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[好奇惊异] 双摄像头到底有何魔力?两个真比一个好?

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发表于 2016-9-12 02:03 | 显示全部楼层 |阅读模式

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  导语:最近一段时间,越来越多的手机使用了双摄像头,中兴、奇酷、华为、HTC都发布了双摄像头的产品。其中诸如华为P9、荣耀8等产品的拍照效果非常不错。取得了权威网站Gsmarena和Dxomark的肯定,这类产品的画质,特别是弱光下的表现令人印象深刻。
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  其实,智能手机用双摄像头并不是首次,早在2011年,HTC和LG就有过双摄像头的尝试,但是并不成功。为何当年LG的双摄像头失败了,而如今双摄像头就能成功呢?我们来看一下双摄像头的发展史。
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  双摄像头相机的黑历史
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3 J/ X: R2 p0 S0 C5 n& R" [  在解读iPhone 7 Plus的摄像头之前,我们先讲讲双摄像头的缘起。起先,双摄像头的出现是为了追赶当年《阿凡达》带来的3D大潮,2011年的HTC Evo 3D也着实火爆了一段时间。不过由于噱头的成分太大,这款机型成了短命鬼。
& q+ Q# X6 r3 R$ Y; j6 {0 R% p  随后,擅长跟风的LG也推出了搭载3D摄像头的机型,但最终该机也黯然退场,随后,搭载3D相机的机型在市场上绝迹。
1 f; C/ C; Q1 [. x% O  2014 年,不甘心的HTC又带来了M8,该机也搭载了双摄像头,不过它可不是为了拍3D照片,这次HTC主要是为了达到所谓单反相机的浅景深效果(背景虚化)。 随后华为也推出了类似原理的荣耀6 Plus,而今年年初,小米为了赶双摄像头的风潮,也拿出了红米Pro,不过它与现有的主流双摄像头技术已经没有什么交集了。+ W* F) {. r: P) ^. W! z
  此外,除了算法不成熟的原因,此前3D摄像头没能活起来也是受了智能机处理能力所制。
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0 b2 z" D' O3 s: S. V9 K6 }: D7 P# Y5 @  一、3D,双摄像头的产生
- I2 P+ z* Q) e% D* Q  人有两只眼睛,两只眼睛看到的世界是不同的。人脑合成两只眼睛看到的图像,就有了立体感,就能判断出距离的远近,就能看到现实世界。1 e* d; G$ k; U* Z9 B; ]4 n
  而我们日常所看到的照片,视频都是平面的,二维的。这些照片,视频都是单个镜头拍摄出来的。
* {+ v. \; E( Y" l+ e& q4 n: e% M  所以,手机的双摄像头最初是给3D服务的,通过拍摄不同的影像,合成出3D的影像,更好的展现显示世界。
7 a* a" S8 [( v8 A1 M  ]  这个思路的代表产品是LG的P920,两枚500万像素的摄像头可以拍摄出特殊的3D照片和视频。
- E* l* w& q. ^/ d; o  但是这种思路忽略一个重要问题,就是3D照片,视频的观看问题。屏幕是二维的,要看到3D照片,需要特制的裸眼3D屏幕,或者红蓝眼镜,液晶偏振眼镜。LG P920可以用裸眼3D屏幕,但是在社交网络爆发得情况下照片分享出去,别人就没法看到3D效果了。
8 Y6 O, \" @* I) _1 l( \  当时摄像模组价格不菲,成本增加又只能孤芳自赏,这种产品自然很快淘汰。
  M- ^; K/ H2 R( \3 u* ~  二、先拍照后对焦,双摄像头的二次进化
- p# R0 x3 S9 y6 s) S4 a  在3D应用淘汰几年以后,HTC又在M8上尝试了一次双摄像头,这次HTC搞的不是3D,而是先拍照后对焦的可玩性。6 v1 \( O2 X2 p: M# S8 C
  简单说,就是HTC的M8搞了两个不对称的摄像头,一个是正常的摄像头用户拍摄,另外一个只记录景深信息。这样用户拍照之后,可以随意调整画面内的对焦点,达到先拍照后对焦的目的。9 B  N* L3 h5 V6 e8 l; c
  这种创新只是增加了可玩性,因为正常拍照来说,并不差0.x秒的对焦时间,也不需要为了一张照片去做焦点的切换,拍人就是拍人,拍景就是拍景。技术上的不成熟,导致先拍照后对焦后背景虚化效果不真实,加之可玩性不是大众用户的核心需求,于是双摄像头的二次进化又失败了。
/ p: E! u: H" v4 `1 }  三、提升画质,双摄像头的正路
$ a0 R, k* U! V- q  在3D,景深都失败以后,双摄像头找到了一条新路,就是把握人们的核心需求——拍照画质。, B5 C: e3 H" a, R3 u2 U9 a- d
  手机拍照和相机一样,画质主要是镜头,CMOS,IPS与后期算法决定的。而CMOS的品质与大小对画质非常重要。所谓的“底大一级压死人”。但是因为光 学技术所限,CMOS越大,法兰距就越大,相机模组就要厚,手机厚度也就跟着厚。诺基亚808用了手机业内最大的1/1.2寸 CMOS,有最佳的画质,而它的镜头部分厚度超过16mm。
4 N7 I, F7 j! V7 s( Q  G( ?) P  现在主流手机的厚度不超过10mm,在这个尺寸限制下,大多数手机CMOS的大小不超过1/2.3寸。0 f. t9 }" k3 t7 A
