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        以華為P9為契機淺談雙攝像頭技術(shù)的偶然與必然

        2016-05-31 12:07:17
        電腦愛好者 2016年10期
        關(guān)鍵詞:變焦對焦攝像頭

        如今智能手機已經(jīng)取代了傳統(tǒng)卡片相機,成為我們記錄日常生活點滴記憶的絕配。在經(jīng)歷像素跨越式的發(fā)展歷程之后,雙攝像頭技術(shù)又開始嶄露頭角。那么,雙攝像頭能為手機的拍照體驗帶來怎樣的改善?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

        不支持光學(xué)變焦一直是智能手機區(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。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(圖2),并將產(chǎn)品厚度控制到了相對纖薄的標準上。對手機光學(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

        如何改善手機拍照效果?提升攝像頭的有效像素?zé)o疑是最簡單有效的手段。于是,從10萬像素開始,手機的鏡頭逐步經(jīng)歷了30萬→130萬→320萬→500萬→800萬→1300萬→1600萬→2070萬像素的蛻變。如果以像素稱王,那來自諾基亞的808 PureView和Lumia 1020無疑是“王中王”(圖1),這兩款手機都配備了破天荒的4100萬像素攝像頭。

        然而,事實卻證明諾基亞“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,在自動拍攝模式下Lumia 1020的拍照效果并不見得比同期的iPhone好多少。最終,業(yè)內(nèi)逐漸形成了一個共識:更快的對焦速度、更好的降噪效果、更真實的色彩還原才是王道。于是,在接下來的一段時間里,手機廠商紛紛以攝像頭的傳感器型號(比如IMX278優(yōu)于IMX214)、光圈大?。ㄈ鏔1.8大于F2.2)、是否支持激光/相位對焦技術(shù)為主打賣點,而像素值則停留在了1200萬~2070萬的區(qū)間中。

        為什么2070萬像素是一道坎?原因很簡單,在智能手機普遍以“性感為美”的大環(huán)境下,手機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都通過兩顆500萬像素攝像頭(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)了一道視覺盛宴。聽起來不錯,可惜這兩款產(chǎn)品的銷量并不理想,而3D攝像頭的概念也隨之淡出市場。

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

        繼3D攝像頭之后,雙攝像頭又進入了“一大一小”的時代。這個時期最具代表性的手機就是HTC M8(圖4),一顆400萬像素的UltraPixel主攝像頭(大)和一個輔助的景深攝像頭(?。┚褪恰耙淮笠恍 彪p攝像頭模塊的典型“裝備”(圖5)。其中,主攝像頭負責(zé)拍照取景,而輔攝像頭則主要用于測算景深范圍,從而獲得類似先拍照后對焦、背景虛化等類似光場相機的效果。

        事實證明,“一大一小”的雙攝像頭只是在景深方面有所建樹,并不能顯著提升畫質(zhì)。因此,這種雙攝像頭在未來可能只會屬于相對小眾的技術(shù),跟隨者代表有HTC的M9+(2000萬像素+400萬像素)和中興Axon天機(1300萬像素+200萬像素)等(圖6)。對絕大多數(shù)手機用戶而言,背景虛化等景深特效雖然好玩,但我們需要的是更為實際的成像質(zhì)量的提升。于是,“成雙成對”的雙攝像頭方案便出爐了。

        2014年底,華為推出了榮耀6 Plus,這款手機的最大特色就是配備了兩顆一模一樣的800萬像素攝像頭,并組成了所謂的“仿生平行雙鏡頭”。這種“成雙成對”雙攝像頭技術(shù)的拍照原理是,兩顆攝像頭通過三角測距原理能記錄70mm到無窮遠的全景深信息,使得手機也能拍出單反級的背景虛化照片,縮短對焦速度,讓進光量和感光面積×2,提高逆光等高反差環(huán)境的成像效果。

        可惜,“成雙成對”雙攝像頭屬于“三高”技術(shù):成本高,采購兩顆高品質(zhì)的主攝像頭并不便宜;設(shè)計難度高,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)化實力,否則很難發(fā)揮出雙攝像頭的優(yōu)勢,反而成為拖累最終畫質(zhì)的瓶頸。

        因此,繼榮耀6 Plus之后,至今也沒有第二款采用“成雙成對”雙攝像頭技術(shù)的手機出現(xiàn)。而華為最新的P9,也舍棄了榮耀6 Plus的“原創(chuàng)設(shè)計”,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領(lǐng)域的型號為奇酷360旗艦版,該產(chǎn)品配備了一顆1300萬像素的IMX278彩色傳感器和一顆定制版的IMX MONO黑白傳感器(IMX214,同樣是1300萬像素)(圖8)。在我們拍照的一瞬間,兩顆攝像頭便開展了一場攜手之旅。

        我們都知道,智能手機所配備的CMOS彩色傳感器原本只能感應(yīng)光線的強度,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”就是會擋住2/3的光線,實際照射到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,因此可以有效提高像素細節(jié)。

        當(dāng)手機拍攝照片時,CMOS彩色傳感器和IMX MONO黑白傳感器會同時記錄鏡頭前的景物。其中,彩色傳感器負責(zé)強化色彩還原,黑白傳感器則負責(zé)強化畫面細節(jié)捕捉。然后,圖像處理器(ISP)和軟件算法會對兩張彩色和黑白照片進行合成(圖10),最終獲得一張擁有極高清晰度、細節(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1200萬像素的IMX286彩色傳感器和索尼定制的1200萬像素IMX MONO黑白傳感器,并選用了符合徠卡認證標準的鏡頭(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,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在整個市場中還處于“少數(shù)派”,但這一趨勢卻已成必然。有消息稱,蘋果新一代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”類型,即讓兩顆攝像頭以不同的焦段同時拍攝一幅遠景和一幅近景,從而獲得類似光學(xué)變焦的無損放大效果。總之,在未來的一段時間內(nèi),“一黑一彩”將成為雙攝像頭技術(shù)中的主流,但手機到底能發(fā)揮出雙攝像頭的幾成功力,還得落實到手機廠商在相機APP成像算法優(yōu)化的“軟實力”上。

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