李錚 曹欣

手機(jī)為何能分辨出月球細(xì)節(jié)

端午節(jié)快到了，很多小伙伴想要挑戰(zhàn)拍攝目標(biāo)——月亮。近年大家都在討論智能手機(jī)的拍照極限，手機(jī)已經(jīng)取得了巨大的進(jìn)步：更好的傳感器、不止一個(gè)鏡頭，以及圖像穩(wěn)定、更長(zhǎng)曝光時(shí)間和高動(dòng)態(tài)范圍等功能，手機(jī)可以同時(shí)拍攝多張不同曝光照片并將它們組合以獲得更棒的圖像。

機(jī)器的進(jìn)步確實(shí)能夠擔(dān)任一些以前攝影師的工作：比如賈樟柯用蘋果手機(jī)拍攝電影短片，并用豐富軟件提供的后期編輯圖像。手機(jī)采用的這些素材全部在真實(shí)的空間里拍攝，如何處理好景深，跟環(huán)境融合，才是至關(guān)重要的作用。在拍攝后，通過編輯調(diào)整景深，導(dǎo)演還能調(diào)出不同的色彩制造出反差。

三星GalaxyS23Ultra具備3倍和10倍兩枚光學(xué)變焦鏡頭，數(shù)碼變焦可以達(dá)到100倍，拍到月球細(xì)節(jié)也不是難以企及的事情了。說到底，細(xì)節(jié)是相機(jī)人工智能軟件的產(chǎn)物，而不僅僅是它的光學(xué)元件。手機(jī)實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)距離攝影，拍出來的東西與其說是現(xiàn)實(shí)，不如說是這臺(tái)計(jì)算機(jī)對(duì)人類偏好的改進(jìn)。

在網(wǎng)絡(luò)上，Reddit用戶ibreakphotos發(fā)布了三星GalaxyS23Ultra的月球攝影實(shí)驗(yàn)，結(jié)論是：使用手機(jī)的超擴(kuò)展混合變焦模式拍攝月球時(shí)，三星有效地在圖像上添加了月球紋理。

對(duì)于這類拍攝，廠商現(xiàn)在也比較坦然，不像之前幾年那么胡吹。官方說法是：“三星致力于在任何條件下提供一流的照片體驗(yàn)。當(dāng)用戶拍攝月亮?xí)r，基于AI的場(chǎng)景優(yōu)化技術(shù)將月亮識(shí)別為主要物體，并進(jìn)行多張照片多幀合成，然后利用AI增強(qiáng)圖像質(zhì)量和色彩的細(xì)節(jié)。它不會(huì)對(duì)照片應(yīng)用任何圖像疊加。用戶可以停用基于AI的場(chǎng)景優(yōu)化器，這將禁用對(duì)所拍照片的自動(dòng)細(xì)節(jié)增強(qiáng)。”

通過多次曝光創(chuàng)建單幅圖像是計(jì)算攝影的核心。但是，正如ibreakphotos所說的，三星在過去的機(jī)型上有過“假月球照片的爭(zhēng)議”?；仡櫼幌氯荊alaxyS20Ultra的AI技術(shù)合成“月亮”事件，當(dāng)時(shí)一些用戶非常聰明，把一張?jiān)虑蛘掌：幚恚缓笤陲@示器上用長(zhǎng)焦拍攝，結(jié)果原本模糊不清的月球圖片，在三星的加持下，瞬間變得清晰起來。

公說公有理婆說婆有理，AI流行的當(dāng)下，手機(jī)拍攝月亮是不是AI合成已經(jīng)沒多少人關(guān)心了。需要說的是，如果現(xiàn)代智能手機(jī)可以自動(dòng)編輯照片，它們還是照片嗎？這個(gè)觀念正在傳統(tǒng)攝影師的思維里面發(fā)生改變。要知道，傳統(tǒng)報(bào)刊的攝影師，都要求刊發(fā)在報(bào)紙上的照片必須為原片，大多數(shù)攝影記者還只用M擋拍攝。

現(xiàn)在讓我們從哲學(xué)轉(zhuǎn)向物理學(xué)：真的可以用智能手機(jī)一直放大，獲得月球上非常詳細(xì)的照片嗎？答案是：不。將變焦設(shè)置得過高，并期望獲得真實(shí)結(jié)果不是那么容易的。任何光學(xué)設(shè)備（如照相機(jī)、望遠(yuǎn)鏡或顯微鏡）的分辨率都有物理限制，它被稱為光學(xué)衍射極限，它與光的波動(dòng)性有關(guān)。

光、波和衍射

光也是一種波——電場(chǎng)和磁場(chǎng)的行進(jìn)振蕩，這就是我們稱之為電磁波的原因。所有這些現(xiàn)象都有波速（擾動(dòng)移動(dòng)的速度）、波長(zhǎng)（擾動(dòng)之間的距離）和頻率（擾動(dòng)通過空間中一點(diǎn)的頻率）。

所有這些波也可以衍射，這意味著它們?cè)诖┻^一個(gè)“狹窄”的開口后會(huì)散開。讓我們以水波為例，想象一個(gè)重復(fù)的波遇到一堵有開口的墻。如果你能從上面看到它，它看起來像這樣：

