旗舰智能手机真能拍摄出月球细节？

李铮 曹欣

手机为何能分辨出月球细节

端午节快到了，很多小伙伴想要挑战拍摄目标——月亮。近年大家都在讨论智能手机的拍照极限，手机已经取得了巨大的进步：更好的传感器、不止一个镜头，以及图像稳定、更长曝光时间和高动态范围等功能，手机可以同时拍摄多张不同曝光照片并将它们组合以获得更棒的图像。

机器的进步确实能够担任一些以前摄影师的工作：比如贾樟柯用苹果手机拍摄电影短片，并用丰富软件提供的后期编辑图像。手机采用的这些素材全部在真实的空间里拍摄，如何处理好景深，跟环境融合，才是至关重要的作用。在拍摄后，通过编辑调整景深，导演还能调出不同的色彩制造出反差。

三星GalaxyS23Ultra具备3倍和10倍两枚光学变焦镜头，数码变焦可以达到100倍，拍到月球细节也不是难以企及的事情了。说到底，细节是相机人工智能软件的产物，而不仅仅是它的光学元件。手机实现超远距离摄影，拍出来的东西与其说是现实，不如说是这台计算机对人类偏好的改进。

在网络上，Reddit用户ibreakphotos发布了三星GalaxyS23Ultra的月球摄影实验，结论是：使用手机的超扩展混合变焦模式拍摄月球时，三星有效地在图像上添加了月球纹理。

对于这类拍摄，厂商现在也比较坦然，不像之前几年那么胡吹。官方说法是：“三星致力于在任何条件下提供一流的照片体验。当用户拍摄月亮时，基于AI的场景优化技术将月亮识别为主要物体，并进行多张照片多帧合成，然后利用AI增强图像质量和色彩的细节。它不会对照片应用任何图像叠加。用户可以停用基于AI的场景优化器，这将禁用对所拍照片的自动细节增强。”

通过多次曝光创建单幅图像是计算摄影的核心。但是，正如ibreakphotos所说的，三星在过去的机型上有过“假月球照片的争议”。回顾一下三星GalaxyS20Ultra的AI技术合成“月亮”事件，当时一些用户非常聪明，把一张月球照片模糊处理，然后在显示器上用长焦拍摄，结果原本模糊不清的月球图片，在三星的加持下，瞬间变得清晰起来。

公说公有理婆说婆有理，AI流行的当下，手机拍摄月亮是不是AI合成已经没多少人关心了。需要说的是，如果现代智能手机可以自动编辑照片，它们还是照片吗？这个观念正在传统摄影师的思维里面发生改变。要知道，传统报刊的摄影师，都要求刊发在报纸上的照片必须为原片，大多数摄影记者还只用M挡拍摄。

现在让我们从哲学转向物理学：真的可以用智能手機一直放大，获得月球上非常详细的照片吗？答案是：不。将变焦设置得过高，并期望获得真实结果不是那么容易的。任何光学设备（如照相机、望远镜或显微镜）的分辨率都有物理限制，它被称为光学衍射极限，它与光的波动性有关。

光、波和衍射

光也是一种波——电场和磁场的行进振荡，这就是我们称之为电磁波的原因。所有这些现象都有波速（扰动移动的速度）、波长（扰动之间的距离）和频率（扰动通过空间中一点的频率）。

所有这些波也可以衍射，这意味着它们在穿过一个“狭窄”的开口后会散开。让我们以水波为例，想象一个重复的波遇到一堵有开口的墙。如果你能从上面看到它，它看起来像这样：

水波在撞墙之前，波浪是平直的。但是一旦它们穿过开口，就会在开口周围弯曲，形成衍射。声波甚至光波也会发生同样的事情，如果光线在开口周围弯曲，是否意味着我们可以看到光线拐弯？从技术上讲，是的。但是，波的弯曲量取决于波长。

可见光的波长非常短——大约500纳米，因此通常很难注意到衍射量。但如果使用非常窄的狭缝，实际上我们可能会看到光的衍射。使用激光时效果最为明显，因为它只产生单一波长的光，穿过缝隙后，有一定的衍射现象（在经典物理学中，波在穿过狭缝、小孔或圆盘之类的障碍物后会发生不同程度的弯散传播）。

虽然激光束的直径很小，但在穿过开口后会散开很多。实际上，由于干扰会在墙上交替出现亮斑和暗斑。光束传播的量取决于开口的大小，狭缝越小，光斑越宽。假设我们能够为该单个亮点绘制屏幕上不同点的光强度，它看起来像这样：

同时，我们可以看到激光发出的光的强度在中间最亮，然后随着距离变远而减弱。

分辨率的极限

让我们来演示一下通过一个开口的两束激光（绿色和红色激光，以便看出区别），假设当光束击中开口时，这两种激光来自略微不同的方向，意味着它们都会在其后面的屏幕上产生一个点，但这些点会稍微移动一点。

注意，两束激光在不同位置产生峰值强度——但由于光斑散开，它们有些重叠。你能分辨出这两个斑点是否来自不同的来源吗？事实证明，它们之间的角距必须大于1.22λ/D，其中λ（lambda）是光的波长，D是开口的宽度，1.22是圆形开口的系数。

回到主题，我们用相机中的图像传感器替换右侧的灰色墙壁，同样的事情也能奏效。衍射极限是仍可分辨的两个物体之间可能的最小角距离，这不是对光学设备制造质量的限制，是物理学施加的限制。

此限制取決于开口的大小（如镜头大小）和光的波长。可见光不仅仅是一种波长。相反，它的范围是380到780纳米。我们用较短的波长获得更好的分辨率，但作为粗略的近似值，可以使用大约500纳米的单一波长。

你能用智能手机看到什么？

综上所述，虽有些烧脑，但只是为了说明一个问题：作为相机本身，它看不到事物的大小，它们所分辨的数据只是角度大小。如果你走出室外，面对月亮，用拇指丈量，就可以覆盖整个月亮。但是你的拇指只有几cm宽，而月球的直径却超过了300万米。很显然月亮比你的拇指巨大得多，只是角度影响了视觉。

也许这张图会有所帮助。这里有两个不同大小的物体，距离观察者的距离不同，观察者可以是人眼或相机：

第一个物体的高度为h1，与观察者的距离为r1。第二个物体的距离为r2，高度为h2。由于它们都覆盖相同的角度，因此它们具有相同的角度大小。事实上，我们可以将角度大小（以弧度为单位）计算为：

有了这个，我们就可以计算出从地球上看月球的角度大小。月亮直径为3476.28千米，距离为3.844亿米，得到的角大小为0.52度。方程给出的角度以弧度为单位，但大多数人以度为单位思考事物，所以从弧度转换为度。

还是以拇指重复这个计算，测量的拇指宽度为1.5厘米，伸出去后距离人的眼睛68厘米，大于0.52度，这就是为什么可以用拇指遮住月亮。

再举一个例子。智能手机摄像头能看到多远的一分钱？一分钱的直径为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，那一分钱不能超过156米（大约1个半足球场）。物理学决定了智能手机的镜头是无法承担那么多细节的，因此具有AI辅助变焦功能的相机可以在这个156米的距离内拍摄一分钱的图像，但它真的无法分辨正反面，消费者必须要有清晰的认知啊。