  要在手机有限的厚度内提升画质,双摄像头方案又被请了出来。第三代双摄像头是两枚同样的摄像头,这样一次拍照就获得了两倍的进光量,两块CMOS同时感光,然后通过算法融合两张图片,就获得了比单摄像头更好的画质。
4 K; `3 v! |* {& I  由于画质是人们拍照的核心需求,所以这个方案被广泛接受。荣耀6Plus,酷派铂顿都采用了这个方案。0 M& t3 f! o& U7 T% v( Y* a5 W. F1 W
  四、更进一步,双摄像头深度进化$ \% h, M5 P2 p8 X* }, D
  本来双摄像头提升画质已经满足了人们的需求,但是技术无止境。人们发现还可以更好。
  M5 g/ A) h4 t8 U4 f  普通的彩色拍照颜色不是自然采集的,而是通过拜耳摆列的滤色片算出来的。就是说一个CMOS是1300万像素,而实际上四个点构成一个完整的彩色像素信息,这个1300万像素不是真实采集了1300万个彩色的点。而是算出来的1300万。* S( Y$ y) j* ~1 ^9 Q9 o* X
  对于单摄像头来说,滤色片必不可少,否则就不是彩色照片了,而对于双摄像头来说,滤色片只给一个CMOS就够了,另外一个只采集灰度信息,可以获得更多的信息,更丰富的层次。4 a+ G6 m  J. r5 w) O
  一个彩色CMOS,一个黑白CMOS通过算法组合,可以获得比两个彩色CMOS更好的效果。: A3 s; j2 a! \) ?2 I0 R
  例如最新发布的荣耀8,用 1.4微米单位像素面积CMOS,通过双摄像头组合,实际上可以达到1.76微米单位像素CMOS的效果。
5 M1 y1 F6 k, z; \4 Y6 j6 D  而在实测中,双摄像头又可带来更高的进光量,这样低光下双摄像头的噪点优势很明显。这种优势不仅仅是理论上,而是实打实能够看到的。# Z. G- c  _" _7 E0 L% o6 x1 j0 g) \
  而且,双摄像头也可以玩第一代的3D,第二代的景深,同时在背景虚化,快速对焦上也有特有的优势。& i' y4 ]5 G/ Q" v$ l! e+ s
  第四代双摄像头技术,在抓住画质这一核心竞争力的同时,也继承了前几代的可玩性。
9 A; n5 P0 r2 r/ P( }: V  z  w  回顾一下手机双摄像头的历史就会看到。虽然双摄像头的兴起是因为3D这种特殊需求,但是人们真正需要的不是诸如3D,景深这种可玩性,而是实打实的画质需求。5 t. H' O5 |8 W
  荣耀8搭载的这种第四代双摄像头方案首先满足了人们核心的画质需求,然后又提供了诸如3D,景深这种可玩性,还提供了特有的双摄像头快速对焦,更好的虚化效果。
) O' S) ?' Z; f9 Z& z) J' Q; Y  一专多能,兼顾核心需求和特色功能。这便是荣耀8双摄像头方案能够获得消费者认可,并有望在智能手机行业普及的秘密。6 l/ a9 B0 X! l/ A2 t4 o; N
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  双摄像头构造  e+ s, }* ~" [# r2 |
  高端智能手机的亮点越来越少,雷兔兔跑分已经无法表现手机的优势。于是更霸气的双摄像头闪亮登场了。这里说到的双摄像头,并非是像以前的智能手机,前后各一个摄像头,而是一共用两颗后摄像头,模拟人的一双眼睛,来实现更多的拍照功能和更好的拍照效果。
* l* x' _. F% Q, T* r  一般来讲,目前的智能手机的摄像头接口都是MIPI(Mobile Industry Processor Interface)接口。之前手机平台都只有2路MIPI接口,分别给前摄像头和后摄像头。做双摄像头,就要求平台至少支持三路MIPI接口。其实在之前的高端平台上,为了实现更高像素,已经用双路ISP(Image Signal Processing,图像信号处理器)了,比如为了支持16M的摄像头,会用2路8M能力的ISP。这类平台很有可能只有2路MIPI,但这个无法阻止工程师去做前单摄像头+后双摄像头。
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1 x5 A& q- E$ E  双摄像头应用; L6 K: A( [5 V) q+ l! c
  那问题来了,双摄像头到底能做什么?3 s8 i7 v9 E5 i4 `" m$ A
  1、双摄像头可以测距,可做距离相关的应用6 j6 t5 Q) b8 @' T  C( ?1 F: \. U
  人眼很容易对一个物体的距离进行定位,但当人闭上其中一个眼睛后,定位能力就会下降很多。双摄像头就是模拟人眼的应用。简单的说,测距离的话,就是通过算法算出,被拍摄物体与左/右摄像头的角度θ1和θ2,再加上固定的y值(即两个摄像头的中心距),就非常容易算出z值(即物体到Camera的距离)。
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  不过这也很容易推算,若两个摄像头中心距过小的话,可计算的物体距离就会很近。若想算出更远距离,就必须让左右摄像头的距离拉远。
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4 L8 D+ E0 ], n2 \& S) g  如上图,由于双摄像头通过算法,可以判断被摄物体的距离,所以通过此特性,很容易做出一些特效,如:5 ^9 j4 z# S$ V
  A、背景虚化
! x: ?% _0 S& b! {  单反相机最出众的特色之一就是大光圈。由于双摄像头可以测出不同被拍摄物体的距离,对需要进行大光圈的物体对准,其他不同距离的物体虚化,可以轻松实现大光圈的效果。/ m) \: V' U4 N9 \! p5 Z- G

