iPhone十年 传感器的演进过程

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。

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。

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。