2019智能手机影像技术应用观察及趋势分析.pdf
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1、1 2019智能智能手机手机影像技术影像技术应用应用观察及趋势分析观察及趋势分析 中国信息通信研究院泰尔终端实验室 北京旷视科技有限公司 联合发布 2019年12月31日 2 前言前言 当前,手机已成为人们日常工作和生活中不可或缺的设备。无需携带现金或银行卡的移动支付、随时随地的移动客户端购物、日常生活的银行资金交易等应用场景,也让用户对手机的安全性和便捷性提出新的要求。同时,人工智能赋能智能手机的影像处理方案,尤其是让夜摄、自拍、直播的功能体验随之显著提升,并逐渐成为消费者选购手机时的重要衡量指标。从2019年各大厂商新旗舰机型发布的趋势来看,一方面,国内手机行业在影像应用领域的创新主要集中
2、在AI影像增强领域,以满足人们对智能手机的影像处理要求的日益提升。另一方面,随着全面屏智能手机的兴起,屏下指纹解锁、2D/3D人脸识别解锁等需求也将迎来大爆发。生物识别技术作为影像技术的典型应用之一,凭借着安全、可靠、便捷等优势也必将应用愈加广泛。对此,本报告将通过梳理总结2019年度的市场现状和热点技术,分析2020年智能手机影像应用领域的发展前景及趋势。1 目录目录 第一章第一章 智能手机影像应用行业现状智能手机影像应用行业现状.2 1.1 影像增强技术成为市场发展主旋律影像增强技术成为市场发展主旋律.3 1.1.1 长焦远摄和夜景摄影功能成为市场亮点.3 1.1.2 短视频社交风靡,“视
3、频手机”概念凸显.4 1.1.3 前后摄像头升级,满足拍照刚需.6 1.2 生物识别技术仍是影响手机销售的核心配置生物识别技术仍是影响手机销售的核心配置.8 第二章第二章 智能手机影像技术与应用变革智能手机影像技术与应用变革.10 2.1.AI 影像增强创新发展现影像增强创新发展现状状.10 2.1.1 硬件层.10 2.1.2 算法层.14 2.2 生物识别将成为生物识别将成为 5G 手机手机 AI 重要的应用重要的应用.17 2.2.1 基于 ToF 和 3D 结构光的 3D 人脸识别与支付算法.17 2.2.2 指纹识别.19 第三章第三章 前景与趋势前景与趋势.24 3.1 算法及方案
4、芯片化、硬件化算法及方案芯片化、硬件化.24 3.1.1AI 算法芯片化加速产品落地.24 3.1.2 指纹识别芯片的借势再起.25 3.2 手机摄像头模组领域创新动力充足手机摄像头模组领域创新动力充足.26 3.2.1 ToF 镜头将大幅增加.26 3.2.2 摄像头及传感器将持续创新.26 3.2.3 屏下摄像头 2020 年或将商用.28 3.2.4 潜望式摄像头将成为中低端手机的标配.29 3.3 总结总结.30 2 第一章第一章 智能手机智能手机影像影像应用行业现状应用行业现状 当前,手机已成为人们日常工作和生活中不可或缺的设备。无需携带现金或银行卡的移动支付、随时随地的移动客户端购
5、物、日常生活的银行资金交易等应用场景,也让用户对手机的安全性和便捷性提出新的要求。同时,人工智能赋能智能手机的影像处理方案,尤其是让夜摄、自拍、直播的功能体验随之显著提升,并逐渐成为消费者选购手机时的重要衡量指标。如在夜拍时,人工智能技术能够弥补手机因低成本感光硬件带来的性能劣势,通过多帧降噪、强化暗部和弱光细节等算法,缩短夜间摄影的反应时间,增强夜摄成像细节,降低拍摄操作难度,提升成像反应速度等。在拍摄视频时,人工智能技术还能对人或物体的边缘进行精准辨别和智能锁焦,最终实现实时高画质背景虚化效果。同时,人工智能技术还能通过对多源传感器信息融合和防抖场景智能分析,将陀螺仪频率提高2-3倍,从而
