以華為P9為契機(jī)淺談雙攝像頭技術(shù)的偶然與必然

如今智能手機(jī)已經(jīng)取代了傳統(tǒng)卡片相機(jī)，成為我們記錄日常生活點(diǎn)滴記憶的絕配。在經(jīng)歷像素跨越式的發(fā)展歷程之后，雙攝像頭技術(shù)又開(kāi)始嶄露頭角。那么，雙攝像頭能為手機(jī)的拍照體驗(yàn)帶來(lái)怎樣的改善？它究竟是歷史的偶然還是必然呢？

光學(xué)變焦也能改善拍照體驗(yàn)

不支持光學(xué)變焦一直是智能手機(jī)區(qū)別于傳統(tǒng)DC的最大缺憾所在。還好，隨著科技的發(fā)展，光學(xué)變焦已經(jīng)不再局限于會(huì)明顯增加攝像頭模塊厚度的“伸縮式”鏡頭，全新的“潛望式”鏡頭逐漸走向前臺(tái)。華碩Zenfone Zoom就是首款支持“潛望式”光學(xué)變焦技術(shù)的智能手機(jī)（圖2），并將產(chǎn)品厚度控制到了相對(duì)纖薄的標(biāo)準(zhǔn)上。對(duì)手機(jī)光學(xué)變焦技術(shù)感興趣的讀者可參考本刊2016年第4期《光學(xué)變焦 手機(jī)狙擊DC的終極必殺技》這篇文章，或登錄http：//dwz.cn/39eGeg查看。

攝像頭像素發(fā)展遇瓶頸

如何改善手機(jī)拍照效果？提升攝像頭的有效像素?zé)o疑是最簡(jiǎn)單有效的手段。于是，從10萬(wàn)像素開(kāi)始，手機(jī)的鏡頭逐步經(jīng)歷了30萬(wàn)→130萬(wàn)→320萬(wàn)→500萬(wàn)→800萬(wàn)→1300萬(wàn)→1600萬(wàn)→2070萬(wàn)像素的蛻變。如果以像素稱王，那來(lái)自諾基亞的808 PureView和Lumia 1020無(wú)疑是“王中王”（圖1），這兩款手機(jī)都配備了破天荒的4100萬(wàn)像素?cái)z像頭。

然而，事實(shí)卻證明諾基亞“跑偏了”，一方面是普通用戶根本用不上這么高的像素；另一方面是，在自動(dòng)拍攝模式下Lumia 1020的拍照效果并不見(jiàn)得比同期的iPhone好多少。最終，業(yè)內(nèi)逐漸形成了一個(gè)共識(shí)：更快的對(duì)焦速度、更好的降噪效果、更真實(shí)的色彩還原才是王道。于是，在接下來(lái)的一段時(shí)間里，手機(jī)廠商紛紛以攝像頭的傳感器型號(hào)（比如IMX278優(yōu)于IMX214）、光圈大?。ㄈ鏔1.8大于F2.2）、是否支持激光/相位對(duì)焦技術(shù)為主打賣(mài)點(diǎn)，而像素值則停留在了1200萬(wàn)～2070萬(wàn)的區(qū)間中。

為什么2070萬(wàn)像素是一道坎？原因很簡(jiǎn)單，在智能手機(jī)普遍以“性感為美”的大環(huán)境下，手機(jī)的整體厚度決定了攝像頭模組的厚度?；仡櫼幌轮Z基亞808 PureView和Lumia 1020，它們的身材更適合生活在“大唐”年間（以肥/厚為美）。因此，想在攝像頭模組厚度一定的情況下提升拍照效果，雙攝像頭技術(shù)就成為了歷史的必然。

雙攝像頭在磨礪中前行

雙攝像頭的發(fā)展并非一帆風(fēng)順，它的歷史最早可以追溯到2011年。這一年，HTC G17和LG Optimus 3D都通過(guò)兩顆500萬(wàn)像素?cái)z像頭（又稱3D攝像頭）獲得了直接拍攝3D照片和視頻的能力（圖3），再結(jié)合支持裸眼3D顯示的屏幕，為當(dāng)年的用戶呈現(xiàn)了一道視覺(jué)盛宴。聽(tīng)起來(lái)不錯(cuò)，可惜這兩款產(chǎn)品的銷(xiāo)量并不理想，而3D攝像頭的概念也隨之淡出市場(chǎng)。

究其原因，是因?yàn)?D拍照沒(méi)有什么實(shí)際意義，而系統(tǒng)和APP領(lǐng)域也缺乏對(duì)3D顯示的支持。再加上隨后興起的AR和VR技術(shù)，回頭再來(lái)看裸眼3D什么的簡(jiǎn)直是“弱爆了”。

繼3D攝像頭之后，雙攝像頭又進(jìn)入了“一大一小”的時(shí)代。這個(gè)時(shí)期最具代表性的手機(jī)就是HTC M8（圖4），一顆400萬(wàn)像素的UltraPixel主攝像頭（大）和一個(gè)輔助的景深攝像頭（?。┚褪恰耙淮笠恍　彪p攝像頭模塊的典型“裝備”（圖5）。其中，主攝像頭負(fù)責(zé)拍照取景，而輔攝像頭則主要用于測(cè)算景深范圍，從而獲得類(lèi)似先拍照后對(duì)焦、背景虛化等類(lèi)似光場(chǎng)相機(jī)的效果。

事實(shí)證明，“一大一小”的雙攝像頭只是在景深方面有所建樹(shù)，并不能顯著提升畫(huà)質(zhì)。因此，這種雙攝像頭在未來(lái)可能只會(huì)屬于相對(duì)小眾的技術(shù)，跟隨者代表有HTC的M9+（2000萬(wàn)像素+400萬(wàn)像素）和中興Axon天機(jī)（1300萬(wàn)像素+200萬(wàn)像素）等（圖6）。對(duì)絕大多數(shù)手機(jī)用戶而言，背景虛化等景深特效雖然好玩，但我們需要的是更為實(shí)際的成像質(zhì)量的提升。于是，“成雙成對(duì)”的雙攝像頭方案便出爐了。

