單攝 PK 雙攝（上）：單攝像頭的「技壓群雄」

自今年蘋果iPhone 7 Plus發(fā)布以來，“雙攝像頭”手機開始大量出現(xiàn)在人們的視野中。這個雖不是蘋果首創(chuàng)，但卻借著蘋果品牌強大的“現(xiàn)實扭曲力場”發(fā)揚光大的特性，開始受到廠商追捧、消費者認可。

“兩個總比一個強”，這個在商家的宣傳和消費者的眼中看似順理成章的規(guī)律，然而在專業(yè)的測試機構(gòu)中，貌似并不是非常的“買賬”。

根據(jù)國外專業(yè)相機測試機構(gòu)DxOMark的手機拍照天梯，在所有得分超過85分的11款手機當中，沒有任何一款搭載了雙攝像頭。而排名最高的雙攝手機，是80分的華為P9，位列總榜第27位。

換句話說，世界上拍照最好的手機，都是用單攝像頭成像的。

究竟這些單攝像頭手機有哪些黑科技，最終“團滅”了“雙攝軍團”呢？今天哥就來給屏幕前的你“科普”一下。瓜子板凳準備好，哥要開車啦！

（本文文字量較大，看完可能需要8-10分鐘，但文中干貨足以讓你去和小伙伴炫耀一番，請耐心看完～）

如今大多數(shù)都是通過光線入射到CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor，互補金屬氧化物半導體）上來完成的，而讓CMOS感應到外界的光線，需要一定的光通量，想要提高光通量，要么加大光的強度（外界光、光圈影響）、要么增加感光面積（CMOS規(guī)格）、要么延長曝光時間（防抖系統(tǒng)）。

Optical Image Stabilization（OIS，光學影像防抖）

顧名思義，其實就是我們常說的光學防抖，在DxOMark天梯榜超過85分的11款手機當中，有8款手機都搭載了OIS技術，足以見得這項技術在拍照中的重要性。

在日常拍攝時，手部輕微抖動幾乎是無法避免的事，由于手部抖動，會造成手機光路易位，讓照片發(fā)生抖動發(fā)虛。

但在光線充足時，由于傳感器無需長時間曝光，極其輕微的抖動可以通過算法忽略。

而到了夜晚或是光線不足的情況下，想要保證拍出的照片不是漆黑一片，就要延長手機的快門時間，但是快門時間越長，手部抖動對光路影響就越大，呈現(xiàn)出的照片就越容易發(fā)虛。

所以在攝影行業(yè)內(nèi)，有個“安全快門”的概念，即最大快門時間小于=1/等效焦距（秒）。例如iPhone 7 Plus，等效焦距為31mm，其安全快門就是1/31s。但為了保證夜間成像質(zhì)量，無光學防抖的iPhone快門被定在了1/17s，大于安全快門，于是在夜拍時只能依靠電子防抖補償，很容易發(fā)生抖動。

而有了光學防抖，通過鏡頭的浮動透鏡來糾正“光軸偏移”，其原理是通過鏡頭內(nèi)的陀螺儀偵測到微小的移動，然后將信號傳至微處理器，處理器立即計算需要補償?shù)奈灰屏?，然后通過補償鏡片組，根據(jù)鏡頭的抖動方向及位移量加以補償；從而有效的克服因相機的振動產(chǎn)生的影像模糊。

