虽然在成像上略逊一筹,但双摄能做许多单摄做不了的事儿

摘要: 表面上看,是如今手机摄像头变多了,而背后,是各家厂商对于多摄像头应用方案的探索与尝试。

上回,我们说到了虽然越来越多的手机厂商把“双摄像头”当作一种潮流,然而在国外专业相机评测机构DxOMark的手机拍照天梯中,评分超过85分的11款手机并没有任何一款双摄手机的影子。

想想其实并没有什么不对,在专业的摄影界,大多数高端的相机实际上都是依靠单摄像头来成像的。

手机要不要上双摄?双摄究竟是“鸡肋”,还是未来发展的趋势?

 面对“单摄”手机的屠榜,双摄乃至多摄像头手机将如何“力挽狂澜”呢?“科普”第二弹马上开车。瓜子花生准备好,快上车!

虽然从DxOMark的评分来看,双摄在成像质量相比单摄并没有什么优势,但是有一类双摄偏偏要和单摄甚至单反来掰一掰“手腕”,那就是以华为、360、酷派主导的黑白双摄技术。

彩色+黑白双摄:大小不够,两颗来凑  

 

首先我们来温习一下,双摄像头手机在成像上会输给单摄手机的两个根本原因:

  • 机身要容纳两颗CMOS,出于美观考虑,单颗CMOS面积受限;
  • 为了保证光路稳定性,双摄手机目前还没有可量产的光学防抖技术。

而“彩色+黑白双摄”这项技术,解决的就是CMOS面积受限“底大一级压死人”的问题。这项技术的原理就是在彩色CMOS(主摄像头)的基础之上,增加了一块黑白CMOS(副摄像头)。

“彩色+黑白双摄”在拍摄时,两颗CMOS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。

问题来了,为什么另外一颗CMOS要用“黑白”的呢?

其实,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。

为了在拍照时获得一张具有颜色的图像,所以每个像素点上方都会覆盖一层彩色滤光片,而滤光片分布则遵循RGBG排列的拜耳阵列(或其变种RGBW排列),在这种排列下,光在射入每个像素点的过程中,会被滤光片过滤掉一部分,只保留该部分颜色的强度,然后单色光射在感光元件上产生与光强度相对应的电流。 最后经过“反拜耳运算”将阵列中相邻的四个像素合成,猜出这四个像素点对应的颜色,于是就构成了一张完整的彩色照片。

但镜头本身就是一个通电的元件,自身也会有电流经过,这部分电流因为电磁感应效应,会与感光元件产生的电流发生串扰,这个串扰我们称之为“噪声”,而信号强度和噪声强度的比值(后称“信噪比”),则是影响成像的最关键因素。

当像素接收到的光越强,转化的电流也就越大,相比之下“噪声”就显得微不足道了;而在光较弱的时候,转化的电流变小,“噪声”的影响变得明显,于是会出现颜色漂移、伪色噪点等现象。这也就是为什么高端与低端手机白天成像质量差不多,而晚上却有如天壤之别。

那么,大多数相机优化是如何提高信噪比的呢?

要么降低噪声:

A:优化电路结构,降低噪声

要么提高信号强度:

B、增大感光元件灵敏度

C、增大单位像素面积

D、增大光圈,提高进光量

而黑白双摄的解决方法属于:

E、去掉滤光片,减少光强损失

无论多么上乘的滤光片,只要过滤掉某些颜色的光线,光线强度就必然会有一部分衰减(约20%)。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。

厂商在宣传的时候就会说:快来看,我们有两颗CMOS,加起来进光量可比单摄像头的CMOS大多了!

