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    iPhone這十年在傳感器上的演進

    發布時間:2017-07-27 責任編輯:wenwei

    【導讀】最近一段時間我把蘋果這十年的 iPhone 發布會都看了一遍,目的只有一個,就是研究 iPhone 在傳感器使用上的演進。所謂傳感器(Sensor),就是能夠感知周圍環境并輸出電信號的元器件。像麥克風,就是一個能夠感知周圍聲音的傳感器,而攝像頭就是視覺傳感器。人通過耳朵、眼睛、皮膚、鼻子等感知周圍的刺激,進而做出決策,智能設備同樣如此。
     
    我認為 iPhone 之所以強大,除了具有強大的計算能力和 iOS 操作系統,很重要的一點就是采用了各種先進的傳感器,采集周邊的數據。接下來我就按時間順序講解 iPhone 上所采用的傳感器,帶你領略蘋果的黑科技。
     
    一、iPhone 2G(2007)

    多點觸控屏幕
     
    2007 年初,蘋果對外發布了它們的新產品 iPhone,在這之前,iPod 已經非常普及,許多人都在設想蘋果的手機會是什么樣子,有人將 iPod 的觸控滾輪 PS 為老式電話的撥號盤,等 iPhone 真正展現到大家眼前時,還是驚呆了。這款手機竟然沒有實體按鍵!當然,沒有實體按鍵的智能手機之前也有,但需要配置一只筆,因為采用的是電阻屏幕,靈敏度是個問題。iPhone 的屏幕采用了電容屏幕,反應靈敏,并且支持多點觸控,通過十個手指就可以很精準的操作。就連產品發布后,許多人還在懷疑打字的時候會不會太痛苦,你現在低頭看看自己的手機,就知道現在已經不是個問題了。多點觸控屏幕,讓 iPhone 有了觸覺。
     
    iPhone這十年在傳感器上的演進
     
    近距離傳感器(Proximity sensor)
     
    在 iPhone 的正面,有一個近距離傳感器,通過紅外線感應,可以檢測到人臉與手機屏幕的距離,如果非常貼近,就會將屏幕關掉,這樣既能省電,又能避免臉部觸碰產生的誤操作。
     
    iPhone這十年在傳感器上的演進
     
    光度傳感器(Ambient light sensor)
     
    在正面還有個光度傳感器,可以獲取到周邊的光亮強度,這樣就可以智能的調節屏幕亮度了。
     
    iPhone這十年在傳感器上的演進
     
    加速度傳感器(Accelerometer)
     
    加速度傳感器用來感知手機的運動情況,它的原理就像在一個盒子里裝個鐵球,由于重力的作用,如果轉動盒子的方向,各個側面收到的鐵球的壓力是不同的,以此來判斷盒子的朝向。基于加速度傳感器,iPhone 可以實現橫屏時,內容自動轉成寬屏顯示。近距離傳感器、光度傳感器再加上加速度傳感器,一下子讓 iPhone 的智能化水平遠遠超出了當時的半吊子智能手機,更別提功能機了。
     
    200萬像素攝像頭
     
    iPhone 一代配備了 200 萬像素的攝像頭,這并不高,我 2007 年買的諾基亞 7500 也是 200 萬像素。但拍照效果,并不是只有像素所決定的。每個像素就像一個坑,每個坑里能夠吸收到光線情況是有差異的(我在 iPhone 5S 部分會更詳細講解)。再加上蘋果的高清屏幕,拍出來的照片,就是更加好看。
     
    麥克風
     
    有了麥克風,就可以聽到聲音了,iPhone 有了耳朵。
     
    濕度傳感器(Moisture Sensor,并不是真正的傳感器)
     
    每代 iPhone 都有濕度傳感器,主要是監測 iPhone 是否浸水。它只是濕度試紙,如果浸水,就會變紅色,蘋果店會拒絕維修。經網友指正,這東西叫浸液指示器,隱藏在充電口、耳機口、卡槽等位置,并不是標準的傳感器,但能起到感知環境的作用。
     