6、更加灵敏地感应手机的运动状态,实现视频拍摄中的超级防抖。从2019年各大厂商新旗舰机型发布的趋势来看,国内手机行业在影像应用领域的创新主要集中在AI影像增强及生物识别领域。3 1.1 影像增强技术成为市场影像增强技术成为市场发展发展主旋律主旋律 进入2019年,智能手机行业创新不断,亮点纷呈,以华为、OPPO、小米等国内厂商为代表的高像素、大变焦机型层出不穷。以图像及视频拍摄为代表的手机AI影像增强技术成为市场创新的主旋律,成为决定着手机能否快速赢得消费者认可的关键因素之一。1.1.1 长焦远摄和夜景摄影长焦远摄和夜景摄影功能功能成为成为市场市场亮点亮点 2019年上半年,长焦远摄和夜景摄影是
7、手机AI影像应用创新的两大主要方向。华为在今年发布了旗舰机型P30 Pro率先引领了2019年手机夜摄技术的发展。它采取了手机后置四摄方案,在潜望式长焦镜头支持下,最高可实现10倍混合变焦和最高50倍的数字变焦。同时,创新性地搭载了全新拜耳阵列设计的华为超感光传感器,以黄色像素替换三原色中的绿色像素,进光量增加40%,并在相机算法重新构建、芯片与系统深度调试的基础上,取得不俗的暗光表现力。4 图 1 长焦镜头(图片来自于华为官网)OPPO Reno 10倍变焦版的“潜望式结构”变焦功能的创新让人眼前一亮。搭配有潜望式长焦镜头,OPPO Reno 10倍变焦版“接棒式”实现了16-160mm“全
8、焦段”覆盖,支持10倍混合光学变焦,最高可实现60倍数码变焦。Reno 10倍变焦版还搭载了超画质技术,通过复合多帧降噪与HDR技术,为用户带来超越以往的夜景降噪、高光压制效果,夜景成像细节及效果成为亮点之一。1.1.2 短视频社交风靡短视频社交风靡,“视“视频手机频手机”概念概念凸显凸显 2019年下半年,随着“全民vlog”时代的来临,以快手、抖音为代表的短视频社交开始风靡大江南北。各大手机厂商和算法供应商开始把目光聚焦在视频拍摄领域,积极抢占手机AI视频的风口,开启视频手机的新赛道。5 2019年9月开始,各大手机厂商开始陆续推出新的当家机型,如OPPO Reno2、苹果iPhone 1
9、1系列和华为Mate 30系列。这些新机型将视频拍摄功能提到一个非常重要的地位,不但在技术方面大胆突破,为其置入相关的人工智能算法,以提升消费者的体验,甚至将它们当成了其中一个主打卖点推向市场。由此可见,除手机拍照功能外,丰富手机AI视频的拍摄功能,已开始成为未来手机发展趋势之一。OPPO Reno2提出了“视频手机”的概念,这款于9月10日发布的首款主打视频功能的手机,搭载AI视频虚化、Ultra Steady视频超级防抖、视频降风噪、录音变焦以及傻瓜式的soloop剪辑软件,降低了消费者的视频制作门槛。iPhone11 Pro Max 也将手机视频拍摄作为了一个新卖点。它不仅支持四颗摄像头
10、(三颗后置+一颗前置)的4K 60fps视频拍摄,还在视频防抖上做了明显的改进。具体来看,该机型包括前置摄像头在内的每一个摄像头,均支持4K 60fps及防抖功能,让用户在自拍和摄影过程中都能得到稳定、清晰的图像。同时,不论是前置与后置摄像头拍摄的视频,均可以无缝衔接,极大地降低了分辨率上的差异。此外,前置摄像头同样支持FHD 120P,给自拍慢动作玩法带来了更多的乐趣。华为Mate 30 Pro搭载的电影镜头能够支持超高速数据读写和传输能力,出众的硬件能力也得到业界广泛关注。为了提升视频拍摄效果,此款在原有款型的基础上增加了一颗1/5.4英寸的6 4000万像素RGGB电影CMOS(3:2比