虽然在参数上看,好像说得蛮有道理:以华为P9为例,两颗1/2.9英寸(单位像素尺寸1.25微米)的CMOS,拼接起来大约有1/2英寸,比目前主流手机市场采用的最大传感器IMX378的1/2.3英寸(单位像素尺寸1.55微米)还要大一圈。

虽然说“底大一级压死人”,但事实上,虽然两颗CMOS带来了两倍的感光面积,但同时也带来了双倍的像素数量和双倍的噪音,并没有解决单位像素面积小的问题,仅仅是黑白CMOS减少了一点光线强度的衰减,从硬件层面考虑,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。

但双摄真的就只是“鸡肋”吗?虽然在成像质量方面,双摄像头的意义仿佛并没有一颗大号“火疖子(摄像头)”来得给力,但吹成像只是双摄界一股“清流”,而绝大多数拥有双摄像头手机乃至多摄像头手机,则更多地喜欢在玩法上做文章,毕竟更多的摄像头可以做出许多单摄像头做不到的事。

成像和玩法,哪个更重要?

我认为,两个都重要。这不是在“和稀泥”,因为前者解决的是“按下快门,随手拍出好照片”的问题,照片越漂亮,回忆也更美好;而后者解决的是我们未来该如何使用手机的问题,在将来手机将承载我们更多的任务。

既然“进步”和“革命”同样重要,所以大多数“双摄”手机,都是先从摄像头的“老本行”——拍照的玩法上开始演进。

“胶水”双摄:“模块化”手机变种

所谓“胶水”双摄,就是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。

这种组合方法虽然会让拍照时另一颗摄像头“打酱油”,但得益于独立成像,主摄像头(或两颗摄像头)都可以搭载光学防抖功能,带来暗光下出片率和成像质量的提升。

这其中的代表作分别有LG G5的广角镜头、iPhone 7 Plus的长焦镜头。

  • “胶水”广角摄像头:LG G5

 

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。

这样你再也不用担心老同学聚会时人太多取景框放不下;也不用担心眼前的风景无法被全部收录。

LG G5标准摄像头(左)对比广角摄像头(右)

当然,超大广角并非没有代价,在画面边缘会出现被摄物体“变形”的情况,类似鱼眼相机。

  • “胶水”长焦摄像头:iPhone 7 Plus

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。

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。

上面两款“胶水”双摄,在实现方式上借鉴了手机“模块化”的概念,只不过将两颗摄像头都做在了手机上,将模块化的“更换”摄像头变成了“切换”。

还有一种双摄,它要比上面两种出现得更早,那就是以HTC One M8为代表的景深双摄。

景深双摄:一分天注定,九分靠算法

在专业摄影中,有时摄影师为了突出拍摄主体,常常会使用一颗大光圈的摄像头,这样拍出来的照片会让主体非常的清晰,而背景物体则会呈现明显的焦外虚化效果。业内人称“刀锐奶化”,即“焦内如刀割般锐利,焦外如奶油般化开”。

而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(平均值为6.5cm),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。

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。然后通过手机的“大脑”——处理器的后期运算,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)。

值得一提的是,景深摄像头不一定只能用来记录景深信息,任何可以用来成像的摄像头都可以当作景深摄像头,例如iPhone 7 Plus的主摄像头,华为P9的黑白摄像头。

而像HTC One M8那样之所以采用一颗较低像素的摄像头,多数是受限于当时处理器的运算能力,为了缓解处理器压力、缩短后期处理时间不得已而为之。

而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。

3D双摄:开启裸眼3D时代的大门

你可知最早的双摄像头手机是哪一款吗?

就是下面这款HTC在2011年推出的HTC G17(EVO 3D)。

回想早年HTC在手机圈的风生水起,虽然机海战术充满了争议,但也确实涌现出一系列独具匠心的产品。其中EVO 3D是全世界首款支持录制裸眼3D视频的手机,它搭载了两颗平行500万像素摄像头,最大能够支持720P的3D视频录制。

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。

虽然HTC EVO 3D折戟沉沙,但手机对于3D的手机的探索并未止步于此。2014年,亚马逊推出了一款3D透视功能的手机——Fire Phone。

Fire Phone在硬件构造上最特别的,莫过于机身正面拥有5颗摄像头:除了一颗210万像素的标准前置摄像头以外,位于四角的4颗红外摄像头专门用于捕捉使用者的面部位置,可以实现界面的3D显示,而且定位精度要好于当时的重力传感器。