    2G / Wi-Fi / 藍牙(BlueTooth)
     
    iPhone 一代只支持 2G 信號,像手機信號就是電磁波。其實我們看到的光也是電磁波,聽到這句話可能文科生已經暈了,有興趣可以重學一下高中物理,我中文系畢業的媳婦年初的時候就在網上買了一套高中物理教材。不同的信號,需要不同的接收器進行解碼操作。2G 信號接收器,就是一個可以感知 2G 電磁波的“眼睛”。有了 Wi-Fi 傳感器,就可以連接 Wi-Fi 了,沒錯,Wi-Fi 信號也是電磁波。藍牙也是接收某一頻段電磁波的傳感器。
     
    許多專業人士或網友并不同意將這些信號接收設備歸為傳感器,它們只是信號接收裝置,并沒有一個把一種物理量轉變為光電量的過程。而我認為正是有了這些裝置,才讓手機能夠“感知”到這些信號。像人體雖然籠罩在各種無線信號之下,但卻不能感知。我這種歸類方法大家不要當成專業劃分,權當促進思考的手段吧。
     
    二、iPhone 3G(2008)

    3G
     
    在 iPhone 二代,增加了對 3G 信號的支持,在上網速度上,有了比較大的飛躍。
     
    GPS
     
    有了 GPS 傳感器,可以通過衛星信號,定位手機的當前位置。同樣,專業人士不認為 GPS 是傳感器。

    三、iPhone 3GS(2009)

    300 萬像素攝像頭
     
    iPhone 三代把攝像頭升級到了 300 萬像素,并且增加了視頻錄制功能。
     
    磁力傳感器(Compass)
     
    有了 GPS,雖然能夠定位,但是無法辨別方向。只有你拿著手機朝一個方向走上 20 米,才能通過位移估算你的方向,但這還是不夠精準。在衛星信號不好的地方,定位的偏差可能都有幾百米,這種估算的方向完全不可信。有了磁力傳感器就不一樣了,就是手機有了指南針,打開地圖,我們不只是知道當前位置,還會知道我們當前的手機朝向,再也不用看著太陽辨別方向了(這種古老的技術,我發現周圍許多人都無法掌握)。
     
    四、iPhone 4(2010)

    陀螺儀(Gyroscope)
     
    你應該打過陀螺,也見過獨輪電動平衡車,這兩種東西都利用了一種物理原理。就是轉動的物體,會沿著軸心方向保持穩定。轉動的陀螺即使被碰一下,還是會晃動幾下回到穩定朝下。而陀螺儀還有個特性就是可以通過轉動位移,來計算出轉動加速度。
     
    雖然在 iPhone 一代中通過加速度傳感器可以感知到手機的傾斜,但無法很好的計算手機的旋轉,特別在玩一些賽車游戲的時候,你無法實現手機晃動靈敏的控制方向盤。有了陀螺儀就不一樣了,喬布斯在現場演示了一個拆積木的游戲,通過手機旋轉,可以從不同的角度去拆積木。喬布斯還在最后把這五種智能的傳感器都放在一起,可見他對傳感器是情有獨鐘。
     
    這里要補充的是 iPhone 手機用的陀螺儀并不是這種旋轉輪子式的機械陀螺,而是一種微機電結構(MEMS)的,通過轉動時的電容變化量來測定角速度,再配合加速度計傳感器,來計算姿態。
     
    (PS:本來我以為自行車的平衡也是用了陀螺儀的原理,后經網友指正不是,有興趣的了解的見:如何解釋自行車的平衡原理? - 物理學)
     