水波在撞墻之前，波浪是平直的。但是一旦它們穿過開口，就會(huì)在開口周圍彎曲，形成衍射。聲波甚至光波也會(huì)發(fā)生同樣的事情，如果光線在開口周圍彎曲，是否意味著我們可以看到光線拐彎？從技術(shù)上講，是的。但是，波的彎曲量取決于波長(zhǎng)。

可見光的波長(zhǎng)非常短——大約500納米，因此通常很難注意到衍射量。但如果使用非常窄的狹縫，實(shí)際上我們可能會(huì)看到光的衍射。使用激光時(shí)效果最為明顯，因?yàn)樗划a(chǎn)生單一波長(zhǎng)的光，穿過縫隙后，有一定的衍射現(xiàn)象（在經(jīng)典物理學(xué)中，波在穿過狹縫、小孔或圓盤之類的障礙物后會(huì)發(fā)生不同程度的彎散傳播）。

雖然激光束的直徑很小，但在穿過開口后會(huì)散開很多。實(shí)際上，由于干擾會(huì)在墻上交替出現(xiàn)亮斑和暗斑。光束傳播的量取決于開口的大小，狹縫越小，光斑越寬。假設(shè)我們能夠?yàn)樵搯蝹€(gè)亮點(diǎn)繪制屏幕上不同點(diǎn)的光強(qiáng)度，它看起來像這樣：

同時(shí)，我們可以看到激光發(fā)出的光的強(qiáng)度在中間最亮，然后隨著距離變遠(yuǎn)而減弱。

分辨率的極限

讓我們來演示一下通過一個(gè)開口的兩束激光（綠色和紅色激光，以便看出區(qū)別），假設(shè)當(dāng)光束擊中開口時(shí)，這兩種激光來自略微不同的方向，意味著它們都會(huì)在其后面的屏幕上產(chǎn)生一個(gè)點(diǎn)，但這些點(diǎn)會(huì)稍微移動(dòng)一點(diǎn)。

注意，兩束激光在不同位置產(chǎn)生峰值強(qiáng)度——但由于光斑散開，它們有些重疊。你能分辨出這兩個(gè)斑點(diǎn)是否來自不同的來源嗎？事實(shí)證明，它們之間的角距必須大于1.22λ/D，其中λ（lambda）是光的波長(zhǎng)，D是開口的寬度，1.22是圓形開口的系數(shù)。

回到主題，我們用相機(jī)中的圖像傳感器替換右側(cè)的灰色墻壁，同樣的事情也能奏效。衍射極限是仍可分辨的兩個(gè)物體之間可能的最小角距離，這不是對(duì)光學(xué)設(shè)備制造質(zhì)量的限制，是物理學(xué)施加的限制。

此限制取決于開口的大?。ㄈ珑R頭大?。┖凸獾牟ㄩL(zhǎng)。可見光不僅僅是一種波長(zhǎng)。相反，它的范圍是380到780納米。我們用較短的波長(zhǎng)獲得更好的分辨率，但作為粗略的近似值，可以使用大約500納米的單一波長(zhǎng)。

你能用智能手機(jī)看到什么？

綜上所述，雖有些燒腦，但只是為了說明一個(gè)問題：作為相機(jī)本身，它看不到事物的大小，它們所分辨的數(shù)據(jù)只是角度大小。如果你走出室外，面對(duì)月亮，用拇指丈量，就可以覆蓋整個(gè)月亮。但是你的拇指只有幾cm寬，而月球的直徑卻超過了300萬米。很顯然月亮比你的拇指巨大得多，只是角度影響了視覺。

也許這張圖會(huì)有所幫助。這里有兩個(gè)不同大小的物體，距離觀察者的距離不同，觀察者可以是人眼或相機(jī)：

第一個(gè)物體的高度為h1，與觀察者的距離為r1。第二個(gè)物體的距離為r2，高度為h2。由于它們都覆蓋相同的角度，因此它們具有相同的角度大小。事實(shí)上，我們可以將角度大?。ㄒ曰《葹閱挝唬┯?jì)算為：

有了這個(gè)，我們就可以計(jì)算出從地球上看月球的角度大小。月亮直徑為3476.28千米，距離為3.844億米，得到的角大小為0.52度。方程給出的角度以弧度為單位，但大多數(shù)人以度為單位思考事物，所以從弧度轉(zhuǎn)換為度。

還是以拇指重復(fù)這個(gè)計(jì)算，測(cè)量的拇指寬度為1.5厘米，伸出去后距離人的眼睛68厘米，大于0.52度，這就是為什么可以用拇指遮住月亮。

再舉一個(gè)例子。智能手機(jī)攝像頭能看到多遠(yuǎn)的一分錢？一分錢的直徑為19.05毫米。如果使用相同的最小角度大小0.007度，如果想看到它，那一分錢不能超過156米（大約1個(gè)半足球場(chǎng)）。物理學(xué)決定了智能手機(jī)的鏡頭是無法承擔(dān)那么多細(xì)節(jié)的，因此具有AI輔助變焦功能的相機(jī)可以在這個(gè)156米的距離內(nèi)拍攝一分錢的圖像，但它真的無法分辨正反面，消費(fèi)者必須要有清晰的認(rèn)知啊。