iPhone十年，传感器的演进过程

雷锋网按：本文作者桑文锋，神策数据创始人兼 CEO，前百度大数据部技术经理。

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。

参考资料：

1. 历年苹果发布会。

2. 历代 iPhone 你爱谁：库克的肾7已在路上 历代iPhone你爱谁?__info.91.com

3. 加速计原理：加速计原理 – decemberd的专栏

4. 加速计与陀螺仪：加速计与陀螺仪

5. iPhone上的传感器列表

6. iPhone 内部的传感器：The Senors That Make the iPhone So Cool

7. iOS 设备常见传感器：iOS 设备常见传感器

8. iPhone6设计奥秘：iPhone6设计奥秘：InvenSense和Bosch加速度计

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