煎蛋科学第53期：拍月亮到底要什么设备？手机到底能不能拍？

第53期，拍月亮到底要什么设备？ 手机到底能不能拍？

一位叫做唯愛永生的听友提问说普通人有什么可以拍摄宇宙星系星云或者恒星行星的设备呢？手机也能拍摄吗？听到这个问题，蛋博士第一个想到的是，能拍月亮的华为P30。关于P30拍摄月亮出现的修图痕迹我想我就不赘述了，蛋博士也并非华为用户。有人说华为这不叫修图，这叫AI计算。我想问问老铁，人工智能修图，就不是修图了么？一定要使用Adobe家的photoshop修图才是修图么？Adobe自己家也是有自动修图软件的，Adobe在人工智能领域做的非常厉害，我现在用的一些算法也是他们开发的。那么问题来了，使用人工智能强化的自动修图祛痘的photoshop修图，算修图么？这答案是不是用脚趾头想想也能想明白。

先回答前一个问题，天文摄影，Astrophotography，特别是拍摄天体，真的是需要专业设备。比如你想拍摄月球上的陨石坑，那就需要一个不错的长焦镜头，或者天文望远镜。可能有听友在买专业相机的时候听过这么一句话，镜头群要补齐所有焦段，什么是镜头群呢？我们在计算摄影那一期已经讲过了，消费级摄影产品，还是以镜头和传感器为基础的。你买的单反或者无反相机，不管有没有反光镜，都不是一个完整的成像系统，需要有镜头才能拍照。所以买了相机后，买镜头是必不可少的，镜头焦距各式各样，有超广角，比如蛋博士最喜欢的全幅15mm焦距的镜头，就是一个超广角，能够容纳肉眼可视范围以外的好多东西，放大倍率极低，用来拍摄室内设计，夸张的透视效果能够把小的房间拍的很大。一般来说全幅等效35mm以下的镜头就都叫广角了，所以大部分手机的主镜头，无论是26mm还是28mm，都是广角了。所以我经常听到有人问他的手机上有俩广角镜头，这俩广角是不一样的，一个是广角，一个是超广角，而且大都是2倍焦距的关系。比如新出的iphone 11 pro，三个镜头分别是全幅等效13,26,52mm，刚好是个等比数列，广角是超广角的两倍，标准镜头是广角的2倍。当然，苹果官方会把这个50mm左右的镜头称为长焦镜头或者望远镜头，这也是营销必须的。实际上全幅等效40mm 到 55mm焦距的镜头，属于标准镜头范围。为什么叫做标准镜头呢？因为这个焦段范围的镜头，最符合人眼所见的视角，当然不包括余光，你要说你用余光扫到了右侧开来的汽车，及时躲开，那并不在你的视角范围内，或者说你的眼睛没有对焦到右侧。关于这个镜头焦段的分类，大家去DXO Mark的网站上都查得到，35mm或以下叫做广角wide angle，40 - 55mm叫做标准，standard，而55mm以上叫做长焦telephoto。Tele这个词根就是远的意思，比如电视TV全称是television，就是你能从这盒子里面看到vision，视觉或者视频，但并不是说盒子里面真有人在那儿给你演，而是远处传来的电视信号，所以叫television。除了电视，还有一个词也是tele开头的，叫做telescope，望远镜。望远镜，就是一个长焦镜头，而且一般来是一个非常长的长焦镜头。长焦，是比人眼的范围要更窄的，或者说放大倍率更高。如果相机的分辨率和人眼完全相同的话，理论上长焦镜头看到的东西会比人眼看到的更大，细节更丰富。举个例子，如果你刚进卧室门，拿起一个超广角镜头拍摄，比如就是iphone 11 pro上面那个13mm镜头，那么你会得到一张大半个卧室的照片，如果用广角26mm呢，可以拍到小半个卧室，如果用52mm的镜头，你可能会得到一扇窗户。这样一个从13mm到52mm的变焦过程，也正是所谓的4倍光学变焦，你把52mm镜头得到的照片里的窗户拿出来和13mm镜头中的比，差不多就是4倍那么大。

那要是用200mm，也就是标准镜头的4倍，去拍个卧室，你会发现，就能拍到窗户的一扇玻璃还不全，但是窗外的风景都是虚的，如果有明显点状光源就会形成了一个个的圆形光斑，这就是弥散圆。一般来说，焦距越长，光圈越大，弥散圆就越大，看起来背景虚化就越好看，有这种如奶油般化开的感觉。所以很多人像创作摄影师，都会用稍微长一些的焦段，比如85mm，135mm，或者200mm，配上大光圈来虚化背景。有人会问，为什么你的手机52mm F1.8，焦距和光圈和你的全幅单反的50mm F1.8差不多，虚化差别那么大呢？这就是全幅等效的概念了，刚才我们不也提到了等效焦距么？手机的传感器比专业相机比，小太多了，所以设计镜头的时候，用的是更短的焦距，光圈是焦距除以通光口径，所以同样是F1.8，焦距变短了，通光口径也就小，所以我们看到的手机镜头才那么小。但是换算成全幅的数据是要等效的，这点我们在42期已经讲过的，如果手机的传感器尺寸是主流的1/2英寸的话，那么所谓的F1.8大光圈，也不过是等效全幅F10左右。手机或者卡片机生产厂商一般都会把焦距写成等效全幅焦距，但不会把光圈写成等效全幅，你也就别问为什么人不这么写了。