11、例),支持4K 60fps视频录制,ISO高达51200,拍摄帧数最高可达7680fps,能够实现超高速视频录制。三星Galaxy Note10系列在视频拍摄和剪辑、3D深度采集、桌面拓展方面均有所提升:支持视频背景虚化;允许用户使用变焦麦克风捕捉视频所需的声音;支持超级稳定模式,减少摄像头拍摄带来的晃动;支持4K超高清分辨率、HDR10+画面视频拍摄。同时,5G版本甚至配备了一套完整的智能编辑工具,支持插入转场特效或字幕,改变速度,用S Pen还可添加插图编辑多个视频,可以打造多样视觉效果。vivo X30系列则开启了利用全焦段影像系统拍摄抖音视频的新玩法。vivo X30系列5G手机,将其
12、全焦段影像系统开放给抖音。此前在多数情况下,手机只提供主摄像头给抖音调用,其他镜头往往被闲置,但X30系列拍抖音视频,用户还可以调用广角镜头、人像镜头、潜望镜头等多个镜头,用户可以自己挖掘和实现更多创意玩法。1.1.3 前后摄像头升级前后摄像头升级,满足拍照刚需满足拍照刚需(1)超高像素超高像素传感器传感器再次升级再次升级 先是6400万像素三星GW1传感器成为市场新宠,再次拉响了手机硬件的“军备竞赛”。该传感器拥有1/1.7英寸大底,单像素尺寸为0.8m,拥有ISOCELL Plus像素隔离、Hybrid HDR等多项7 行业领先技术,大大提升照片观感与出片率,为消费者带来“越级”的拍照体验
13、。随后,Redmi Note 8 Pro、Realme X2、vivo NEX3均开始搭载6400万像素的多摄系统。随后小米和三星的合作,也首次让手机传感器的像素突破了1亿大关。双方联合推出的ISOCELL Bright HMX传感器,像素高达1.08亿像素,并将其运用在小米MIX Alpha和小米 CC9 Pro上。(2)前置高清摄像头和算法助力夜景自拍效果提升 2019年以来,3200万像素的前置高清摄像头开始成为旗舰手机标配,如华为nova6 5G、华为nova5系列、小米CC9 Pro、荣耀20S、realme X2等。在高清前置摄像头的硬件基础上,超级夜景人像和超清自拍是其主打卖点,
14、如华为nova6 5G、华为nova5系列打造了“人像超级夜景”的卖点,解决夜晚自拍噪点过多、画面模糊的痛点,进一步增强了画面的清晰度、层次感、暗部色彩饱和度,使夜景照片的颜色和细节看起来更准确生动。此外华为nova6系列还加入了800万像素105 超广角镜头,与前置3200万像素自动对焦镜头组成的双摄像头系统,解决了多人自拍时镜头范围过窄的痛点,也给短视频和vlog创作提供了更好的硬件和算法支持。在前置人像自拍方面,旷视打造的AI影像增强算法能够充分提升画面暗部亮度和纯净度,保留人像细节表现力,并助力多款热门手机拿下DxOMark前置摄像头评测高分。8 1.2 生物识别技术生物识别技术仍仍是
15、是影响手机销售的核心配置影响手机销售的核心配置 生物识别技术依然是保障手机安全的核心配置,也是影响消费者购机的主要因素。这其中最为核心的就是3D人脸识别及解锁和指纹识别技术。其中,3D人脸识别算法仍是高端旗舰手机的首选,屏下指纹识别则成为主打性价比方案手机的标配。在人脸识别及解锁方面,通过高效的人脸识别算法,手机可以实现毫秒级的人脸解锁和金融级的人脸支付功能,配合3D深度传感器,还可以进一步提高人脸识别的准确性和抗伪造能力,真正实现解放双手,利用生物识别验证,完成解锁手机、支付验证等步骤。3D人脸识别算法还可以应用于AR和3D体感游戏等突破性应用场景上。荣耀旗舰机Magic 2在两个红外感光镜
