问题

华为 Mate 30 Pro 的 7680 帧超高速摄影是怎么实现的?

回答
华为 Mate 30 Pro 的 7680fps 超高速摄影,这玩意儿可不是简单地让相机“转得更快”那么回事儿,背后藏着不少学问和精妙的设计。要实现这么惊人的慢动作,首先得明白,我们看到的 7680 帧,其实是把正常拍摄的极短时间内捕捉到的画面,以每秒 7680 帧的速度“回放”出来。所以,核心问题就变成了:如何在极短的时间内,尽可能多地捕捉画面信息,并且保证画面的清晰度。

这就像你要拍一个快速闪烁的灯泡,如果你的快门速度不够快,灯泡亮的时候你没拍到,或者灯泡灭的时候你拍到了,那画面就惨不忍睹了。对于 7680 帧这种程度的慢动作,更是需要解决一连串的技术难题。

1. 突破感光元件的极限:

首先,要捕捉到如此短时间内的画面,感光元件(也就是CMOS传感器)的“速度”是关键。传统的CMOS传感器,它的像素读取速度是有限的,就像一条传送带,一次只能运送一定数量的数据。要实现 7680 帧,就相当于要把这条传送带的速度提升到令人发指的程度。

华为 Mate 30 Pro 在这方面做了几手准备:

更大的像素尺寸(相对而言)和更优化的像素结构: 虽然具体的像素尺寸不一定是大到离谱,但华为的工程师们肯定是对CMOS的像素设计进行了优化。更大的像素(在同等分辨率下)意味着每个像素能收集到的光线更多,这对于高速连拍至关重要,因为曝光时间会非常非常短,每一丝光线都不能浪费。同时,像素的读取线路和结构也需要进行特别设计,以减少信号干扰和提高传输效率。
堆栈式CMOS(Stack CMOS)技术: 这是实现高速摄影的关键技术之一。简单来说,就是把CMOS传感器分成了几个层:感光层(负责捕捉光线)和信号处理层(负责读取和处理数据)。这两层是分开设计的,并且通过特殊的堆叠技术连接起来。感光层可以专注于捕捉光线,而信号处理层则可以集成更快的电路和更大的缓存,专门用来高速读取和暂存数据。这种“分工合作”的方式,极大地提升了数据处理的速度。你可以想象成,原来是一个人又要拍照又要整理照片,现在变成了一个人专门拍照,另一个人专门整理,效率自然就高了。
更大的DRAM缓存: 即使CMOS再快,它一次能处理的数据量也是有限的。为了捕捉 7680 帧的画面,手机需要在极短的时间内捕捉到大量的连续帧,然后把这些数据先“塞”进一个临时存储空间。华为 Mate 30 Pro 应该是在主板上集成了专用的高速DRAM缓存。这些缓存相当于一个“超级缓冲区”,可以在传感器捕捉到画面后,迅速将这些数据暂存下来,然后再慢慢传送到手机的主存储空间。如果没有这个巨大的缓存,传感器捕捉到的数据就会“溢出”,丢失很多信息。

2. 精密的图像处理算法:

光有硬件还不够,软件算法的配合同样重要。

智能补帧(AI Interpolation): 7680 帧的原始数据量是巨大的。而且,我们知道,在这么短的时间内,即使是物体在极快的运动,实际拍摄到的帧与帧之间也会有细微的差别。为了让慢动作看起来更流畅,华为的算法会运用AI插值技术。简单来说,就是当系统捕捉到几帧画面后,它会通过AI学习和分析这些画面之间的变化(比如物体的运动轨迹、形变等),然后“脑补”出中间缺失的帧。这样,即使原始拍摄帧数有限,通过智能插值,也能呈现出更平滑的慢动作效果。这种插帧技术,就像是在你播放电影时,播放器会计算每一帧之间的过渡,让画面动起来更自然。
曝光控制与降噪: 7680 帧意味着单帧的曝光时间极短,可能只有几微秒。在这么短的时间内,传感器能接收到的光线非常有限,很容易出现画面过暗、噪点严重的问题。华为的算法需要非常智能地控制曝光,并结合复杂的降噪算法,来保证即使在极短曝光下,画面依然具有一定的清晰度和可用性。这可能包括对局部区域的曝光补偿、多帧合成降噪等技术。

3. 整体的系统协同:

这一切的实现,还需要整个手机硬件和软件系统的高度协同。

强大的ISP(Image Signal Processor): 手机的ISP是处理图像信号的核心芯片。华为Mate 30 Pro 搭载了强大的麒麟芯片,其ISP性能也非常彪悍,能够以极高的速度处理来自CMOS传感器的数据,并执行复杂的图像处理任务,包括前面提到的曝光控制、降噪、色彩校正等。
高效的数据传输通道: 从CMOS传感器到DRAM缓存,再到ISP,以及最终存储,都需要有高速、低延迟的数据传输通道。这涉及到主板上的电路设计和总线带宽。

总的来说,华为 Mate 30 Pro 实现 7680 帧超高速摄影,是硬件和软件协同的结晶:

