漲姿勢：都是“雙攝” 發展至今有何不同？ [複製鏈接]

蘇乞兒

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電梯直達

樓主

發表於 2016-12-2 14:07:14 |只看該作者 |倒序瀏覽

近年來，由於智能手機產業遭遇創新瓶頸，手機產品愈發同質化，手機廠商尤其是高端手機廠商都在努力尋求差異化，研發新的獨占功能保持產品的競爭力以及附加值，而手機產品差異化中最“簡單”的一項就是“人機交互系統”差異化了（畢竟不同廠商產品本身在人機交互界面中就存在一定的差異化，因此在這方面尋求差異化相對更加迅速便捷）。
而在尋求人機交互的突破過程中，影像傳感器（攝像頭）的應用是不可繞過的一環。隨著手機所承擔的事物越來越多，註定會搭載數量眾多、功能細化的傳感器。表面上看是如今手機攝像頭變多了，但是其背後實際上是各家廠商對於多攝像頭的應用方案的探索與嘗試。
今天小編就為大家盤點一下智能手機發展至今，所使用的那些“雙”攝像頭技術。
裸眼3D：雙攝像頭初次面世
不知道大家是否知道，全球首款搭載雙攝像頭的手機是哪款麼？就是HTC於2011年推出的HTC G17（EVO 3D）這款裸眼3D手機。

遙想當年的HTC，在手機圈混得那叫一個風生水起（“雪姨”也不用通過賣大樓的方式填補HTC的虧損），雖然當年的機海戰術在業內頗受爭議，但是不得不說當年HTC的產品線中的確出現了一系列獨具特色的產品。其中EVO 3D就是全球首款支持錄制裸眼3D視頻的手機產品，其搭載的兩顆平行式500萬像素攝像頭，最高可以支持錄制分辨率為720P的3D視頻。
從原理上看，EVO 3D所支持的裸眼3D錄像功能，隻是通過兩顆平行攝像頭模擬左右眼分別記錄影像信息，並在後期分割成等距離的垂直線條，然後利用插排的方式將左右影像交錯地融合在一起。在播放時，借助透光狹縫與不透光遮障垂直相間的光柵條紋等處理的屏幕（與3DS掌機原理相同），使人們雙眼所看到的影像產生差異而有立體的感覺。
令人遺憾的是，當時這項技術由於長時間觀看會讓一些“立體視覺”較差的人產生眩暈感，一度被人們認為缺乏實用性，並沒有被推廣開來。
同像素平行雙攝像頭：雙攝像頭方案正統繼承者之一
如果將現有的手機雙攝像頭方案按照傳承來劃分的話，那麼同像素平行雙攝像頭方案無疑是最正統的繼承者之一（另一正統繼承者方案將會在下文出現）。同像素平行雙攝像頭采用了平行設計，兩個攝像頭硬件規格一模一樣，共同合作發揮作用。這種雙攝像頭可以共同參與成像，並且拍照時進光量與感光面積是單鏡頭的2倍，之前發佈的華為榮耀6Plus就采用這樣一個設計方案。

其配備的兩顆後置800萬鏡頭，成像分辨率可以達到1300萬像素，有效像素尺寸提升到1.98um，成像質量可以與多數家用數碼相機媲美。千萬不要認為將相同的兩個鏡頭拼到一起就可以發揮出應有的作用，實際上其背後也要有強大的技術支持，不僅要開創獨特的算法保證兩個攝像頭的對焦和深度信息問題，還要解決雙攝像頭的擺放問題。
對於專業的攝影師，他們很清楚拍照都有固定的取景范圍必須保證兩個攝像頭的取景視野不會重疊，而且當前的手機技術，並不能將兩枚攝像頭做到像人眼一樣真正平行，所以目前僅能將兩枚攝像頭取景交錯角縮小到θ=0.1，再通過算法讓合成的照片不至於出現疊影。
金無足赤人無完人，這種雙攝像頭的擺放問題就導致了這類雙攝像頭的缺陷，如果在日常使用中出現意外導致兩個攝像頭的擺放位置出現位移，那麼內置的算法就難以再對攝入的照片進行優化，因此搭載這類雙攝像頭的手機一般都需要強硬的外殼支撐，避免雙攝像頭位置發生錯位。
彩色黑白雙攝：大小不夠，兩顆來湊
彩色黑白雙攝方案的出現，和相機一直以來“底大一級壓死人”的傳統有關（CMOS在不考慮其他因素的情況下，面積越大成像效果越好）。彩色黑白雙攝這項方案，解決的就是由於CMOS面積受限而導致成像素質降低的問題，原理很簡單，就是在彩色CMOS（主攝像頭）的基礎之上，增加了一塊黑白CMOS（副攝像頭）。由於原理相對簡單，因此也受到眾多手機廠商的青睞，360 Q5系列、奇酷手機、華為P9等產品均使用了該方案。