16、头和一个散斑投射器组成的3D感光技术方案支持下,即使在昏暗光线下也能够为用户提供有效识别的全天候3D人脸解锁使用体验,能够有效支持3D人脸金融安全支付功能,包括基于人脸的隐私保护、基于机主人脸特征识别的应用锁、基于机主人脸特征识别的文件保密柜、3D人脸支付、3D活体检测和全安全环境数据处理等功能。2019年9月发布的iPhone11系列和华为Mate 30 Pro,均采用了3D人脸识别和解锁方案。这也表明3D人脸识别和解锁方案仍然是未来生物解锁的趋势。从2019年手机旗舰新品来看,被广泛使用的屏下指纹识别方9 案主要有两种:光学式屏下指纹识别方案和超声波屏下指纹识别方案。除了三星在Galaxy
17、 S10和Note 10上使用了基于超声波屏下指纹识别方案,绝大多数新机基本选用了基于光学的屏下指纹识别技术。10 第第二二章章 智能手机影像智能手机影像技术技术与应用与应用变革变革 从2019年旗舰机型的设计趋势来看,在人工智能高度赋能下,高像素多摄系统和便捷安全的屏下指纹方案给消费者带来更安全、更智能、更便捷的使用体验,成为了一款旗舰机必备的卖点。随着手机多摄系统和屏下指纹识别方案的成熟,也带来了更多相关AI影像应用的发展。2.1.AI 影像增强创新影像增强创新发展发展现状现状 2.1.1 硬件层硬件层 2.1.1.1 后置多摄系统的创新后置多摄系统的创新 从2019年发布的旗舰手机来看,
18、后置多摄系统的创新呈现井喷之势:以四摄、五摄为代表的多摄系统诞生并大规模量产;潜望式长焦镜头的使用让手机实现多倍光学变焦成为了可能;上亿像素的传感器诞生也让手机在后期拥有更大的合成空间;RYYB传感器的设计则让用户拥有了与以往截然不同的暗光拍摄体验。华为P30 Pro采用四摄系统与RYYB传感器设计主要体现在:采用800万大像素潜望式长焦镜头,能够实现5倍光学变焦+10倍混合变焦+50倍数码变焦;搭载后置四摄结构,在三摄的基础上增加ToF摄像头以加强照片景深效果。11 图 2:10 倍变焦(图片来自于 OPPO)OPPO Reno 10倍变焦版中,搭载了4800万像素主摄+1300万长焦+80
19、0万广角三摄全焦段影像系统,能够通过三个不同焦段的摄像头协同接力,实现超广角到长焦的10倍变焦效果,覆盖等效16-160mm焦段,并且在这个焦段内,成片尺寸始终大于等于800万像素。小米MIX Alpha与CC9 Pro配备的1.08亿像素传感器成为下半年业界焦点:1/1.33英寸感光尺寸,F/1.7大光圈,支持OIS四轴光学防抖,激光自动对焦,四合一像素输出,默认2700万像素。由于拥有更大的CMOS尺寸,ISOCELL Bright HMX传感器也就能搭载更多的像素点,拥有更大的合成空间,能够确保在提升暗光拍摄能力的同时,能同时保障在合成后的像素表现。12 具体表现来看,搭载1.08亿像素
20、超清镜头的小米CC9 Pro系列采用了五摄四闪方案,在10倍混合光学变焦镜头,50mm焦段经典人像镜头,2000万超广角镜头和独立微距镜头的配合下,覆盖13mm-125mm全焦段。其中1.08亿像素超清镜头和10倍混合光学变焦镜头均支持OIS光学防抖,支持激光对焦,采用双闪光灯、双柔光灯组合。此外,小米CC9 Pro尊享版还首次搭载了定制的8P(即8片塑料镜片)镜头。图 3:电影四摄(图片来自于华为官网)华为Mate30 Pro采用了4000万电影摄像头+4000万像素超感光摄像头+800万长焦摄像头+3D深感摄像头四摄配置。多摄像头的组合,让华为Mate30 Pro在拍照和视频上覆盖了18m
