以华为P9为契机 浅谈双摄像头技术的偶然与必然

曹操2016-04-29 08:55产品 标签:华为 契机 摄像头 必然 技术

如今智能手机已经取代了传统卡片相机,成为我们记录日常生活点滴记忆的绝配。在经历像素跨越式的发展历程之后,双摄像头技术又开始崭露头角。那么,双摄像头能为手机的拍照体验带来怎样的改善?它究竟是历史的偶然还是必然呢?

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摄像头像素发展遇瓶颈

如何改善手机拍照效果?提升摄像头的有效像素无疑是最简单有效的手段。于是,从10万像素开始,手机的镜头逐步经历了30万→130万→320万→500万→800万→1300万→1600万→2070万像素的蜕变。如果以像素称王,那来自诺基亚的808 PureView和Lumia 1020无疑是“王中王”(图1),这两款手机都配备了破天荒的4100万像素摄像头。

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然而,事实却证明诺基亚“跑偏了”,一方面是普通用户根本用不上这么高的像素;另一方面是,在自动拍摄模式下Lumia 1020的拍照效果并不见得比同期的iPhone好多少。最终,业内逐渐形成了一个共识:更快的对焦速度、更好的降噪效果、更真实的色彩还原才是王道。于是,在接下来的一段时间里,手机厂商纷纷以摄像头的传感器型号(比如IMX278优于IMX214)、光圈大小(如F1.8大于F2.2)、是否支持激光/相位对焦技术为主打卖点,而像素值则停留在了1200万~2070万的区间中。

为什么2070万像素是一道坎?原因很简单,在智能手机普遍以“性感为美”的大环境下,手机的整体厚度决定了摄像头模组的厚度。回顾一下诺基亚808 PureView和Lumia 1020,它们的身材更适合生活在“大唐”年间(以肥/厚为美)。因此,想在摄像头模组厚度一定的情况下提升拍照效果,双摄像头技术就成为了历史的必然。

扩展阅读:光学变焦也能改善拍照体验

不支持光学变焦一直是智能手机区别于传统DC的最大缺憾所在。还好,随着科技的发展,光学变焦已经不再局限于会明显增加摄像头模块厚度的“伸缩式”镜头,全新的“潜望式”镜头逐渐走向前台。华硕Zenfone Zoom就是首款支持“潜望式”光学变焦技术的智能手机(图2),并将产品厚度控制到了相对纤薄的标准上。对手机光学变焦技术感兴趣的读者可参考本刊2016年第4期《光学变焦手机狙击DC的终极必杀技》这篇文章,或登录http://dwz.cn/39eGeg查看。

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双摄像头在磨砺中前行

双摄像头的发展并非一帆风顺,它的历史最早可以追溯到2011年。这一年,HTC G17和LG Optimus 3D都通过两颗500万像素摄像头(又称3D摄像头)获得了直接拍摄3D照片和视频的能力(图3),再结合支持裸眼3D显示的屏幕,为当年的用户呈现了一道视觉盛宴。听起来不错,可惜这两款产品的销量并不理想,而3D摄像头的概念也随之淡出市场。

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究其原因,是因为3D拍照没有什么实际意义,而系统和APP领域还缺乏对3D显示的支持。再加上随后兴起的AR和VR技术,回头再来看裸眼3D什么的简直是“弱爆了”。

继3D摄像头之后,双摄像头又进入了“一大一小”的时代。这个时期最具代表性的手机就是HTC M8(图4),一颗400万像素的UltraPixel主摄像头(大)和一个辅助的景深摄像头(小)就是“一大一小”双摄像头模块的典型“装备”(图5)。其中,主摄像头负责拍照取景,而辅摄像头则主要用于测算景深范围,从而获得类似先拍照后对焦、背景虚化等类似光场相机的效果。

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事实证明,“一大一小”的双摄像头只是在景深方面有所建树,并不能显著提升画质。因此,这种双摄像头在未来可能只会属于相对小众的技术,跟随者代表有HTC的M9+(2000万像素+400万像素)和中兴Axon天机(1300万像素+200万像素)等(图6)。对绝大多数手机用户而言,背景虚化等景深特效虽然好玩,但我们需要的是更为实际的成像质量的提升。于是,“成双成对”的双摄像头方案便出路了。