彩色黑白雙攝在拍攝圖像時，兩顆CMOS會同時成像，其中彩色CMOS負責顏色信息（事實上是全部拍照信息），黑白CMOS隻負責記錄拍攝物體的灰度信息（當然也不能記錄顏色信息），最後通過後期處理，將兩張圖片合成為一張。
至於為何要使用一顆黑白CMOS？這點與CMOS成像原理密不可分。我們通常所用的手機CMOS在成像時，每個像素點都是“色盲”：它們隻能感應光的強度，無法捕獲顏色信息。因此為了獲得一張有顏色的照片，廠商在每個像素點上方都覆蓋了一層彩色濾光片，光線被濾光片過濾一部分後將會在感光元件上產生與該顏色光照強度相對應的電流，再經過“反拜耳運算”將像素點的顏色計算出來，從而構成圖像。但是由於CMOS元件本身就是一個通電的元件，其內部電流會幹擾感光元件上感應到的電流，這也就是為何我們會在弱光照片中看到偽色噪點。

那麼那些相機是如何通過優化減少偽色噪點的呢？
Plan A：優化電路結構，降低噪聲
Plan B：增大感光元件靈敏度
Plan C：增大單位像素面積
Plan D：增大光圈，提高進光量
而彩色黑白雙攝方案采用的，則是Plan E：去掉濾光片，減少光強損失。
無論質量多麼上乘的濾光片，隻要過濾掉某些顏色的光線，光線強度就必然會有一定程度的衰減。而沒有濾光片的黑白CMOS則不會有這部分衰減，在硬件層面上要比同像素尺寸的彩色CMOS串擾更小，畫面純凈度更好。不過由於沒有濾光片隻能記錄畫面的灰度，想要拍攝出一張彩色照片，還需要另外一顆彩色攝像頭記錄顏色信息進行後期合成。
雖然說CMOS參數中感光面積的權重非常大，但事實上，雖然兩顆CMOS帶來了兩倍的感光面積，但其同時也帶來了雙倍的像素數量和雙倍的噪音，其並不能解決單位像素面積小的問題，僅僅是通過黑白CMOS減少了一點光線強度的衰減。從硬件層面考慮，該方案充其量隻能算是小尺寸CMOS的補救，加上雙攝沒有完善的量產光學防抖解決方案，在提升畫質方面並沒有真正的大底大像素單攝像頭有效。
膠水雙攝：最不像雙攝的雙攝
首先要聲明一點，這裡的膠水並不是指用膠水將兩個攝像頭粘在一起，而是指手機雖然擁有兩顆攝像頭，但在拍照時隻有其中一顆攝像頭負責成像，僅僅在使用某些特殊功能時，兩顆攝像頭才會一起工作。這一派別實際上還可以再分為“膠水廣角”和“膠水長焦”兩個方案，前者我們在LG G5上曾經見到過，後者則是出現在了最新一代的iPhone 7 Plus上。
LG G5 除了擁有一顆1600萬像素（IMX 234）的標準鏡頭，還搭載了一顆800萬像素的廣角攝像頭，最大廣角端可達135度，能拍攝出相當於10mm~12mm左右的35mm等效焦距（短焦）的照片。更大的廣角端讓取景器中可以收錄更多內容，畫面元素會更加豐富。

