iPhone这十年在传感器上的演进

iPhone这十年在传感器上的演进

最近一段时间我把苹果这十年的 iPhone 发布会都看了一遍,目的只有一个,就是研究 iPhone 在传感器使用上的演进。所谓传感器(Sensor),就是能够感知周围环境并输出电信号的元器件。像麦克风,就是一个能够感知周围声音的传感器,而摄像头就是视觉传感器。人通过耳朵、眼睛、皮肤、鼻子等感知周围的刺激,进而做出决策,智能设备同样如此。

我认为 iPhone 之所以强大,除了具有强大的计算能力和 iOS 操作系统,很重要的一点就是采用了各种先进的传感器,采集周边的数据。接下来我就按时间顺序讲解 iPhone 上所采用的传感器,带你领略苹果的黑科技。

一、iPhone 2G(2007)

多点触控屏幕

2007 年初,苹果对外发布了它们的新产品 iPhone,在这之前,iPod 已经非常普及,许多人都在设想苹果的手机会是什么样子,有人将 iPod 的触控滚轮 PS 为老式电话的拨号盘,等 iPhone 真正展现到大家眼前时,还是惊呆了。这款手机竟然没有实体按键!当然,没有实体按键的智能手机之前也有,但需要配置一只笔,因为采用的是电阻屏幕,灵敏度是个问题。iPhone 的屏幕采用了电容屏幕,反应灵敏,并且支持多点触控,通过十个手指就可以很精准的操作。就连产品发布后,许多人还在怀疑打字的时候会不会太痛苦,你现在低头看看自己的手机,就知道现在已经不是个问题了。多点触控屏幕,让 iPhone 有了触觉。

近距离传感器(Proximity sensor)

在 iPhone 的正面,有一个近距离传感器,通过红外线感应,可以检测到人脸与手机屏幕的距离,如果非常贴近,就会将屏幕关掉,这样既能省电,又能避免脸部触碰产生的误操作。

 

图片1

 

光度传感器(Ambient light sensor)

在正面还有个光度传感器,可以获取到周边的光亮强度,这样就可以智能的调节屏幕亮度了。

 

图片2

 

加速度传感器(Accelerometer)

加速度传感器用来感知手机的运动情况,它的原理就像在一个盒子里装个铁球,由于重力的作用,如果转动盒子的方向,各个侧面收到的铁球的压力是不同的,以此来判断盒子的朝向。基于加速度传感器,iPhone 可以实现横屏时,内容自动转成宽屏显示。近距离传感器、光度传感器再加上加速度传感器,一下子让 iPhone 的智能化水平远远超出了当时的半吊子智能手机,更别提功能机了。

200万像素摄像头

iPhone 一代配备了 200 万像素的摄像头,这并不高,我 2007 年买的诺基亚 7500 也是 200 万像素。但拍照效果,并不是只有像素所决定的。每个像素就像一个坑,每个坑里能够吸收到光线情况是有差异的(我在 iPhone 5S 部分会更详细讲解)。再加上苹果的高清屏幕,拍出来的照片,就是更加好看。

麦克风

有了麦克风,就可以听到声音了,iPhone 有了耳朵。

湿度传感器(Moisture Sensor,并不是真正的传感器)

每代 iPhone 都有湿度传感器,主要是监测 iPhone 是否浸水。它只是湿度试纸,如果浸水,就会变红色,苹果店会拒绝维修。经网友指正,这东西叫浸液指示器,隐藏在充电口、耳机口、卡槽等位置,并不是标准的传感器,但能起到感知环境的作用。

2G / Wi-Fi / 蓝牙(BlueTooth)

iPhone 一代只支持 2G 信号,像手机信号就是电磁波。其实我们看到的光也是电磁波,听到这句话可能文科生已经晕了,有兴趣可以重学一下高中物理,我中文系毕业的媳妇年初的时候就在网上买了一套高中物理教材。不同的信号,需要不同的接收器进行解码操作。2G 信号接收器,就是一个可以感知 2G 电磁波的“眼睛”。有了 Wi-Fi 传感器,就可以连接 Wi-Fi 了,没错,Wi-Fi 信号也是电磁波。蓝牙也是接收某一频段电磁波的传感器。

许多专业人士或网友并不同意将这些信号接收设备归为传感器,它们只是信号接收装置,并没有一个把一种物理量转变为光电量的过程。而我认为正是有了这些装置,才让手机能够“感知”到这些信号。像人体虽然笼罩在各种无线信号之下,但却不能感知。我这种归类方法大家不要当成专业划分,权当促进思考的手段吧。