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2014年底,华为推出了荣耀6 Plus,这款手机最大特色就是配备了两颗一模一样的800万像素摄像头,并组成了所谓的“仿生平行双镜头”。这种“成双成对”双摄像头技术的拍照原理是,两颗摄像头通过三角测距原理能记录70mm到无穷远的全景深信息,使得手机也能拍出单反级的背景虚化照片、缩短对焦速度、让进光量和感光面积×2,提高逆光等高反差环境的成像效果。

可惜,“成双成对”双摄像头属于“三高”技术:成本高,采购两颗高品质的主摄像头并不便宜;设计难度高,为了确保影像捕捉的同步,两颗摄像头必须100%处于同一平面,需要使用相对位置和角度毫厘不差的镜头框架(图7),生产工艺很难;软件算法优化难度高,想让双镜头能够完美并用需要极高的软件算法优化实力,否则很难发挥出双摄像头的优势,反而成为拖累最终画质的瓶颈。

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因此,继荣耀6 Plus之后,至今也没有第二款采用“成双成对”双摄像头技术的手机出现。而华为最新的P9,也舍弃了荣耀6 Plus的“原创设计”,改用了另一种比较成熟的双摄像头技术:一黑(白)一彩(色)。

一黑一彩双摄像头技术解析

最早将一黑一彩概念引入手机领域的型号为奇酷360旗舰版,该产品配备了一颗1300万像素的IMX278彩色传感器和一颗定制版的IMX MONO黑白传感器(IMX214,同样是1300万像素)(图8 图注:360奇酷手机旗舰版的镜头模组)。在我们拍照的一瞬间,两颗摄像头便开展了一场携手之旅。

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我们都知道,智能手机所配备的CMOS彩色传感器原本只能感应光线的强度,只能记录黑白灰而不能记录光线的颜色。为了拍出彩色的照片,每一颗CMOS彩色传感器都需要加上一层“拜耳滤镜”才能获得记录色彩的能力。但是,使用拜耳滤镜的“后遗症”就是会挡住2/3的光线,实际照射到CMOS上光线只剩下原先的1/3(图9),这就导致在光线不好的环境下噪点增加或极易拍虚。

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而IMX MONO黑白传感器,它的本质就是拿掉了“拜耳滤镜”的彩色传感器,虽然它变成了彻头彻尾的“色盲”(只能记录黑白灰),但却获得了3倍的进光量,所有光线都直接传到传感器并被捕捉,将拜尔滤镜损失的那些东西重新找了回来,因此可以有效提高像素细节。

当手机拍摄照片时,CMOS彩色传感器和IMX MONO黑白传感器会同时记录镜头前的景物。其中,彩色传感器负责强化色彩还原,黑白传感器则负责强化画面细节捕捉。然后,图像处理器(ISP)和软件算法会对两张彩色和黑白照片进行合成(图10),最终获得一张拥有极高清晰度、细节和逼真色彩还原的照片,在暗光和逆光的环境下效果更为出众。

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华为P9和奇酷360旗舰版的双摄像头技术原理相同,只是改用了1200万像素的IMX286彩色传感器和索尼定制的1200万像素IMX MONO黑白传感器,并选用了符合徕卡认证标准的镜头,而徕卡也参与到了成像质量的软件调校中来,让最终的成像效果有了浓烈的徕卡风格。

小结

虽然配备双摄像头的手机在整个市场中还处于“少数派”,但这一趋势却已成必然。有消息称,苹果新一代iPhone 7也有望引入双摄像头技术,并极有可能新兴的“一广一窄”类型,即让两颗摄像头以不同的焦段同时拍摄一幅远景和一幅近景,从而获得类似光学变焦的无损放大效果。总之,在未来的一段时间内,“一黑一白”将成为双摄像头技术中的主流,但手机到底能发挥出双摄像头的几成功力,还得落实到手机厂商在相机APP成像算法优化的“软实力”上。