借助于這項技術，可以有效抵消“手抖”帶來的影響。因此，廠商可以延長“安全快門”的時間，例如蘋果、三星都將快門拉長至1/4s，保證了夜晚拍照的明亮與成片率。

當然光學防抖的加入也會帶來一些副作用，一方面是畫面邊緣的解析力下降較大，另一方面浮動鏡組占用的空間更大，所以很多搭載OIS的手機攝像頭“凸起”都十分感人。

Electrical Image Stabilization（EIS，電子影像防抖）

細心的你也許會發(fā)現(xiàn)，排名第一的谷歌Pixel手機并沒有搭載OIS光學防抖技術，那么這些手機靠什么來防抖呢？

靠EIS圖像優(yōu)選，這是一個在OPPO R9s炒起來的新名詞，后被小米Note2發(fā)揚光大，雖然英文名聽起來高大上，其實翻譯過來就是電子防抖。

依靠軟件算法實現(xiàn)防抖的電子防抖歷來就有，最早被應用于電子相機的錄像模式之中：通過對畫面周圍四邊進行一定程度的裁切作為“緩沖帶”，對圖像的抖動進行相應的反向補償。

而到了相機成像方面，借助手機多幀合成成像算法的成熟運用，如今可以利用圖像序列中幀與幀之間的相關性，通過軟件算法對抖動的像素進行替換補償。而像Pixel這樣的旗艦機，則可以借助陀螺儀的的運動，對手機抖動引起的圖像序列抖動進行估計與補償算法。

說到底，Pixel使用的無非只是更高級的軟件算法，在硬件上，相比具有光學防抖的技術的手機并不具備優(yōu)勢。那是什么讓Pixel脫穎而出？

IMX 378（大尺寸大像素CMOS）

在攝影界，盛傳著“底大一級壓死人”的鐵律，其中的“底”，指的就是感光元件的面積。更大的感光元件面積，可以在單位時間擁有更大的光通量。這其中比較出名的就是已經(jīng)消失的諾基亞PureView 808 (下圖右)和 Lumia 1020（下圖左），兩者的感光元件面積分別達到了1/1.2英寸和1/1.5英寸，當然超大的感光元件也讓這兩款手機的鏡頭顯得極為臃腫，一度被粉絲戲稱為“奧利奧”。

不過你可知道全世界感光元件最大的手機是哪一部嗎？是松下公司在2014年9月Photokina大展上推出的Lumix DMC-CM1，CMOS尺寸達到了1英寸！

但這外形的手機拿在手里，恐怕沒有幾個人不把它當成相機……

所以在這個“三分天注定，七分靠打拼，九十分看臉”的世界里，如此挑戰(zhàn)消費者審美的攝像頭注定難以成為主流。

而另一方面，雖然諾基亞PureView 808 和 Lumia 1020擁有超大的CMOS，但由于4100萬像素的加持，其實手機的單位像素面積并不大，僅有1.4微米和1.12微米。

舉個例子，手機CMOS就像一口大鍋，鍋越大，能裝進的光也就越多，然而CMOS上的像素就像是圍在鍋邊等著吃飯的人，像素越少越少，單位像素面積也就越大，每個像素分得的光也就越多，于是每個像素都可以“吃到飽”。

擁有了更大進光量，對于手機成像意義何在呢？最直觀的感受，莫過于照片更亮了。

但除了“一亮遮百丑”以外，由于單位像素增大而享受到了更多的進光量，像素點轉(zhuǎn)化為電信號的強度也就越高，變相降低了相機本身模組由于通電而產(chǎn)生的電磁“噪音”串擾的比重，擁有更高的信噪比，極大降低了在暗光拍攝時，由于線路“噪音”而產(chǎn)生的偽色噪點的出現(xiàn)，提高了畫面的純凈度。

再來看位列榜首的谷歌Pixel，采用的 IMX378 就是這樣一顆傳感器，系索尼Exmor R系列背照式傳感器的最新型號，有效像素達到了1220萬，對角線尺寸為1/2.3英寸(7.81毫米)，相比iPhone 7（1/3英寸）大了59％，同時單個像素尺寸為1.55微米，進光量相比iPhone 7（1.22微米）大了61％?？梢哉f是相對iPhone 7 CMOS 規(guī)格的全面秒殺。