21、m-80mm等效焦段。超广角方面,华为Mate30 Pro采用了一枚4000万像素电影摄像头,拥有1/1.54英寸的超大感光尺寸,视频拍摄中感光度最高可达ISO 51200,在拍摄的时候可以获得出色的动态范围,保证出色夜间拍摄效果。13 2.1.1.2 前置摄像头创新前置摄像头创新 在2019年年初,vivo NEX创造性地推出了可升降式前置摄像头,把屏占比提升到了极致,着实让人眼前一亮。随后同样为了在屏幕上消灭摄像头,努比亚X则是以后置代替前置,利用副屏实现轻松自拍,这样做的好处就在于后置摄像头的成像素质更高。小米MIX 3则是将前置摄像头隐藏在了屏幕背后,用户可以通过设置,下滑屏幕后自动进
22、入自拍模式。这对于自拍人士来说无疑是福音,只需要下滑就能实现原先需要点击相机,翻转相机这两个步骤,实现了快速自拍。相比而言,华为nova4相对保守地采用了极点全面屏设计,通过全新的blind hole技术,将一枚直径为3.05mm的摄像头放入屏幕当中。此外为了加强机身及摄像头的稳定性,并采用“双层应力缓冲支架”,增加机身强度,稳定前置摄像头。无论是何种设计,在全面屏普及的今天,它们都展示出了自己独特的设计和风格。无论是升降式摄像头、后置自拍还是极点全面屏,这些设计,都让智能手机变得更加精彩。2.1.1.3 镜片规格升级镜片规格升级 镜头创新领域,小米9透明尊享版则搭载了全球首款7P(7片塑料镜
23、片)摄像头。相比6P,7P摄像头多增加了一片镜片,能够拥有更强的聚光能力和解析能力,可以减少光学色相差。小米14 CC9 Pro尊享版则搭载了全球首款8P摄像头。具体来看,P指的是镜头的片数。通常情况下,镜片片数越多,光线过滤、成像和色彩还原的效果越好,相应的设计难度也更高。2.1.2 算法层算法层 2019年,夜景拍摄和超级视频防抖两大算法风靡全球。华为、OPPO、vivo、小米、苹果及三星均在发售的旗舰机型中搭载了相应的夜景拍摄和超级视频防抖算法。2.1.2.1 超画质技术超画质技术 图 4:旷视超画质技术清晰度对比 作为2019年最具代表性的夜景算法之一,旷视超画质技术得益于手机核心芯片
24、的算力,通过对原始图像进行处理,能够更好地降低图片噪声、保留画面细节,优化拍摄和影像处理时间,显著提升用户在夜晚和低光照环境下的拍摄体验,突破手机在夜景15 和弱光环境下拍摄的局限,引领了AI+手机夜景拍摄的新潮流。利用复合多帧降噪和HDR技术,超画质技术能够提升动态范围,有效提高手机夜间拍照的成片率,并让相机具备优秀的抗鬼影能力。该技术还能够把整个拍照曝光时间控制在300毫秒左右,算法处理时间则控制在1秒左右,让用户能几乎在按下快门的同时,看到自己所拍摄的超美夜景照,实现所见即所得。同时,通过不同的曝光策略和曝光组合,超画质技术能够有效提升动态范围,取得较好的高光压制效果。超画质技术还夺得了
25、CVPR 2019大会 NTIRE 2019 真实图像降噪比赛“Raw-RGB”组的世界冠军。2.1.2.2 希区柯克变焦希区柯克变焦 希区柯克变焦原本是一种专业的电影制作技术。这种效果是通过变焦镜头来调整视角,同时相机靠近或远离拍摄对象,从而使拍摄对象在整个画面中保持相同的大小。在它的经典形式中,当镜头放大时,相机角度会从一个物件上拉开,反之亦然。因此,在缩放过程中,会有一个连续的透视失真,最明显的特征是背景看起来会相对于主题改变大小,营造出一种科幻感更强,更加炫酷的镜头感。旷视通过采用人脸检测、特征检测、视频防抖等技术的结合,在手机手持拍摄中实现了这一功能,通过智能一键单击,能够产生在滑轨
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