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) g2 q( ~- \/ `; x% f% U/ y0 y5 E2 S  (原图)( V8 r! D! C. S/ t4 M' F6 u; W
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  (以美女为中心对焦,虚化背景和手上的蘑菇)5 z0 G$ s7 d3 Q- v0 P' A3 _+ B
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  (以蘑菇为中心对焦,虚化背景和美女)
/ \' ^8 z8 i; \# x  B、背景替换
) h( c. e5 |: Z* p* V* S& t2 W# C7 r  由于可以测量距离,可以将被拍摄物体里的主体提取出来,更换背景,就可以比PS还简单,进行抠图。
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1 O0 p8 K$ R, D- j  C、背景特效
5 P6 _1 K" w0 a: X, B  由于可以测量距离,分出主题和背景,所以很容易对背景做任何处理,就不在这里过多描述。
# c% E' o3 ^9 f$ h0 U- u  D、测量距离
0 R+ O" d' v$ M0 j' _7 e  这个图就非常明显的标识出不同物体的距离,这个距离信息用不同颜色标识出来。当AP获得了不同物体的距离信息,就可以做到上述的各种功能。! U0 ~% m0 B" K7 G; _8 f6 W

6 \7 I# F1 v- }) }+ h  2、双摄像头可以做光学变焦4 K" H, D1 k' X6 S! B! c0 P
  光学变焦主要是左右摄像头使用不同的FOV(可视角),这样两个摄像头取景不同。当用户需要广角照片,则用视角为85度的左摄像头取景,获得广角效果。当用户需要长焦照片,则用视角为45度的右摄像头取景,获得长焦效果。
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4 X' I6 h6 P5 v* D& b  为了使左右摄像头拍摄的物体重叠度高,光学变焦的双摄像头模组不能像做距离应用的摄像头的模组那样距离过大,而是需要将左右摄像头摆得越近越好。
. d. d5 F7 R$ o+ b/ ]6 d  若两个Camera的FOV不一样,一个大FOV,一个小FOV,再通过算法实现两个光学镜头之间的效果,就可以轻松做到光学变焦。- c7 L5 F& [4 T, y6 B! }5 J
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  若不用双摄像头,放大图片后,文字不清楚
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  若使用双摄像头,放大图片后,文字依然清楚
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  此图就是融合了广角的图和长焦的图,通过算法算出了中间态度照片,让细节不失真

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