Dual Pixel（全像素雙核心對焦）

拍攝照片時，有時會因為事情來得太快，手機來不及對焦而拍出一張模糊的照片，讓你錯過了稍縱即逝的永恒。

對焦速度雖然不能直接影響成像效果，但這項功能的好壞在于不僅影響到了手機是否能拍出一張清晰的照片，也影響到了拍照時等待手機對焦的心情。

而現(xiàn)在的手機對焦通常有以下幾種：

1反差對焦

就是通過反復推拉鏡片尋找對焦區(qū)域?qū)Ρ榷茸畲蟮狞c作為對焦準確的點，

也是最原始的對焦方法。在拍攝被攝物體時，系統(tǒng)并不知道對比度什么時候最大，所以需要來回去移動鏡片來尋找。因此我們會發(fā)現(xiàn)，使用反差對焦對焦時，取景器會有一個來回變焦“拉風箱”的過程，這種對焦方式不僅慢，在錄像這種需要連續(xù)對焦的場合，頻繁的“推焦”會極大影響畫面觀感。

2IRAF激光對焦（又稱紅外對焦，港臺譯：鐳射對焦）

顧名思義，就是通過攝像頭旁發(fā)射器發(fā)射一道紅外光（屬于不可見光），當光線碰到物體時發(fā)生反射會回到手機接收器，通過發(fā)射和返回的時間差，計算手機與物體間的距離。

嚴格意義上講，由于發(fā)射的是紅外線，所以叫做紅外對焦更準確（至于為什么叫激光，也許是宣傳起來比較高大上吧）。

由于激光對焦屬于主動對焦，所以最大優(yōu)勢在于可以在極為昏暗的條件下完成對焦動作，但國際上對于紅外發(fā)射器功率的限制，目前手機所搭載的激光對焦最大距離往往不超過2米。

3相位（檢測自動）對焦（PDAF，Phase Detection Auto Focus）

也是目前手機上較為主流的一種對焦技術，相位對焦即通過在負責感光的傳感器上，將一些負責成像的像素遮蔽1/2面積作為相位對焦點。通過檢測每個對焦點前后方向存在多少差值來實現(xiàn)高速合焦。

打個比方，每兩個相鄰的對焦點，可以比作人的眼睛，通過雙眼對同一物體的觀察，可以判斷是否同一個點進來的光線，也就知道是否合焦。

然而這種對焦方式對光線要求很高，而另一方面，負責成像的像素被替換成了相位對焦點（一般不超過全像素的5%），失去了部分成像的功能，而這些像素點只能通過手機通過參考它周圍的圖像“猜”出這個點應該顯示什么。也就是說，相位對焦快的前提，是用損失一定畫質(zhì)的代價實現(xiàn)的。

4全像素雙核心對焦——Dual Pixel

那么有沒有既不損失畫質(zhì)，也能兼顧高速對焦的技術呢？那就讓相位對焦點也可以成像就好了，也就是接下來要介紹的雙核對焦。

其實雙核對焦技術在幾年前在就已經(jīng)在佳能的單反相機上應用，如今這項技術已經(jīng)下沉到手機產(chǎn)業(yè)中。

在三星S7/S7 edge搭載的IMX260 這顆傳感器中，首次將相位對焦點做到了雙核，原理和相位對焦基本相同，不同的是每個相位對焦點由兩個完整的像素（光電二極管）組成，通過兩個像素獨立感光，并分析兩個像素間的相差，就可以測算出被拍攝物體的距離，讓每一對完整的像素都可以進行對焦，變相提高了相位對焦點的數(shù)量和感光面積，也就是相位對焦的升級版“雙核對焦”。

借助這項先進技術，讓S7 edge在DxOMark自動對焦速度的單項比拼中，以94分的最高分摘得桂冠。

技不外傳的相機算法

剛才提到了“三分天注定”，接下來我們要聊一聊“七分靠打拼”的故事了。

每當我們拿到新買的手機，想拿它拍張照片發(fā)微博朋友圈炫耀一下的時候，往往看完拍出來的照片，選擇默默刪掉，心里默念“呸，這怎么和樣張上的不一樣！”

