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涨姿势:都是“双摄” 发展至今有何不同?

近年来,由于智能手机产业遭遇创新瓶颈,手机产品愈发同质化,手机厂商尤其是高端手机厂商都在努力寻求差异化,研发新的独占功能保持产品的竞争力以及附加值,而手机产品差异化中最“简单”的一项就是“人机交互系统”差异化了(毕竟不同厂商产品本身在人机交互界面中就存在一定的差异化,因此在这方面寻求差异化相对更加迅速便捷)。

而在寻求人机交互的突破过程中,影像传感器(摄像头)的应用是不可绕过的一环。随着手机所承担的事物越来越多,注定会搭载数量众多、功能细化的传感器。表面上看是如今手机摄像头变多了,但是其背后实际上是各家厂商对于多摄像头的应用方案的探索与尝试。

今天小编就为大家盘点一下智能手机发展至今,所使用的那些“双”摄像头技术。

裸眼3D:双摄像头初次面世

不知道大家是否知道,全球首款搭载双摄像头的手机是哪款么?就是HTC于2011年推出的HTC G17(EVO 3D)这款裸眼3D手机。

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遥想当年的HTC,在手机圈混得那叫一个风生水起(“雪姨”也不用通过卖大楼的方式填补HTC的亏损),虽然当年的机海战术在业内颇受争议,但是不得不说当年HTC的产品线中的确出现了一系列独具特色的产品。其中EVO 3D就是全球首款支持录制裸眼3D视频的手机产品,其搭载的两颗平行式500万像素摄像头,最高可以支持录制分辨率为720P的3D视频。

从原理上看,EVO 3D所支持的裸眼3D录像功能,只是通过两颗平行摄像头模拟左右眼分别记录影像信息,并在后期分割成等距离的垂直线条,然后利用插排的方式将左右影像交错地融合在一起。在播放时,借助透光狭缝与不透光遮障垂直相间的光栅条纹等处理的屏幕(与3DS掌机原理相同),使人们双眼所看到的影像产生差异而有立体的感觉。

令人遗憾的是,当时这项技术由于长时间观看会让一些“立体视觉”较差的人产生眩晕感,一度被人们认为缺乏实用性,并没有被推广开来。

同像素平行双摄像头:双摄像头方案正统继承者之一

如果将现有的手机双摄像头方案按照传承来划分的话,那么同像素平行双摄像头方案无疑是最正统的继承者之一(另一正统继承者方案将会在下文出现)。同像素平行双摄像头采用了平行设计,两个摄像头硬件规格一模一样,共同合作发挥作用。这种双摄像头可以共同参与成像,并且拍照时进光量与感光面积是单镜头的2倍,之前发布的华为荣耀6Plus就采用这样一个设计方案。

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其配备的两颗后置800万镜头,成像分辨率可以达到1300万像素,有效像素尺寸提升到1.98um,成像质量可以与多数家用数码相机媲美。千万不要认为将相同的两个镜头拼到一起就可以发挥出应有的作用,实际上其背后也要有强大的技术支持,不仅要开创独特的算法保证两个摄像头的对焦和深度信息问题,还要解决双摄像头的摆放问题。

对于专业的摄影师,他们很清楚拍照都有固定的取景范围必须保证两个摄像头的取景视野不会重叠,而且当前的手机技术,并不能将两枚 摄像头做到像人眼一样真正平行,所以目前仅能将两枚摄像头取景交错角缩小到θ=0.1,再通过算法让合成的照片不至于出现叠影。

金无足赤人无完人,这种双摄像头的摆放问题就导致了这类双摄像头的缺陷,如果在日常使用中出现意外导致两个摄像头的摆放位置出现位移,那么内置的算法就难以再对摄入的照片进行优化,因此搭载这类双摄像头的手机一般都需要强硬的外壳支撑,避免双摄像头位置发生错位。

彩色 黑白双摄:大小不够,两颗来凑

彩色 黑白双摄方案的出现,和相机一直以来“底大一级压死人”的传统有关(CMOS在不考虑其他因素的情况下,面积越大成像效果越好)。彩色 黑白双摄这项方案,解决的就是由于CMOS面积受限而导致成像素质降低的问题,原理很简单,就是在彩色CMOS(主摄像头)的基础之上,增加了一块黑白CMOS(副摄像头)。由于原理相对简单,因此也受到众多手机厂商的青睐,360 Q5系列、奇酷手机、华为P9等产品均使用了该方案。

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彩色 黑白双摄在拍摄图像时,两颗CMOS会同时成像,其中彩色CMOS负责颜色信息(事实上是全部拍照信息),黑白CMOS只负责记录拍摄物体的灰度信息(当然也不能记录颜色信息),最后通过后期处理,将两张图片合成为一张。

至于为何要使用一颗黑白CMOS?这点与CMOS成像原理密不可分。我们通常所用的手机CMOS在成像时,每个像素点都是“色盲”:它们只能感应光的强度,无法捕获颜色信息。因此为了获得一张有颜色的照片,厂商在每个像素点上方都覆盖了一层彩色滤光片,光线被滤光片过滤一部分后将会在感光元件上产生与该颜色光照强度相对应的电流,再经过“反拜耳运算”将像素点的颜色计算出来,从而构成图像。但是由于CMOS元件本身就是一个通电的元件,其内部电流会干扰感光元件上感应到的电流,这也就是为何我们会在弱光照片中看到伪色噪点。

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那么那些相机是如何通过优化减少伪色噪点的呢?