二、iPhone 3G(2008)

3G

在 iPhone 二代,增加了对 3G 信号的支持,在上网速度上,有了比较大的飞跃。

GPS

有了 GPS 传感器,可以通过卫星信号,定位手机的当前位置。同样,专业人士不认为 GPS 是传感器。三、iPhone 3GS(2009)

300 万像素摄像头

iPhone 三代把摄像头升级到了 300 万像素,并且增加了视频录制功能。

磁力传感器(Compass)

有了 GPS,虽然能够定位,但是无法辨别方向。只有你拿着手机朝一个方向走上 20 米,才能通过位移估算你的方向,但这还是不够精准。在卫星信号不好的地方,定位的偏差可能都有几百米,这种估算的方向完全不可信。有了磁力传感器就不一样了,就是手机有了指南针,打开地图,我们不只是知道当前位置,还会知道我们当前的手机朝向,再也不用看着太阳辨别方向了(这种古老的技术,我发现周围许多人都无法掌握)。

四、iPhone 4(2010)

陀螺仪(Gyroscope)

你应该打过陀螺,也见过独轮电动平衡车,这两种东西都利用了一种物理原理。就是转动的物体,会沿着轴心方向保持稳定。转动的陀螺即使被碰一下,还是会晃动几下回到稳定朝下。而陀螺仪还有个特性就是可以通过转动位移,来计算出转动加速度。

虽然在 iPhone 一代中通过加速度传感器可以感知到手机的倾斜,但无法很好的计算手机的旋转,特别在玩一些赛车游戏的时候,你无法实现手机晃动灵敏的控制方向盘。有了陀螺仪就不一样了,乔布斯在现场演示了一个拆积木的游戏,通过手机旋转,可以从不同的角度去拆积木。乔布斯还在最后把这五种智能的传感器都放在一起,可见他对传感器是情有独钟。

这里要补充的是 iPhone 手机用的陀螺仪并不是这种旋转轮子式的机械陀螺,而是一种微机电结构(MEMS)的,通过转动时的电容变化量来测定角速度,再配合加速度计传感器,来计算姿态。

(PS:本来我以为自行车的平衡也是用了陀螺仪的原理,后经网友指正不是,有兴趣的了解的见:如何解释自行车的平衡原理? - 物理学)

内部温度传感器(Internal Temperature Sensor)

iPhone 4 上还有个温度传感器,并不是为了测外部温度,主要是为了监测手机本身是否过热。手机温度过热时,会提示关机一段再开机。

500 万像素摄像头

摄像头升级到了 500 万像素,拍照效果更好。这里要说的是,iPhone 的闪光灯,会根据周围的环境亮度,来决定闪光灯到底要多亮,而不是一视同仁,避免过爆的问题。

30 万像素前置摄像头

终于有了前置摄像头,可以看到对方的脸了。

双麦克风

在手机的顶部耳机插口旁边,又增加了一个麦克风,这是干嘛的?我后面会讲。

iPhone 4 是乔布斯最后一次亲自发布,之后一年去世。在科技与人文的交叉口,目前还没有第二个人。罗永浩在 3 年前曾经尝试过,但只能站在 UI 和 段子的交叉口。

五、iPhone 4S(2011)

蓝牙 4.0(Bluetooth 4.0)

iPhone 4S 据说是最早支持蓝牙 4.0 的手机之一。蓝牙 4.0 相比之前的版本,功耗更低,默认开着蓝牙也不用担心费电,这主要为物联网时代做铺垫。

800 万像素摄像头

iPhone 4S 摄像头升级到了 800 万像素,并且支持 1080P 的视频录制。这次发布让我印象比较深刻的是拍照响应速度,等待时间缩短。

六、iPhone 5(2012)

4G(LTE)

增加了 4G 信号接收器,上网速度和用 Wi-Fi 没区别了。

120 万像素前置摄像头

iPhone 5 的前置摄像头升级到了 120 万像素。

三麦克风

我问了身边好几个朋友是否知道 iPhone 背面摄像头和闪光灯之间的孔是干嘛的?都没有回答出来。事实上,那是一个麦克风。一般都知道在 Home 健下侧的耳机孔旁边,是个麦克风,打电话的时候需要用,为什么要在闪光灯旁边加个麦克风呢?答案是为了降噪。我们在打电话时,声音会传给耳机孔旁的麦克风,但周围可能有噪音。这些噪音同时会传到这两个麦克风,那么,我们将主麦克风接收到的声音,再滤除掉闪光灯旁麦克风的声音,就达到了降噪的目的,让声音更清晰。