拋開前期取景技巧（和后期PS造假）的因素不提，單單是手機廠商楊照的拍攝，就需要運用三腳架、穩(wěn)定器、補光燈等一系列設備，加上ISO、白平衡、曝光時間的一系列調(diào)節(jié)，才會得到一張“樣片”水準的照片。

而你呢？無非只是希望看到旅途中流連忘返的景色或是街邊稍縱即逝的艷遇，從兜里掏出手機，按下快門，隨手拍出一張好的照片而已。

沒錯，就是“舉起手機，對準拍攝對象，按下快門”這么簡單，也許整個過程不超過一秒鐘。

那么在這零點幾秒的時間里，手機自己都處理了哪些事情呢？

以iPhone7為例：在你按下快門后的0.025秒的時間里要經(jīng)過：

面部識別→自動曝光→自動對焦→自動白平衡→廣色域抓取→本地色調(diào)映射→畫面降噪→多幀圖片合成 在內(nèi)的8項步驟，這些步驟都是在你“優(yōu)雅”地按下快門后，手機通過自己的運算所得出的結(jié)果。

而這套手機的算法，正是每家廠商的不傳之秘，廠商調(diào)教得越好，手機能夠自動勝任的工作越多，也就離我們“隨手拍出好照片”的目標越近。

而說到調(diào)校一直是iPhone的“優(yōu)勢項目”，雖然論風格各家自成一派，例如三星手機的濃艷、OPPO手機的紅潤、小米手機的高色彩飽和度，但iPhone的白平衡的色彩調(diào)校則少了前面幾家的“討喜”元素，力求還原人眼所見的感覺。

正所謂：調(diào)的準的叫還原，調(diào)不準的的叫風格，風格每個人各有所愛，但真實就是真實。

穩(wěn)定的“傻瓜式”相機表現(xiàn)，讓iPhone用戶遠離了手動調(diào)節(jié)參數(shù)的繁瑣，雖然在硬件水平已被安卓手機大幅趕超的情況下，用一顆小小的1/3英寸CMOS，依舊可以占據(jù)高端手機榜單的一席之地。

當然，研究算法的投入也是極大的，需要一個龐大的團隊，從光穿透第一層手機鏡片開始，到如何映射到傳感器，再由處理器轉(zhuǎn)化為圖像，都需要在獨立的實驗條件下進行反復測試。根據(jù)蘋果CEO蒂姆·庫克(Tim Cook)接受《60分》節(jié)目采訪時透露，專門為iPhone開發(fā)攝像頭的團隊目前員工數(shù)量就已經(jīng)超過了800名。

800名員工研究攝像頭是什么概念，據(jù)說老羅的錘子手機全公司上下一共也就這么多人，所以錘子T1發(fā)布時，由于人員有限，算法調(diào)?；疽抠I“現(xiàn)成”的，所以才有了老羅日本拜訪五十嵐千秋，后因T1拍照實在太爛，五十嵐不認賬，最后就有了”老羅被日本人坑了“的笑話。

硬件性能是體驗的保證

對于手機拍攝來說，光有好的鏡組和感光元件只是第一步，廠商優(yōu)良的調(diào)校算是第二步，隨著這幾年手機像素的提高以及算法的升級，用戶拍出好照片越來越容易，但是手機自己要實時處理的運算量就要大得多。

當然這對于手機的性能也是一個極大的消耗，仍以iPhone 7為例，從按下快門到成片僅僅25毫秒的時間里，手機要進行多達1000億次的運算！

當你的手機沒有足夠強勁的性能，無法在短時間里進行如此龐大的運算，要么會在拍照時比別人慢半拍，要么為了保證拍照流暢降低了手機后期處理的標準，讓成像效果大打折扣。

除了我們常說的CPU和GPU，芯片廠商還會為自家的旗艦級芯片定制獨立的ISP和DSP。

Image Signal Processing（ISP，圖像信號處理器），是在手機中用來對前端圖像傳感器輸出信號處理的強大處理引擎。負責CMOS信號的實時導出，以及照相錄像時的曝光、白平衡、防抖運算等。上文提到iPhone 7 能夠在25毫秒的時間里進行1000億次運算，基本上都是這顆ISP的功勞。

