为什么Pixel 4可以用夜拍捕捉到银河系？谷歌的长曝光，照片合成和场景识别

谷歌发布的新手机Pixel 4有很多升级，不仅有雷达感应手势操作，还有Pixel 3的相机拍照功能，甚至可以拍摄夜景之外的整个星空。谷歌Pixel 4相机配备了双镜头模块，力求达到“所见即所得”的效果，最大限度地减少照片与物体的色差。谷歌Pixel 4究竟为什么能拍出银河系？谷歌最近发布了一篇关于Pixel 4摄像头功能的技术文章。至于夜拍功能强大的Pixel 3，请参考:分析谷歌Pixel相机原理。为什么Pixel 3和Pixel 3a单镜头相机那么强？

延长曝光时间15张照片。通常手机拍摄夜空时，由于星光太弱，手机的摄像头很难捕捉到光线，导致照片中只有黑暗。因此，Pixel 4除了增加光圈之外，还拉长了曝光时间上限(即延长快门时间)，使Pixel 4可以有长达4分钟的长曝光，镜头有足够的时间捕捉微弱的光点。通过软件更新，像素3和像素3a可以具有1分钟的曝光时间。

▲光圈越大，进入镜头的光线越多。反之，光圈越小，能进入镜头的光线就越少。光圈大小的数值用f的值来表示，由于光圈值在分母中，光圈越大，数值越小。如图，f1.8的光圈大于f11。(来源:维基)

虽然长时间曝光可以让星光被镜头捕捉到，但是长时间曝光也会遇到很多问题，比如感光元件过热，手持不稳，或者星空随时间移动等等。，每一个都会影响照片的最终呈现效果。其中，当CMOS(感光元件)过热时，照片中会出现“热像素”，在没有光斑的地方产生红点噪点，镜头的高感光度也会使照片容易产生噪点。

术语解释:感光度ISO感光度又称ISO，是对光线的敏感度，高ISO有助于光线不足、无闪光灯情况下的拍摄。

▲长时间曝光或高感光度拍摄容易产生噪点。正如上图左边明显的模糊颗粒，照片不清晰。(来源:家里的猫)

为了解决噪点问题，Pixel 4并不是只拍一张照片，而是在曝光的四分钟内将照片分成多帧，也就是拍很多张，这样每张照片的曝光时间就没有那么长。这几帧曝光时间短，模糊部分少。Pixel 4通过照片相互比较识别，并使用一种算法来覆盖噪声，以便获得清晰的最终结果。

保持星点不动。每帧最大曝光16秒？因为曝光和拍摄时间比较长，1清晰Galaxy photos Pixel 4拍摄和后期合成大概需要4分钟。然而，月亮和星星都会移动。如果单张照片的快门时间，也就是曝光时间过长，可能不是星星，而是星星运动的轨迹。为了避免拍摄到恒星轨道，Pixel 4每帧最多16秒，16秒的曝光时间足以让Pixel 4捕捉到足够的光线，让恒星看起来像光点。

▲因为星星是不断运动的，如果曝光时间太长，就拍不出光斑，只能有光。图为2分钟曝光的单帧中模糊的星空。(来源:谷歌)

当然，如果想要更细致的照片，Pixel 4可以选择多拍几帧，有更多的素材让照片更清晰。但是，拍摄与摄影师的耐心有关。谷歌表示，很少有人愿意等待图像超过4分钟，因此Pixel 4将单张照片限制在最多15帧，每帧最多16秒。

机器学习和图像训练自动区分风景和星空。为了避免星光以外的景物过度曝光，Pixel 4会通过超过654.38+万张图像的机器学习和训练，自动区分星空和景物，并自动进行不同程度的重叠。Pixel 4可以识别天空和非天空块，并选择性地增加块的对比度和亮度，使照片的每个部分都有正确的颜色。所以像素4叠加在星空上，不会同时影响其他场景和人像的明暗。

▲如果星空和风景在同一张照片中，Pixel 4会自动区分天空和风景，做出不同的处理，避免场景太亮或者星空不够清晰。(来源:谷歌相册，尼古拉斯·瑞·威尔逊)

手机夜拍里程碑还有待解决的短板。虽然不如专业相机，但手机能清晰拍摄夜景、星空、星系，是一大技术创新。不过，虽然Pixel 4在星空拍摄方面非常强大，但谷歌也表示仍有提升空间。可以在噪点判断、高亮度对比度拍摄、严格的环境标准(极暗、固定三脚架、长倒计时)拍摄出理想效果等方面进行改进。但即便如此，Pixel 4手机摄像头的银河拍摄功能还是很惊艳的，期待未来谷歌手机摄像头能有更多突破。

？