不過使用超大廣角也不是沒有代價的，在畫面邊緣會出現物體變形的現象，有些類似魚眼相機。
如果說LG G5 的廣角攝像頭讓照片拍得更多，iPhone 7 Plus則是反其道而行之，在標準攝像頭（等效焦距28nm）之外增加了一顆56mm等效長焦鏡頭，讓照片可以拍得更遠。借由兩顆攝像頭間的切換，56mm長焦攝像頭拍出來的照片相當於28mm攝像頭2倍光學變焦後的效果，而光學變焦的優勢在於對於畫質的無損。

不過由於手機的光學構造，決定了它不可能像真正的鏡頭一樣可以通過移動鏡片調整焦距，實現全焦段的無損光學變焦。而蘋果僅在1x和2x這兩個焦段是無損的，而其它放大倍數都屬於數碼變焦，隻是蘋果通過旋鈕讓兩顆攝像頭切換過渡得極其自然。
景深雙攝：硬件不夠，算法來湊
在手機的攝像頭設計中，由於光圈是固定的，在硬件層面上並不能實現單反中大光圈“焦外虛化”的效果。但是硬件不夠，軟件來湊，手機運算性能如此強大，為何不能後期處理出“焦外虛化”的照片呢？因為單攝像頭不能記錄物體的景深。
就像人類有兩隻眼睛，兩隻眼睛存在間距，對於同一景物，左右眼的相對位置是不同的，這就產生了雙目視差，即左右眼看到的是有差異的圖像。兩張具有視差的圖像轉入大腦視中樞，合成一個物體完整的像。因為雙眼視差的存在，你才能看清這一點與周圍物體間的距離、深度、凸凹等等都能辨別出來，這樣形成的像就是立體的像，這種視覺就是立體視覺。所以，想要記錄拍攝時的景深信息，我們還需要另外一顆攝像頭，例如HTC One M8的景深攝像頭。

景深攝像頭的原理並不復雜：在拍攝時，主攝像頭負責當前被攝物體的取景，而景深攝像頭則負責在拍攝的瞬間記錄多張焦點由近至遠的不同照片。然後通過手機SOC的後期運算，可以判斷場景中其他物體距離拍攝物體的遠近，從而進行不同程度的後期虛化（距離被攝物體焦平面越遠的物體虛化越明顯）。
景深照片成像的好壞，取決於各家的算法能否清晰地分辨被攝物體的邊緣。有些廠商憑借成熟的算法，甚至可以實現先拍照後對焦。
X攝傳感器：另類正統雙攝方案
這一部分解決方案，脫胎於最早的雙攝解決方案：3D雙攝方案。這一系列解決方案是將攝像頭的本質功能發揮到了極致（從本質上說，攝像頭其實就是一種傳感器），借由搭載不同的特殊用處攝像頭，廠商們實現了多種不同功能，例如通過攝像頭捕捉用戶面部位置，在手機屏幕上顯示實時3D界面（亞馬遜的Fire Phone），或者是通過前置的紅外攝像頭進行虹膜解鎖（有史以來安卓陣營最短命的機皇：三星Note7就搭載了該項技術，並且實際使用體驗相當成熟）。

AR雙攝：最科幻的雙攝像頭方案
今年6月，聯想正式在TechWorld2016大會上正式推出了全球首款消費級AR智能手機——聯想Phab 2 Pro。由於多種原因，這款手機一直推遲到11月才開始上市。

作為世界首款谷歌Project Tango手機，Phab 2 Pro機身背部除了一顆標準的1600萬像素攝像頭，還有兩個額外的攝像頭，一個用來感知景深，一個進行運動追蹤。得益於兩顆額外的攝像頭，Phab 2 Pro可以實時為用戶周圍的環境進行3D建模，並在手機屏幕上呈現出增強現實的效果。
總結
從最早的3D雙攝，初級的“膠水”雙攝，小升級的彩色黑白雙攝，全靠算法的景深雙攝，到三星特種攝像頭進行生物識別，再到運動捕捉攝像頭在VR/AR領域中的應用，手機雙攝方案的應用面越來越寬，使用方式也越來越多樣化。雖然這裡面有成功也有失敗，但探索的腳步從未停止，也許在不久的將來，手機雙攝就將徹底改變我們使用手機的方式。