    內部溫度傳感器(Internal Temperature Sensor)
     
    iPhone 4 上還有個溫度傳感器,并不是為了測外部溫度,主要是為了監測手機本身是否過熱。手機溫度過熱時,會提示關機一段再開機。
     
    500 萬像素攝像頭
     
    攝像頭升級到了 500 萬像素,拍照效果更好。這里要說的是,iPhone 的閃光燈,會根據周圍的環境亮度,來決定閃光燈到底要多亮,而不是一視同仁,避免過爆的問題。
     
    30 萬像素前置攝像頭
     
    終于有了前置攝像頭,可以看到對方的臉了。
     
    雙麥克風
     
    在手機的頂部耳機插口旁邊,又增加了一個麥克風,這是干嘛的?我后面會講。
     
    iPhone 4 是喬布斯最后一次親自發布,之后一年去世。在科技與人文的交叉口,目前還沒有第二個人。羅永浩在 3 年前曾經嘗試過,但只能站在 UI 和 段子的交叉口。
     
    五、iPhone 4S(2011)

    藍牙 4.0(Bluetooth 4.0)
     
    iPhone 4S 據說是最早支持藍牙 4.0 的手機之一。藍牙 4.0 相比之前的版本,功耗更低,默認開著藍牙也不用擔心費電,這主要為物聯網時代做鋪墊。
     
    800 萬像素攝像頭
     
    iPhone 4S 攝像頭升級到了 800 萬像素,并且支持 1080P 的視頻錄制。這次發布讓我印象比較深刻的是拍照響應速度,等待時間縮短。
     
    六、iPhone 5(2012)

    4G(LTE)
     
    增加了 4G 信號接收器,上網速度和用 Wi-Fi 沒區別了。
     
    120 萬像素前置攝像頭
     
    iPhone 5 的前置攝像頭升級到了 120 萬像素。
     
    三麥克風
     
    我問了身邊好幾個朋友是否知道 iPhone 背面攝像頭和閃光燈之間的孔是干嘛的?都沒有回答出來。事實上,那是一個麥克風。一般都知道在 Home 健下側的耳機孔旁邊,是個麥克風,打電話的時候需要用,為什么要在閃光燈旁邊加個麥克風呢?答案是為了降噪。我們在打電話時,聲音會傳給耳機孔旁的麥克風,但周圍可能有噪音。這些噪音同時會傳到這兩個麥克風,那么,我們將主麥克風接收到的聲音,再濾除掉閃光燈旁麥克風的聲音,就達到了降噪的目的,讓聲音更清晰。
     
    One more thing,在正面耳機的聽筒里,也還隱藏這一個麥克風。也就是 iPhone 5 配有三個麥克風,它們組合在一起,一方面為了降噪,另一方面可以從多個角度接收語音,使聲音更加真實。
     
    在幾個月前,我發現自己的 iPhone 6 Plus 在微信視頻時說話對方聽不到,幾周前發現插上耳機可以聽到。而平時打電話是正常的,說明我的麥克風是正常的啊,百思不得其解。幾天前 iOS 10 發布后,我進行了升級,并想嘗試一下新的 Siri,結果發現 Siri 并不能識別我說話。于是我在網上查資料,漸漸意識到 Siri 并不是通過 Home 鍵旁邊的麥克風接收語音的,而是用了聽筒內部的那個隱藏麥克風。我就去蘋果店進行了檢測,果真是隱藏麥克風壞了。坑爹的是這個麥克風是和屏幕一體的,如果要解決這個問題,就得花 1100 元更換屏幕,想想還是算了。
     
    七、iPhone 5C/5S(2013)

    指紋識別(Touch ID)
     
    iPhone 5S 增加了指紋識別,解除屏保不用輸密碼了。指紋識別同樣是一個識別指紋的傳感器。
     
    協處理器 M7(Motion coprocessor,不是傳感器,是專為傳感器服務的處理器)
     
    傳感器越來越多,對 CPU 的資源占用越來越大,耗電量也越來越大。于是蘋果推出了 M7 協處理器,把這些運動相關的傳感器(包括加速度傳感器、陀螺儀、磁力傳感器)的數據采集與處理,都交由 M7 來完成,這樣降低耗電量,并且讓 CPU 可以專門做其他的事情。
     