除了蘋果用上了獨家的ISP，安卓陣營的旗艦芯片也有獨家定制的ISP，例如高通的驍龍820采用了14位圖像信號處理器Spectra ISP，最高支持2800萬像素/30fps，吞吐量最高1.2GPix/sec(每秒12億像素)。

換句話說，我們用著比當年阿姆斯特朗登月時還要強大的設備，僅僅是為了拍出一張好照片。

Digital Signal Processing（DSP，數(shù)字信號處理器），是一種特別適合于進行數(shù)字信號處理運算的微處理器。與全知全能的CPU相比，DSP更像是某一領域的專家，在執(zhí)行單項任務時更加快速高效。例如驍龍820上集成的Hexagon 680 DSP，相比前代除了2倍上的性能提升，整合了低功率島(LPI)后，能效比也提高了10倍，靠它來執(zhí)行HDR視頻、HDR圖像合并、低光圖像增強、降噪等圖像處理工作，可以在提高效率的同時降低能耗。

根據(jù)知名的木桶效應，上面我所說到的這些問題任何一項成為了短板，都會拉低手機拍攝的整體體驗。

但無論是OIS、EIS，還是ISP、DSP，要是不是被商家包裝成唬人的英文，懂點行情的都知道這些從相機誕生之日起就一直在演進之中。那么為什么要說這些功能很關鍵呢？

因為許多雙攝的手機這些關鍵的功能很多都！沒！有！

由于攝像頭的數(shù)量增加，同時要平衡手機的美感，手機內(nèi)部空間將變得更加緊湊，也就限制了兩顆CMOS的大小，畢竟沒有人喜歡手機后面兩大顆“火癤子”。

以雙攝像頭排名最高的華為P9為例，所采用的IMX 286感光元件體積僅為1/2.9英寸，單位像素面積僅有1.25微米。

同時為了進一步節(jié)約鏡組空間，雙攝像頭的手機往往不支持光學防抖功能。不過就算是擁有光學防抖，兩顆攝像頭鏡組還要在抵消抖動時也要嚴格保持軸矩的同步，這項技術雖然已經(jīng)在實驗室里取得了成功，但以目前的工藝水平還不能量產(chǎn)。

所以有些廠商雖然給雙攝像頭增加了光學防抖功能（Mate 9），但光學防抖與雙攝像頭的開啟相互沖突，在拍照時，只能選擇其中一項開啟。

沒有大底優(yōu)勢，光學防抖也缺席，雙攝像頭的手機在“外功”上已經(jīng)輸了一半。

而在雙攝解決方案上，目前市售的彩色+黑白雙攝方案都是采用國內(nèi)一家叫做舜宇光學的方案，高端低端都是這一家。

與競爭對手蘋果和高通采用定制ISP不同，像華為P9這樣的雙攝手機，麒麟955芯片內(nèi)嵌的ISP居然不支持雙攝，只能再外掛一顆altek（華晶科技，臺灣數(shù)碼相機和手機產(chǎn)品的生產(chǎn)商）的ISP，少了幾分“私人定制”的優(yōu)化，讓雙攝的P9在“內(nèi)功”上也矮人一截。若不是趕上個“好師傅”徠卡親自調(diào)教軟件算法，雙攝軍團恐怕要輸?shù)母鼞K些。

當然，雙攝其實也并非一無是處，在下一篇中，哥再來跟你聊一聊面對單攝像頭的全面壓制，雙攝像頭手機是如何反擊的。

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