2014年底，華為推出了榮耀6 Plus，這款手機(jī)的最大特色就是配備了兩顆一模一樣的800萬(wàn)像素?cái)z像頭，并組成了所謂的“仿生平行雙鏡頭”。這種“成雙成對(duì)”雙攝像頭技術(shù)的拍照原理是，兩顆攝像頭通過(guò)三角測(cè)距原理能記錄70mm到無(wú)窮遠(yuǎn)的全景深信息，使得手機(jī)也能拍出單反級(jí)的背景虛化照片，縮短對(duì)焦速度，讓進(jìn)光量和感光面積×2，提高逆光等高反差環(huán)境的成像效果。

可惜，“成雙成對(duì)”雙攝像頭屬于“三高”技術(shù)：成本高，采購(gòu)兩顆高品質(zhì)的主攝像頭并不便宜；設(shè)計(jì)難度高，為了確保影像捕捉的同步，兩顆攝像頭必須100%處于同一平面，需要使用相對(duì)位置和角度毫厘不差的鏡頭框架（圖7），生產(chǎn)工藝很難；軟件算法優(yōu)化難度高，想讓雙鏡頭能夠完美并用需要極高的軟件算法優(yōu)化實(shí)力，否則很難發(fā)揮出雙攝像頭的優(yōu)勢(shì)，反而成為拖累最終畫(huà)質(zhì)的瓶頸。

因此，繼榮耀6 Plus之后，至今也沒(méi)有第二款采用“成雙成對(duì)”雙攝像頭技術(shù)的手機(jī)出現(xiàn)。而華為最新的P9，也舍棄了榮耀6 Plus的“原創(chuàng)設(shè)計(jì)”，改用了另一種比較成熟的雙攝像頭技術(shù)：一黑（白）一彩（色）。

一黑一彩雙攝像頭技術(shù)解析

最早將一黑一彩概念引入手機(jī)領(lǐng)域的型號(hào)為奇酷360旗艦版，該產(chǎn)品配備了一顆1300萬(wàn)像素的IMX278彩色傳感器和一顆定制版的IMX MONO黑白傳感器（IMX214，同樣是1300萬(wàn)像素）（圖8）。在我們拍照的一瞬間，兩顆攝像頭便開(kāi)展了一場(chǎng)攜手之旅。

我們都知道，智能手機(jī)所配備的CMOS彩色傳感器原本只能感應(yīng)光線的強(qiáng)度，只能記錄黑白灰而不能記錄光線的顏色。為了拍出彩色的照片，每一顆CMOS彩色傳感器都需要加上一層“拜耳濾鏡”才能獲得記錄色彩的能力。但是，使用拜耳濾鏡的“后遺癥”就是會(huì)擋住2/3的光線，實(shí)際照射到CMOS上的光線只剩下原先的1/3（圖9），這就導(dǎo)致在光線不好的環(huán)境下噪點(diǎn)增加或極易拍虛。

而IMX MONO黑白傳感器，它的本質(zhì)就是拿掉了“拜耳濾鏡”的彩色傳感器，雖然它變成了徹頭徹尾的“色盲”（只能記錄黑白灰），但卻獲得了3倍的進(jìn)光量，所有光線都直接傳到傳感器并被捕捉，將拜爾濾鏡損失的那些東西重新找了回來(lái)，因此可以有效提高像素細(xì)節(jié)。

當(dāng)手機(jī)拍攝照片時(shí)，CMOS彩色傳感器和IMX MONO黑白傳感器會(huì)同時(shí)記錄鏡頭前的景物。其中，彩色傳感器負(fù)責(zé)強(qiáng)化色彩還原，黑白傳感器則負(fù)責(zé)強(qiáng)化畫(huà)面細(xì)節(jié)捕捉。然后，圖像處理器（ISP）和軟件算法會(huì)對(duì)兩張彩色和黑白照片進(jìn)行合成（圖10），最終獲得一張擁有極高清晰度、細(xì)節(jié)和逼真色彩還原的照片，在暗光和逆光的環(huán)境下效果更為出眾。

華為P9和奇酷360旗艦版的雙攝像頭技術(shù)原理相同，只是改用了1200萬(wàn)像素的IMX286彩色傳感器和索尼定制的1200萬(wàn)像素IMX MONO黑白傳感器，并選用了符合徠卡認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的鏡頭（圖11），而徠卡也參與到了影響成像質(zhì)量的軟件調(diào)校中來(lái)，讓最終的成像效果有了濃烈的“德味”風(fēng)格。

小 結(jié)

雖然配備雙攝像頭的手機(jī)在整個(gè)市場(chǎng)中還處于“少數(shù)派”，但這一趨勢(shì)卻已成必然。有消息稱，蘋(píng)果新一代iPhone 7也有望引入雙攝像頭技術(shù)，并極有可能新興的“一廣一窄”類(lèi)型，即讓兩顆攝像頭以不同的焦段同時(shí)拍攝一幅遠(yuǎn)景和一幅近景，從而獲得類(lèi)似光學(xué)變焦的無(wú)損放大效果?？傊?，在未來(lái)的一段時(shí)間內(nèi)，“一黑一彩”將成為雙攝像頭技術(shù)中的主流，但手機(jī)到底能發(fā)揮出雙攝像頭的幾成功力，還得落實(shí)到手機(jī)廠商在相機(jī)APP成像算法優(yōu)化的“軟實(shí)力”上。