    M7 并不是傳感器,只是蘋果設計出來專門為傳感器信息處理服務的,我把它列出來,主要是為了強調蘋果在傳感器周邊所花的心思。
     
    更大單位像素的攝像頭
     
    許多人有個誤區,就是覺得攝像頭的像素越多越好,比如會覺得 1200 萬像素的攝像頭要比 800 萬像素的更好。其實不是的,還要看每個像素能夠接受的光線強度,色彩豐富度。iPhone 5S 使用了更大面積的圖像傳感器,但像素依舊是 800 萬像素,這樣每個像素對應的傳感器寬度從 1.4 微米提升到了 1.5 微米,也就是面積增加了 15%,這樣單個像素的采光情況更好,進而提升的拍照質量。相反,有些手機的攝像頭有 1300 萬像素,但是可能只是 1.1 微米,這樣采光情況要差一些,拍出來的照片質量就大打折扣了。所以蘋果說“Bigger Pixels = Better Pictures”。
     
    這一代還升級了閃光燈為雙閃光燈,一個暖光一個冷光,這樣再配合光度傳感器(我目前尚不確定是否采用的正面聽筒旁邊的光度傳感器,還是在主攝像頭或者閃光燈里還隱藏了一個),可以打出匹配環境的光亮,這樣拍出來的照片更為融合。閃光燈本身并不是傳感器,配合光度傳感器,發揮了更好的效果。
     
    八、iPhone 6/6 Plus(2014)

    近場通信(NFC)
     
    在 iPhone 5S 上有了指紋識別,而 iPhone 6 上就增加了近場通信(也是電磁波),兩個疊加到一起,就成了 Apple Pay,從此刷卡變成了刷手機,輸入密碼變成了刷指紋。雖然這些技術以前都有,但是蘋果擅長就是把它們整合成優質的服務。我自己在星巴克用過幾次,遺憾的是我的信用卡還有密碼,刷了之后還得再輸密碼。。(據說現在已經不用輸密碼了,我改天去確認一下。)
     
    氣壓計(Barometer)
     
    有了氣壓計,就可以測量海拔了,還可以測量你爬了多少層樓梯。對我這樣的戶外愛好者來說,爬上某個山頭,就可以看看到底有多高了。可能有人會有一個疑惑,我們在初中課本里不是學過,空氣濕度對氣壓的影響嗎?會不會因為天氣不同,對測試的誤差影響很大?從我目前收集到的資料來看,這個影響很小,可以忽略。
     
    六軸陀螺儀
     
    iPhone 6 系列中的陀螺儀是六軸的,相比 iPhone 4 所使用的三軸陀螺儀多了三軸,主要是增加了三個軸的加速度計。按道理來說,就不需要再有專門的加速度傳感器了,可以二合一了。可有人拆機后發現,還有專門的加速度傳感器,這是為何呢?
     
    答案是體驗和功耗。加速度的啟動需要一個時間,專門的加速度傳感器只需要 3 ms,而六軸陀螺儀需要 30 ms。另外,同樣是測量加速度,六軸陀螺儀是加速度傳感器的 3 倍電耗。于是蘋果在實現上,對于手機橫屏、計步這樣的應用,只調用加速度傳感器,而對于靈敏度比較高的場景,再用六軸陀螺儀。蘋果在細節設計上,真是舍得下功夫。
     
    更好的圖像傳感器
     
    iPhone 6/6 Plus 采用了新的圖像傳感器,拍照效果更好。比如采用了一種叫做 Focus Pixels (相位檢測自動對焦)的技術,可以使對焦速度更快。具體技術細節我也不懂,據說早就在單反相機上成熟應用,手機上應用的還比較少。
     
    iPhone 6 Plus 還增加了光學防抖,直接感受就是拍出來的照片在略微抖動的情況還會比較清晰。其基本原理是這樣的:人拍照時相機抖動的話,等于同一物體,投射到了不同圖像傳感器的像素上。那么通過陀螺儀,監測到抖動的加速度情況,進而計算出位移情況,將攝像頭向相反的方向移動,就實現了去除抖動帶來的影響。當然,為了實現這一點,iPhone 6 Plus 的攝像頭不只是能夠前后伸縮,還能夠上下左右移動。
     