One more thing,在正面耳机的听筒里,也还隐藏这一个麦克风。也就是 iPhone 5 配有三个麦克风,它们组合在一起,一方面为了降噪,另一方面可以从多个角度接收语音,使声音更加真实。

在几个月前,我发现自己的 iPhone 6 Plus 在微信视频时说话对方听不到,几周前发现插上耳机可以听到。而平时打电话是正常的,说明我的麦克风是正常的啊,百思不得其解。几天前 iOS 10 发布后,我进行了升级,并想尝试一下新的 Siri,结果发现 Siri 并不能识别我说话。于是我在网上查资料,渐渐意识到 Siri 并不是通过 Home 键旁边的麦克风接收语音的,而是用了听筒内部的那个隐藏麦克风。我就去苹果店进行了检测,果真是隐藏麦克风坏了。坑爹的是这个麦克风是和屏幕一体的,如果要解决这个问题,就得花 1100 元更换屏幕,想想还是算了。

七、iPhone 5C/5S(2013)

指纹识别(Touch ID)

iPhone 5S 增加了指纹识别,解除屏保不用输密码了。指纹识别同样是一个识别指纹的传感器。

协处理器 M7(Motion coprocessor,不是传感器,是专为传感器服务的处理器)

传感器越来越多,对 CPU 的资源占用越来越大,耗电量也越来越大。于是苹果推出了 M7 协处理器,把这些运动相关的传感器(包括加速度传感器、陀螺仪、磁力传感器)的数据采集与处理,都交由 M7 来完成,这样降低耗电量,并且让 CPU 可以专门做其他的事情。

M7 并不是传感器,只是苹果设计出来专门为传感器信息处理服务的,我把它列出来,主要是为了强调苹果在传感器周边所花的心思。

更大单位像素的摄像头

许多人有个误区,就是觉得摄像头的像素越多越好,比如会觉得 1200 万像素的摄像头要比 800 万像素的更好。其实不是的,还要看每个像素能够接受的光线强度,色彩丰富度。iPhone 5S 使用了更大面积的图像传感器,但像素依旧是 800 万像素,这样每个像素对应的传感器宽度从 1.4 微米提升到了 1.5 微米,也就是面积增加了 15%,这样单个像素的采光情况更好,进而提升的拍照质量。相反,有些手机的摄像头有 1300 万像素,但是可能只是 1.1 微米,这样采光情况要差一些,拍出来的照片质量就大打折扣了。所以苹果说“Bigger Pixels = Better Pictures”。

这一代还升级了闪光灯为双闪光灯,一个暖光一个冷光,这样再配合光度传感器(我目前尚不确定是否采用的正面听筒旁边的光度传感器,还是在主摄像头或者闪光灯里还隐藏了一个),可以打出匹配环境的光亮,这样拍出来的照片更为融合。闪光灯本身并不是传感器,配合光度传感器,发挥了更好的效果。

八、iPhone 6/6 Plus(2014)

近场通信(NFC)

在 iPhone 5S 上有了指纹识别,而 iPhone 6 上就增加了近场通信(也是电磁波),两个叠加到一起,就成了 Apple Pay,从此刷卡变成了刷手机,输入密码变成了刷指纹。虽然这些技术以前都有,但是苹果擅长就是把它们整合成优质的服务。我自己在星巴克用过几次,遗憾的是我的信用卡还有密码,刷了之后还得再输密码。。(据说现在已经不用输密码了,我改天去确认一下。)

气压计(Barometer)

有了气压计,就可以测量海拔了,还可以测量你爬了多少层楼梯。对我这样的户外爱好者来说,爬上某个山头,就可以看看到底有多高了。可能有人会有一个疑惑,我们在初中课本里不是学过,空气湿度对气压的影响吗?会不会因为天气不同,对测试的误差影响很大?从我目前收集到的资料来看,这个影响很小,可以忽略。

六轴陀螺仪

iPhone 6 系列中的陀螺仪是六轴的,相比 iPhone 4 所使用的三轴陀螺仪多了三轴,主要是增加了三个轴的加速度计。按道理来说,就不需要再有专门的加速度传感器了,可以二合一了。可有人拆机后发现,还有专门的加速度传感器,这是为何呢?