然而Fire Phone看似厉害,但无奈该机出于亚马逊之手,Prime服务仅限美国使用,而美国手机必备的Google系应用却无法安装。本就应用稀缺的Fire OS基于安卓,却不能完全兼容所有的安卓程序,应用上的限制,注定了这款炫酷的3D手机最终沦为一个噱头的结局。

不过Fire Phone也用身体力行告诉我们,如今手机摄像头越来越多,但并不代表每个摄像头都要用来拍照,摄像头的本质只是手机上的众多传感器之一。

事实上,除了Fire Phone,越来越多“不务正业”的摄像头被加入到手机被我们所采用。

AR手机:联想的白日梦

说到多摄像头的应用场景,莫过于在与目前大热的AR(增强现实)领域结合。
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。

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。

你可以在Phab 2 Pro手机上进行AR游戏。

还可以直接借助手机上的AR系统测量现实中物体的长度。

当然,你甚至还可以用它来买买买:今年“双十一”,京东在其总部演示“AR购物”功能时,使用的就是Phab 2 Pro这款手机,不仅可以模拟商品在现实中的样子,还可以陈列出物品的购买信息,协助下单。

在未来,谷歌还希望这相机书应用于室内导航和机器人,甚至与自家VR(虚拟现实)平台“Daydream”结合,把熟悉的现实环境带进虚拟现实世界里。

虹膜识别:当摄像头遇上安全验证

虽然如今以指纹作为手机的生物识别方案已经相当普及,但是冬天到了,你走在路上,冒着凛冽的寒风,这时候有个人给你发了条微信,你不得不摘下手套解锁手机,那一瞬寒风刺骨的感觉你知道有多讨厌吗?

这时,我掏出手中的三星Note7,使用最新的虹膜解锁,当时羡煞周围所有人。

上面这段本可以拍成今冬三星Galaxy Note7的广告,然后大肆宣传一下新搭载的虹膜识别技术,然而貌似在准备道具时,三星Note7不慎爆炸,于是抱憾彻底退出了历史舞台。

作为有幸体验过三星Note7的人,私以为虹膜识别这项技术非常值得称赞,尤其在这个寒冷的冬天。虽然使用说明中提到识别时不建议佩戴眼镜或隐形眼镜,但在实际测试中,佩戴无色透明眼镜或隐形眼镜依然可以做到“秒解锁”,可见三星在识别成果率介绍中还是蛮保守的。

虹膜:是眼睛外部调节瞳孔大小、控制进入眼睛光线数量的肌肉,是基于褪黑素的数量形成的眼睛的有色部分

在这之前,vivo X5 Pro也使用了虹膜识别技术,但效果就要差很多。这两者差在哪里呢?

三星虹膜识别的采样系统,是由一颗(对红外光敏感的)虹膜摄像头和一颗红外LED灯组成。

在进行取样时,红外LED灯亮起,虹膜摄像头开始扫描虹膜上的特征点,然后通过加密算法这些特征点的向量信息绘制为“虹膜码”,最后使用虹膜码进行匹配认证。

相比vivo X5 Pro的普通前置摄像头,三星Note7的虹膜扫描摄像头在拍照上虽然不占优,但配合红外LED灯和本身传感器对红外线高光感的特性,将识别率与速度达到了前所未有的高度。

相信这套高度可用的虹膜识别方案并不会和三星Note7一起埋葬,而且注定会成为S8上演“王者归来”时的杀手锏。

整体来说,表面上看,是如今手机摄像头变多了,背后是各家厂商对于多摄像头的应用方案的探索与尝试。

由于近年来智能手机遭遇创新瓶颈,手机产品愈发同质化,厂商们,尤其是高端手机厂商在努力寻求差异化,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,注定还会搭载数量更多、功能更加分化的传感器。

从初级的“胶水”双摄,到彩色黑白双摄,再到景深与运动捕捉摄像头在VR/AR领域中的应用,再到三星特种摄像头进行生物识别。虽然这里面有成功也有失败,但探索的脚步从未停止,也许某天某个突破就能彻底改变我们使用手机的方式。

就像在乔布斯之前,没有人会想到手机会变成今天这个样子。

本文系作者 互联网头条哥 授权钛媒体发表,并经钛媒体编辑,转载请注明出处、作者和本文链接
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