从计算摄影到量子摄影

郭育青

相机传感器的尺寸大幅减小源于消费群体对于便携、实时、高画质的追求。计算摄影便担负起这种在矛盾中求统一的重任。伴随计算摄影时代的到来，很多物理原理上的不可能居然变成了可能，比如我们在前面提到的计算景深、实时美颜、多帧合成，等等。

在计算摄影的时代，器材本身可能不再是拍摄的最关键因素，移动计算平台上的图像算法才起到了决定性作用。或者说，算法软件本身已成了名副其实的器材。借助它们，从拍摄到处理、存储、发布的全流程紧密地结合在移动计算平台中，实现摄影全流程重构。

因此我们可以总结，计算摄影时代有两个显著的特征：基于移动计算平台的影像算法将成为决定性因素;开放的、丰富的图像算法让摄影全流程流程发生重构，给摄影增加了难以想象的无穷多的可能性。

这样带来的结果之一是，我们常说的“底大一级压死人”是否还合适。通过分析计算摄影的不同技术特点我们可以看到，这些技术和方法和小尺寸传感器的搭配更加紧密。因为这类器材器材足够小、足够轻，计算摄影的可能性才能够更加彻底地释放出来。因此单纯说“底大一级压死人”是有失偏颇的。当我们去说所获得影像的信噪比和画质时，这么说可能还合适，但说到创作空间、实现效果、用户适用等时，就未必合适了。

同时我们也能看到，传统相机厂商在设计制造相机时还是相对封闭和保守的，时常给人一种“挤牙膏”升级的感觉。而小尺寸传感器相机在研发、设计、制造全流程更加开放透明，发展的可能性也应当更多。

但计算摄影就是摄影发展的一个最终形态吗？并不是。当我们把眼光放得更远，就能看到摩尔定律已经深处窘境，计算机芯片的能力在如今已经很难按照摩尔定律继续提升。而智能图像算法极度依赖算力与计算架构，因而在传统计算架构内很快会面临同样窘境。

那么，接下来如何走？或许该轮到量子科学在摄影中大显身手了。在公开发表的科技文献上，我们已经可以非常清楚地看到相机的传感器在将来会发生质的变化。它会向着下一个阶段——量子影像传感器（Quanta Image Sensor）过渡和进化。当下这个时间点，仿佛重现了几十年前相机制造厂商大量使用CCD作为图像传感器时，CMOS传感器出现的那个时刻。

关于量子图像传感器（QIS）最早可见的描述来自2004年——数码相机刚刚开始普及的年代。科学家们认为，随着半导体器件的进步，图像传感器在未来10到15年将有能力采用亚衍射极限（SDL）像素，并提高电路设计和缩放比例，以合理的功耗實现更强大的计算能力。

量子传感器中 映像点的概念图

夜间拍摄猎豹，展现出量子影像传感器惊人的暗光表现力

量子摄影先行者EricFossum教授

CMOS影像传感器是一种数字式传感器，只能记录0或1。而在量子科学世界里，一个感光元件上可以记录下除了0和1以外的中间状态。正因如此，在量子影像传感器中，我们将不再以像素的数量作为衡量传感器性能的指标，而会采用一个新的单位——映像点（jot）。每一个映像点都可以探测到单个光子，可以实现光子的全捕获，最大限度利用进光量。因此，量子影像传感器拥有比现在任何CMOS传感器更好的“视力”，能够实现更高速、高分辨率、精确的成像。2017年，世界上第一个量子影像传感器由美国达特茅斯学院Eric Fossum教授带领研究团队试制成功。

量子影像传感器的使用和设计涉及很多量子力学的知识，在此我们无法深刻讲解。但通过文献资料，我们可以这样简单地认识量子影像传感器，即借助每一个映像点记录的光信息，我们能进行大量的计算，从而让影像呈现出更多可能的模样。量子影像传感器的出现，会令相机的设计和制造产生革命性变革，必将把我们带入下一个更加令人向往的量子摄影时代。