答案是体验和功耗。加速度的启动需要一个时间,专门的加速度传感器只需要 3 ms,而六轴陀螺仪需要 30 ms。另外,同样是测量加速度,六轴陀螺仪是加速度传感器的 3 倍电耗。于是苹果在实现上,对于手机横屏、计步这样的应用,只调用加速度传感器,而对于灵敏度比较高的场景,再用六轴陀螺仪。苹果在细节设计上,真是舍得下功夫。

更好的图像传感器

iPhone 6/6 Plus 采用了新的图像传感器,拍照效果更好。比如采用了一种叫做 Focus Pixels (相位检测自动对焦)的技术,可以使对焦速度更快。具体技术细节我也不懂,据说早就在单反相机上成熟应用,手机上应用的还比较少。

iPhone 6 Plus 还增加了光学防抖,直接感受就是拍出来的照片在略微抖动的情况还会比较清晰。其基本原理是这样的:人拍照时相机抖动的话,等于同一物体,投射到了不同图像传感器的像素上。那么通过陀螺仪,监测到抖动的加速度情况,进而计算出位移情况,将摄像头向相反的方向移动,就实现了去除抖动带来的影响。当然,为了实现这一点,iPhone 6 Plus 的摄像头不只是能够前后伸缩,还能够上下左右移动。

九、iPhone 6S/6S Plus(2015)

压力传感器(3D Touch)

iPhone 6S 增加了屏幕压力传感器,能够采集到按压力度,这样在交互上可以玩出新花样来。屏幕能够感知到手按压的力度,但人并不会感受到屏幕真的被按压下去了。为了给人以反馈,内部增加了一个叫 TAPTIC Engine 的设备,根据压力,会产生振动,这样人就能感受到按压了。但目前来看,这一功能的应用并不是特别广泛。

500 万像素前置摄像头

前置摄像头都 500 万像素了。

1200 万像素摄像头

后置摄像头升级到了 1200 万,光感更好。在今年初,苹果还发布了 iPhone SE,主要是迎合喜欢小屏幕的客户。外观上就是 iPhone 5S 的翻版,配置上更接近 iPhone 6S,如摄像头是 1200 万像素的,只是没有 3D Touch 功能。没有太多可说的地方,直接跳过。

十、iPhone 7/7 Plus(2016)

非机械按压 Home 键

iPhone 将 Home 键换成了非机械按压式的,如果你按着没感觉,是不是很不爽?所以苹果把在实现 3D Touch 所用到的 TAPTIC Engine 振动器加大,按压的时候振动一下,给你一种错觉,按键按压下去了。有了这种方式,一是不容易损坏(有人担忧按键是不会坏了,振动器是不是更容易坏了?),二是防水性更好,三是在玩游戏的时候,可以采用振动反馈,想象一下振动手柄。

700 万像素前置摄像头

前置摄像头都升级到了 700 万像素。

更好的摄像头

采用更快速的图像传感器,拍照更快了。并且在 iPhone 7 上,也增加了只有在 Plus 系列才有的光学防抖。

闪烁传感器(Flicker sensor)

我们平时用的电灯之类的,都是交流电人造光,看着光线很稳定,实际是在不断的闪烁。这样在拍照时,因为图像传感器是一行行采集的图像,这样不同行采到的人造光影响可能就不一样,会导致拍出来的照片色彩不均。于是苹果增加了一个闪烁传感器,不断采集到光线情况,这样在图像处理时,就可以进行修正。闪烁传感器应该是和图像传感器放在一起的一块芯片,获取光线应该就是通过镜头,这点还有待确认。

双摄像头

iPhone 7 Plus 采用了双摄像头,一个广角一个长焦,可以照顾两种需求,并且能拍微距照片。正是这个双摄像头吸引了我,我决定换手机了。

写到这里,我发现整个内容里,摄像头的比例非常大,可见苹果在摄像头上所花费的功夫。

通过上面的回顾,我们看到苹果在传感器使用上可谓越来越广泛。事实上,不止是苹果,其他公司也同样在采用越来越多的传感器。有了各种传感器,就可以采集到各种数据,再加上大数据分析技术,就可以挖掘越来越多的价值。我觉得未来可能通上电的设备,都会带有传感器,而传感器会产生大量的数据,正是基于这点考虑,我把现在的创业公司起名叫 Sensors Data,我觉得未来是传感器时代。

本文来源:iPhone这十年在传感器上的演进