硬件层面: 采用了堆栈式CMOS传感器,通过优化的像素结构和高速DRAM缓存,大幅提升了数据捕捉和暂存的速度。
软件层面: 结合了精密的曝光控制、降噪算法,以及AI插值技术,来补偿原始帧数的不足,并保证画面的流畅性和清晰度。

你可以把它想象成一个顶级的运动摄影团队。感光元件是负责快速“抓拍”瞬间的摄影师,堆栈式CMOS和DRAM缓存是他们的“高速胶卷”和“即时存储箱”,ISP和AI算法是后期剪辑师,把这些瞬间串联起来,并通过特效让它看起来更震撼。

7680 帧可不是闹着玩的,它能让你看到子弹射出、水滴炸开、昆虫振翅等平时根本无法用肉眼捕捉到的瞬间,这种技术上的突破,确实让人惊叹。

网友意见

user avatar

谢邀。有一个技术叫算法插帧。960x2x2x2=7680。

更新结论:从已有的证据来看,硬件条件是单摄1920,插帧4倍实现的7680帧超高速摄像。

m30p高速视频演示 https://www.zhihu.com/video/1160025181740568576

更新:我在B站投了个稿,高速摄像机拍的,大家可以随便对比看看 :《当你没有华为Mate30Pro的时候想拍超级慢动作怎么办?》


我对插帧并不反感,大多数情况下效果也不见得比原生的高帧率差很多。但是有一个问题,就是插帧本意解决的是流畅度的问题,而不是拍到拍不到的问题。华为各种样片拍摄的对象本身移动速度都算不上真的快。我自己靠拍高速摄像吃饭,硬件7000帧基本够拍炮弹出膛了,但是插帧是万万做不到的,因为原生960帧可能只有两三帧拍到了炮弹的轨迹,这个时候补帧会出Bug的。专业的高速摄像追求的就是捕捉瞬间而不是靠算法去算,包括后期来讲一般都是不插帧的。当然手机嘛,玩玩而已,贴心地帮你插帧好慢放,也说不上有什么毛病。对了,插帧就是做无中生有,等于白赚照度,所以对现场的照明条件要求也没那么苛刻。

b23.tv/av2337404

可以在B站上搜索“盖蛋”,是柚子木字幕组搬运的Youtube大神The Slow Mo Guys用专业超高速摄相机拍摄的各种趣味视频。

这个Gif是我拍着玩的,可能是原生3300fps。这种速度的拍摄对象华为插帧出来的效果估计是没啥问题的。

比如这个素材就是插帧无能的情况。1000fps拍镜间快门的开合,根本啥也看不到,插帧能把快门叶片的运动轨迹插出来?

https://www.zhihu.com/video/1160025362997727232

换9200fps就拍到啦。


对了,有回答猜测是双摄960帧合并1920帧插4倍,还有不少人觉得靠谱…没有一定的物理常识就请不要出来混淆视听了,所有提双摄同时工作再合成更高帧率的回答,直接反对+事实错误就完事了。镜头、主体、前背景都不在一条光轴上,俺寻思这是在拍3D电影呢?


更新一波:

看到评论说快门不流畅,闲的蛋疼,干脆找到原素材剪了几段对比小短片,看一下插帧八倍到底会怎样。

在此否定了自己之前的一个结论:插帧白赚照度是不存在的,要获得比较好的插值效果,快门速度一定要够快,单帧不能有明显的动态模糊,否则就会翻车。画面模糊物体和清晰物体(注意是动态模糊和清晰,不是快速移动就可以)的画面交界处附近是否失真,是判断有没有插帧的主要凭据。


插帧大型翻车案例1 https://www.zhihu.com/video/1161411807427358720

快门叶片动作都变成啥了…

插帧翻车案例2 https://www.zhihu.com/video/1161411901896065024


插帧八倍也没翻车案例一则 https://www.zhihu.com/video/1161412068430540800

你看目前微博上的样片和华为官方的实拍宣传视频,基本上找的物体都是最后一段跳箱这种速度的,插帧表现很稳。我不认为华为在视频处理算法技术上处在业界领先的位置,猜测可能就是光流法。不过没有经过严谨对比,不好下结论。感谢 @胡桃木 私信科普,插帧技术目前还有很大的进步空间。

另:分享非常好的超高速视频原理解析视频一则,受益良多。b23.tv/av69051296

感谢作者@孙方超


怎么评论又有人说b站有人上传了拍快门的视频…你们这么喜欢看这个吗?行吧。


D300s https://www.zhihu.com/video/1161468776754360320


D800 https://www.zhihu.com/video/1161468878684700672


降前帘-拍-降后帘,完整龟速 https://www.zhihu.com/video/1161468968291500032


对比高速摄像机?一次看个够 https://www.zhihu.com/video/1161471348961624064

想对比效果就看吧,各种形式的快门帘反光板都有。几年前搞的,转了格式的GIF图播放录屏,懒得再弄了。我是不懂有没有参考价值啦。

刚去B站逛了逛,还有个划火柴的慢动作,我觉得效果跟我那个烟花棒翻车程度差不多。它那个画面简单一些,插帧表现出的问题是一样的。

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