從計算攝影到量子攝影

郭育青

相機(jī)傳感器的尺寸大幅減小源于消費(fèi)群體對于便攜、實(shí)時、高畫質(zhì)的追求。計算攝影便擔(dān)負(fù)起這種在矛盾中求統(tǒng)一的重任。伴隨計算攝影時代的到來，很多物理原理上的不可能居然變成了可能，比如我們在前面提到的計算景深、實(shí)時美顏、多幀合成，等等。

在計算攝影的時代，器材本身可能不再是拍攝的最關(guān)鍵因素，移動計算平臺上的圖像算法才起到了決定性作用。或者說，算法軟件本身已成了名副其實(shí)的器材。借助它們，從拍攝到處理、存儲、發(fā)布的全流程緊密地結(jié)合在移動計算平臺中，實(shí)現(xiàn)攝影全流程重構(gòu)。

因此我們可以總結(jié)，計算攝影時代有兩個顯著的特征：基于移動計算平臺的影像算法將成為決定性因素;開放的、豐富的圖像算法讓攝影全流程流程發(fā)生重構(gòu)，給攝影增加了難以想象的無窮多的可能性。

這樣帶來的結(jié)果之一是，我們常說的“底大一級壓死人”是否還合適。通過分析計算攝影的不同技術(shù)特點(diǎn)我們可以看到，這些技術(shù)和方法和小尺寸傳感器的搭配更加緊密。因?yàn)檫@類器材器材足夠小、足夠輕，計算攝影的可能性才能夠更加徹底地釋放出來。因此單純說“底大一級壓死人”是有失偏頗的。當(dāng)我們?nèi)フf所獲得影像的信噪比和畫質(zhì)時，這么說可能還合適，但說到創(chuàng)作空間、實(shí)現(xiàn)效果、用戶適用等時，就未必合適了。

同時我們也能看到，傳統(tǒng)相機(jī)廠商在設(shè)計制造相機(jī)時還是相對封閉和保守的，時常給人一種“擠牙膏”升級的感覺。而小尺寸傳感器相機(jī)在研發(fā)、設(shè)計、制造全流程更加開放透明，發(fā)展的可能性也應(yīng)當(dāng)更多。

但計算攝影就是攝影發(fā)展的一個最終形態(tài)嗎？并不是。當(dāng)我們把眼光放得更遠(yuǎn)，就能看到摩爾定律已經(jīng)深處窘境，計算機(jī)芯片的能力在如今已經(jīng)很難按照摩爾定律繼續(xù)提升。而智能圖像算法極度依賴算力與計算架構(gòu)，因而在傳統(tǒng)計算架構(gòu)內(nèi)很快會面臨同樣窘境。

那么，接下來如何走？或許該輪到量子科學(xué)在攝影中大顯身手了。在公開發(fā)表的科技文獻(xiàn)上，我們已經(jīng)可以非常清楚地看到相機(jī)的傳感器在將來會發(fā)生質(zhì)的變化。它會向著下一個階段——量子影像傳感器（Quanta Image Sensor）過渡和進(jìn)化。當(dāng)下這個時間點(diǎn)，仿佛重現(xiàn)了幾十年前相機(jī)制造廠商大量使用CCD作為圖像傳感器時，CMOS傳感器出現(xiàn)的那個時刻。

關(guān)于量子圖像傳感器（QIS）最早可見的描述來自2004年——數(shù)碼相機(jī)剛剛開始普及的年代。科學(xué)家們認(rèn)為，隨著半導(dǎo)體器件的進(jìn)步，圖像傳感器在未來10到15年將有能力采用亞衍射極限（SDL）像素，并提高電路設(shè)計和縮放比例，以合理的功耗實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)大的計算能力。

量子傳感器中 映像點(diǎn)的概念圖

夜間拍攝獵豹，展現(xiàn)出量子影像傳感器驚人的暗光表現(xiàn)力

量子攝影先行者EricFossum教授

CMOS影像傳感器是一種數(shù)字式傳感器，只能記錄0或1。而在量子科學(xué)世界里，一個感光元件上可以記錄下除了0和1以外的中間狀態(tài)。正因如此，在量子影像傳感器中，我們將不再以像素的數(shù)量作為衡量傳感器性能的指標(biāo)，而會采用一個新的單位——映像點(diǎn)（jot）。每一個映像點(diǎn)都可以探測到單個光子，可以實(shí)現(xiàn)光子的全捕獲，最大限度利用進(jìn)光量。因此，量子影像傳感器擁有比現(xiàn)在任何CMOS傳感器更好的“視力”，能夠?qū)崿F(xiàn)更高速、高分辨率、精確的成像。2017年，世界上第一個量子影像傳感器由美國達(dá)特茅斯學(xué)院Eric Fossum教授帶領(lǐng)研究團(tuán)隊試制成功。

量子影像傳感器的使用和設(shè)計涉及很多量子力學(xué)的知識，在此我們無法深刻講解。但通過文獻(xiàn)資料，我們可以這樣簡單地認(rèn)識量子影像傳感器，即借助每一個映像點(diǎn)記錄的光信息，我們能進(jìn)行大量的計算，從而讓影像呈現(xiàn)出更多可能的模樣。量子影像傳感器的出現(xiàn)，會令相機(jī)的設(shè)計和制造產(chǎn)生革命性變革，必將把我們帶入下一個更加令人向往的量子攝影時代。