈68设置在转动支架侧壁和座体围合出的避让空间中，当转动支架在座体中旋转时，带动六叶片进行开合。由于驱动转动支架转动的磁铁和线圈被巧妙地藏在了座体的避让孔615中，可变光圈的尺寸被大大减小。同时搭配结构紧凑的SMA 8线马达，进一步降低镜头高度，使得整体镜头模组的尺寸小型化。
专利文献附图4：可变光圈的部分分解示意图
其次，华为解决了多档光圈设计的问题。最近的三星手机只能实现两档可变光圈的切换，要真正实现单反物理可变光圈的无极调节，光圈孔设计至关重要。从华为专利中可以看出，华为采用的是六叶片围合成一个近似圆来形成光圈孔。通过座体61中转动支架63旋转，带动六叶片运动，实现光圈孔的无极控制。值得注意的是，不管是传统相机镜头还是三星S9系列手机镜头，叶片都采用堆叠模式，即叶片之间上下错开摆放，每个叶片运动在不同的平面，当叶片数量较多的时候，势必会造成叶片的整体高度变高，从而导致镜头变厚。
传统相机镜头的叶片结构[7]
华为则很巧妙地使用了分层摆放的设计解决了这一难题，将六叶片分成2组，每组3片，2组叶片之间上下分层摆放，避免叶片运动时发生碰撞，从而降低了叶片的整体高度。在叶片运动的时候，通过转动支架63的旋转，带动了固定孔662的移动，从而带动叶片的转动完成光圈档位的调节。同时，为了更精确地控制叶片的位置，华为还设计了可用于检测磁铁67a的磁场强度的驱动芯片71（霍尔传感器），根据不同的磁场强度获取可变光圈所处的位置，从而能够更精确地闭环控制可变光圈的档位，从而实现十档可变光圈的叶片设计。
专利文献附图20：可变光圈的部分分解示意图
Huawei P60 Pro 超光聚主摄[8]
最后，华为还解决了抖动场景下可变光圈成像的难题。手机镜头一般配置了OIS防抖模块，简单来说，当用户竖直举起手机拍摄时，手机会带来的晃动会影响成像的质量，OIS防抖模块在竖直平面移动镜头，抵消拍摄时镜头的抖动。华为很巧妙地将可变光圈结构固定在OIS防抖模块上，这样即使在镜头在OIS防抖模块工作的时候，可变光圈也能够和OIS防抖模块作为一个整体一起运动，从而保证光心位置始终在镜头的中央，极大地改善了OIS防抖场景下因光心偏移带来的边缘图像模糊的问题，可以更好地捕捉细节和边缘。相比之下，市面上现存的两档可变光圈，通常固定在镜头的AF模组上，当OIS防抖模块工作时，可变光圈不能随着防抖模块一起运动，因此防抖场景下，可变光圈会遮挡图像的边缘部位，造成图像解析度严重受损。
Huawei P60 Pro 拆解图[9]
除了在硬件技术上要尽可能的缩小规模，为获得高质量照片或视频，手机相机也需要有高质量成像的拍照方法加持。在此基础上，华为还提供了优质的可变光圈变焦技术。
以CN 115767262 A号专利为例，华为提供了一种专门用于搭载有可变光圈手机的拍照方法，以解决现有技术中在极暗或者极亮场景下拍摄时，因受限于有限的动态范围而造成的图像部分过曝或者欠曝的不良成片效果。专利公开了一种技术方案，在启动拍照模式时获取并预览图像及环境亮度信息，通过图像亮度、环境亮度参数确定出帧策略，在不同场景下，各帧采用的HDR模式、光圈档位、曝光时间以及感光度都不同，从而获取高质量的照片。通过华为多档可变光圈的加持，华为P60系列的拍照体验升级，从“超级月亮”到“超级夜色”，持续领先夜景拍摄体验。
Huawei P60 Pro：从“超级月亮”到“超级月色”[10]
除了在拍照场景，华为还设计了一种拍摄方法及相关装置，能够在拍照/视频录制场景下，基于摄像头采集的图像识别显著主体（例如展示的商品）和目标人物，基于显著主体和目标任务的深度，确定对焦对象和光圈的档位，这一技术方案体现在华为申请的 CN 115484383 A专利文献中。这一自动调节光圈档位的功能在电商直播场景下优势明显，比如录制过程中，当主播将口红靠近相机展示口红单品时，相机自动加大光圈档位减少景深，口红能够充分展示细节，而当主播面向镜头涂口红时，相机会自适应的减少几档光圈，能够使得观众同时看清楚口红和主播，进而获得更便利的录制体验和更好的视频效果。
专利文献附图4B：一种显著主体检测框架的示意图
从“二档”到“十档”，从F1.4到F4.0，华为通过在可变光圈的硬件、软件层面持续创新，突破了可变光圈技术在移动影像领域的多年瓶颈，实现了对传统相机光圈调节体验的复刻，又一次引领了移动影像领域的技术变革。相信在不久的未来，随着可变光圈技术的不断成熟，它将有望应用于更多的手机型号中，为用户提供更高质量的图像和更好的摄影体验，为手机摄影带来更多的可能性。去年，华为在积累了双摄系统、超级夜景、可变光圈、计算光学等丰富的影像技术后，推出了全新品牌“华为影像 XMAGE”。[11]正如华为影像XMAGE在宣传语所表达的“探索移动影像未来发展”，自成一派的华为影像XMAGE在未来将如何制造更多惊喜，我们拭目以待。
注释：
1.https://finance.sina.cn/tech/2021-07-26/detail-ikqcfnca8691722.d.html?fromtech=1
2.图片来源：https://consumer.huawei.com/cn/phones/mate50/
3.图片来源：https://consumer.huawei.com/cn/phones/mate50/
4.图片来源：https://mobile.pconline.com.cn/1103/11032625.html
5.图片来源：https://consumer.huawei.com/cn/phones/p60/
6.图片来源：https://consumer.huawei.com/cn/phones/p60-pro/
7.图片来源：http://photo.popart.hk/newweb/archives/191162
8.图片来源：https://consumer.huawei.com/cn/phones/p60/
9.图片来源：https://new.qq.com/rain/a/20230414V099ZR00
10.图片来源：https://consumer.huawei.com/cn/phones/p60-pro/
11.https://finance.sina.com.cn/tech/roll/2023-02-27/doc-imyicmyx4959677.shtml
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