    九、iPhone 6S/6S Plus(2015)

    壓力傳感器(3D Touch)
     
    iPhone 6S 增加了屏幕壓力傳感器,能夠采集到按壓力度,這樣在交互上可以玩出新花樣來。屏幕能夠感知到手按壓的力度,但人并不會感受到屏幕真的被按壓下去了。為了給人以反饋,內部增加了一個叫 TAPTIC Engine 的設備,根據壓力,會產生振動,這樣人就能感受到按壓了。但目前來看,這一功能的應用并不是特別廣泛。
     
    500 萬像素前置攝像頭
     
    前置攝像頭都 500 萬像素了。
     
    1200 萬像素攝像頭
     
    后置攝像頭升級到了 1200 萬,光感更好。在今年初,蘋果還發布了 iPhone SE,主要是迎合喜歡小屏幕的客戶。外觀上就是 iPhone 5S 的翻版,配置上更接近 iPhone 6S,如攝像頭是 1200 萬像素的,只是沒有 3D Touch 功能。沒有太多可說的地方,直接跳過。
     
    十、iPhone 7/7 Plus(2016)

    非機械按壓 Home 鍵
     
    iPhone 將 Home 鍵換成了非機械按壓式的,如果你按著沒感覺,是不是很不爽?所以蘋果把在實現 3D Touch 所用到的 TAPTIC Engine 振動器加大,按壓的時候振動一下,給你一種錯覺,按鍵按壓下去了。有了這種方式,一是不容易損壞(有人擔憂按鍵是不會壞了,振動器是不是更容易壞了?),二是防水性更好,三是在玩游戲的時候,可以采用振動反饋,想象一下振動手柄。
     
    700 萬像素前置攝像頭
     
    前置攝像頭都升級到了 700 萬像素。
     
    更好的攝像頭
     
    采用更快速的圖像傳感器,拍照更快了。并且在 iPhone 7 上,也增加了只有在 Plus 系列才有的光學防抖。
     
    閃爍傳感器(Flicker sensor)
     
    我們平時用的電燈之類的,都是交流電人造光,看著光線很穩定,實際是在不斷的閃爍。這樣在拍照時,因為圖像傳感器是一行行采集的圖像,這樣不同行采到的人造光影響可能就不一樣,會導致拍出來的照片色彩不均。于是蘋果增加了一個閃爍傳感器,不斷采集到光線情況,這樣在圖像處理時,就可以進行修正。閃爍傳感器應該是和圖像傳感器放在一起的一塊芯片,獲取光線應該就是通過鏡頭,這點還有待確認。
     
    雙攝像頭
     
    iPhone 7 Plus 采用了雙攝像頭,一個廣角一個長焦,可以照顧兩種需求,并且能拍微距照片。正是這個雙攝像頭吸引了我,我決定換手機了。
     
    寫到這里,我發現整個內容里,攝像頭的比例非常大,可見蘋果在攝像頭上所花費的功夫。
     
    通過上面的回顧,我們看到蘋果在傳感器使用上可謂越來越廣泛。事實上,不止是蘋果,其他公司也同樣在采用越來越多的傳感器。有了各種傳感器,就可以采集到各種數據,再加上大數據分析技術,就可以挖掘越來越多的價值。我覺得未來可能通上電的設備,都會帶有傳感器,而傳感器會產生大量的數據,正是基于這點考慮,我把現在的創業公司起名叫 Sensors Data,我覺得未來是傳感器時代。
     
     
     
     
     
     
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