Plan A:优化电路结构,降低噪声

Plan B:增大感光元件灵敏度

Plan C:增大单位像素面积

Plan D:增大光圈,提高进光量

而彩色 黑白双摄方案采用的,则是Plan E:去掉滤光片,减少光强损失。

无论质量多么上乘的滤光片,只要过滤掉某些颜色的光线,光线强度就必然会有一定程度的衰减。而没有滤光片的黑白CMOS则不会有这部分衰减,在硬件层面上要比同像素尺寸的彩色CMOS串扰更小,画面纯净度更好。不过由于没有滤光片只能记录画面的灰度,想要拍摄出一张彩色照片,还需要另外一颗彩色摄像头记录颜色信息进行后期合成。

虽然说CMOS参数中感光面积的权重非常大,但事实上,虽然两颗CMOS带来了两倍的感光面积,但其同时也带来了双倍的像素数量和双倍的噪音,其并不能解决单位像素面积小的问题,仅仅是通过黑白CMOS减少了一点光线强度的衰减。从硬件层面考虑,该方案充其量只能算是小尺寸CMOS的补救,加上双摄没有完善的量产光学防抖解决方案,在提升画质方面并没有真正的大底大像素单摄像头有效。

胶水双摄:最不像双摄的双摄

首先要声明一点,这里的胶水并不是指用胶水将两个摄像头粘在一起,而是指手机虽然拥有两颗摄像头,但在拍照时只有其中一颗摄像头负责成像,仅仅在使用某些特殊功能时,两颗摄像头才会一起工作。这一派别实际上还可以再分为“胶水广角”和“胶水长焦”两个方案,前者我们在LG G5上曾经见到过,后者则是出现在了最新一代的iPhone 7 Plus上。

LG G5 除了拥有一颗1600万像素(IMX 234)的标准镜头,还搭载了一颗800万像素的广角摄像头,最大广角端可达135度,能拍摄出相当于10mm~12mm左右的35mm等效焦距(短焦)的照片。更大的广角端让取景器中可以收录更多内容,画面元素会更加丰富。

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不过使用超大广角也不是没有代价的,在画面边缘会出现物体变形的现象,有些类似鱼眼相机。

如果说LG G5 的广角摄像头让照片拍得更多,iPhone 7 Plus则是反其道而行之,在标准摄像头(等效焦距28nm)之外增加了一颗56mm等效长焦镜头,让照片可以拍得更远。借由两颗摄像头间的切换,56mm长焦摄像头拍出来的照片相当于28mm摄像头2倍光学变焦后的效果,而光学变焦的优势在于对于画质的无损。

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不过由于手机的光学构造,决定了它不可能像真正的镜头一样可以通过移动镜片调整焦距,实现全焦段的无损光学变焦。而苹果仅在1x和2x这两个焦段是无损的,而其它放大倍数都属于数码变焦,只是苹果通过旋钮让两颗摄像头切换过渡得极其自然。

景深双摄:硬件不够,算法来凑

在手机的摄像头设计中,由于光圈是固定的,在硬件层面上并不能实现单反中大光圈“焦外虚化”的效果。但是硬件不够,软件来凑,手机运算性能如此强大,为何不能后期处理出“焦外虚化”的照片呢?因为单摄像头不能记录物体的景深。

就像人类有两只眼睛,两只眼睛存在间距,对于同一景物,左右眼的相对位置是不同的,这就产生了双目视差,即左右眼看到的是有差异的图像。两张具有视差的图像转入大脑视中枢,合成一个物体完整的像。因为双眼视差的存在,你才能看清这一点与周围物体间的距离、深度、凸凹等等都能辨别出来,这样形成的像就是立体的像,这种视觉就是立体视觉。所以,想要记录拍摄时的景深信息,我们还需要另外一颗摄像头,例如HTC One M8的景深摄像头。

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景深摄像头的原理并不复杂:在拍摄时,主摄像头负责当前被摄物体的取景,而景深摄像头则负责在拍摄的瞬间记录多张焦点由近至远的不同照片。然后通过手机SOC的后期运算,可以判断场景中其他物体距离拍摄物体的远近,从而进行不同程度的后期虚化(距离被摄物体焦平面越远的物体虚化越明显)。

景深照片成像的好坏,取决于各家的算法能否清晰地分辨被摄物体的边缘。有些厂商凭借成熟的算法,甚至可以实现先拍照后对焦。

X摄传感器:另类正统双摄方案

这一部分解决方案,脱胎于最早的双摄解决方案:3D双摄方案。这一系列解决方案是将摄像头的本质功能发挥到了极致(从本质上说,摄像头其实就是一种传感器),借由搭载不同的特殊用处摄像头,厂商们实现了多种不同功能,例如通过摄像头捕捉用户面部位置,在手机屏幕上显示实时3D界面(亚马逊的Fire Phone),或者是通过前置的红外摄像头进行虹膜解锁(有史以来安卓阵营最短命的机皇:三星Note7就搭载了该项技术,并且实际使用体验相当成熟)。

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AR双摄:最科幻的双摄像头方案

今年6月,联想正式在TechWorld2016大会上正式推出了全球首款消费级AR智能手机——联想Phab 2 Pro。由于多种原因,这款手机一直推迟到11月才开始上市。

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作为世界首款谷歌Project Tango手机,Phab 2 Pro机身背部除了一颗标准的1600万像素摄像头,还有两个额外的摄像头,一个用来感知景深,一个进行运动追踪。得益于两颗额外的摄像头,Phab 2 Pro可以实时为用户周围的环境进行3D建模,并在手机屏幕上呈现出增强现实的效果。

总结

从最早的3D双摄,初级的“胶水”双摄,小升级的彩色 黑白双摄,全靠算法的景深双摄,到三星特种摄像头进行生物识别,再到运动捕捉摄像头在VR/AR领域中的应用,手机双摄方案的应用面越来越宽,使用方式也越来越多样化。虽然这里面有成功也有失败,但探索的脚步从未停止,也许在不久的将来,手机双摄就将彻底改变我们使用手机的方式。

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