我们如果继续增加焦距，来到1000mm，如果你还在卧室的话，对焦在窗户上，你可能能拍到窗户上的一只蜘蛛。现在已经比iphone 11 pro的广角镜头又放大了40倍，这个大小除了能拍蜘蛛，还能拍月亮。很多天文望远镜，上面也会标注1000mm，蛋博士自己使用的是2500mm，在这个焦距下，月亮几乎可以充满整个全画幅传感器，或者说一张35mm胶片。你可以清楚的看到月球上的各个陨石坑和月球表面的起伏。1000mm以上焦距的镜头或者望远镜，基本上就可以胜任观测天体或者天体摄影的任务了。大部分天文望远镜厂商，都会提供天文望远镜和可换镜头相机厂商的转接环，比如蛋博士有一个星特朗望远镜和佳能的转接环，一块加工精度要求很低的铁环卖好几百还必须得买。

天文望远镜之所以能够看到不同的天体，是因为这样的长焦镜头提供了相对于人眼几十倍的光学变焦，这就相当于把人眼能看到的图像放大了几十倍。那手机行吗？很多手机不也号称数码变焦100倍？数码变焦，计算摄影的产物，跟纯光学比较还是差一些的，如果有兴趣可以听听我们42到44期的内容。数码变焦用到的，就是我们44期讲到的超分辨率，确切的说是单帧超分辨率。手机用最大焦距拍摄一张照片，然后通过算法把照片放大。细节算法都在那一期里面，我们就直接说结果。比如iphone 11 pro在52mm的长焦端以后，还提供了5倍额外的数码变焦。蛋博士自己使用过的索尼的接近无损的2倍数码变焦，效果还行。无损肯定是不可能的，利用训练好的神经网络对于一些常见物体进行差值，从而增加更多细节，接近无损，这是完全能够做到的。但是5倍，细节损失肯定就不可忽略了，大量的没有任何新增信息的插值会给照片带来一些涂抹效果。你就拍一张照片，然后放大5倍，想想效果能好么？三星新出的galaxy S20，光学变焦大概有8倍，却号称总共有100倍变焦，那也就是说数码变焦有12.5倍。蛋博士没有这部手机，但是看过评测，虽然S20的潜望设计的长焦镜头确实不错，但是12.5倍的数码变焦，真的放到12.5倍，这涂抹效果，你会觉得好像是在看一幅油画。

除了上面说的单帧超分辨率，也就是只拍一张照片强行超分辨率，还有多帧超分辨率，使用多张照片堆栈成一张，这个技术我们在43期花了一整期的时间讲，但是我们当时讲的时候没有讲这个技术的极限在那儿，我们今天也不会讲。不是皮，确实是不知道。超分辨率主要是靠传感器的移动强行捕捉像素和像素之间的未知信息，一般是通过偏移个像素实现。传感器的偏移如果比像素还要更小，理论上是可以获得比传感器固有分辨率更高的分辨率，这个技术也叫做像素偏移。传感器的像素偏移，要想刚好偏移一个像素或者更小，那得需要极为精确的控制，这点一般可以通过高端的带机身防抖的相机的防抖模块来实现，奥林巴斯M1和松下S1的超分辨率合成，都是这个原理，合成的结果也是2倍的分辨率也可以理解成2倍变焦。手机，一般来说防抖会差一些，你要轻薄又要什么功能都有，这怎么可能呢？所以你手抖的移动，肯定不只一个像素，不过通过后期的差值比对，也是能够模仿传感器偏移的效果进行高分辨率（https://arxiv.org/pdf/1905.03277.pdf）我们之前讲计算摄影的时候还将过一个事实，就是照片分辨率同时取决于镜头和传感器的分辨率。这是手机摄影超分辨率的另外一个难题，手机为了轻薄，在镜头光路设计上肯定有所妥协，这也是超分辨率的一个瓶颈。

所以手机无论是单帧还是多帧超分辨率，两三倍放大效果还是不错，你要放大几十倍还要求效果好，那是不可能的。信息绝对不会凭空而来也不会凭空消失，这点上个世纪信息熵和热力学熵统一后我们就确定了。我们在讲摄影有关的这几期中多次提到iphone 11，原因是苹果公司作为一个软件公司，他们的软件确实令人敬佩，一个2.5分之1的小传感器硬件，跟各大厂商的大传感器打的有来有回。蛋博士并没有iphone，也根本就没有任何一件苹果产品。我们的节目里面，一般不会老是出现蛋博士自己使用的品牌，我们坚持不打广告，其实是我们也没拿广告赞助的实力。今天的节目就到这里，感谢大家收听，我们下期再见。