單攝PK雙攝（下）：多攝像頭「曲線救國」

上回我們說到了雖然越來越多的手機(jī)廠商把“雙攝像頭”當(dāng)作一種潮流，然而在國外專業(yè)相機(jī)評測機(jī)構(gòu)DxOMark的手機(jī)拍照天梯中，評分超過85分的11款手機(jī)并沒有任何一款雙攝手機(jī)的影子。

想想其實(shí)并沒有什么不對，在專業(yè)的攝影界，大多數(shù)高端的相機(jī)實(shí)際上都是依靠單攝像頭來成像的。

手機(jī)要不要上雙攝？雙攝究竟是“雞肋”，還是未來發(fā)展的趨勢？

面對“單攝”手機(jī)的屠榜，雙攝乃至多攝像頭手機(jī)將如何“力挽狂瀾”呢？“科普”第二彈馬上開車。瓜子花生準(zhǔn)備好，快上車！

雖然從DxOMark的評分來看，雙攝在成像質(zhì)量相比單攝并沒有什么優(yōu)勢，但是有一類雙攝偏偏要和單攝甚至單反來掰一掰“手腕”，那就是以華為、360、酷派主導(dǎo)的黑白雙攝技術(shù)。

彩色+黑白雙攝：大小不夠，兩顆來湊

首先我們來溫習(xí)一下，雙攝像頭手機(jī)在成像上會輸給單攝手機(jī)的兩個根本原因：

機(jī)身要容納兩顆CMOS，出于美觀考慮，單顆CMOS面積受限；

為了保證光路穩(wěn)定性，雙攝手機(jī)目前還沒有可量產(chǎn)的光學(xué)防抖技術(shù)。

而“彩色+黑白雙攝”這項技術(shù)，解決的就是CMOS面積受限“底大一級壓死人”的問題。這項技術(shù)的原理就是在彩色CMOS（主攝像頭）的基礎(chǔ)之上，增加了一塊黑白CMOS（副攝像頭）。

“彩色+黑白雙攝”在拍攝時，兩顆CMOS同時成像，其中彩色CMOS負(fù)責(zé)顏色信息（事實(shí)上是全部拍照信息），黑白CMOS只負(fù)責(zé)記錄拍攝物體的灰度信息（當(dāng)然也不能記錄顏色信息），最后通過后期處理，將兩張圖片合成為一張。

問題來了，為什么另外一顆CMOS要用“黑白”的呢？

其實(shí)，我們通常所用的手機(jī)CMOS在成像時，每個像素點(diǎn)都是“色盲”：它們只能感應(yīng)光的強(qiáng)度，無法捕獲顏色信息。

為了在拍照時獲得一張具有顏色的圖像，所以每個像素點(diǎn)上方都會覆蓋一層彩色濾光片，而濾光片分布則遵循RGBG排列的拜耳陣列（或其變種RGBW排列），在這種排列下，光在射入每個像素點(diǎn)的過程中，會被濾光片過濾掉一部分，只保留該部分顏色的強(qiáng)度，然后單色光射在感光元件上產(chǎn)生與光強(qiáng)度相對應(yīng)的電流。最后經(jīng)過“反拜耳運(yùn)算”將陣列中相鄰的四個像素合成，猜出這四個像素點(diǎn)對應(yīng)的顏色，于是就構(gòu)成了一張完整的彩色照片。

但鏡頭本身就是一個通電的元件，自身也會有電流經(jīng)過，這部分電流因?yàn)殡姶鸥袘?yīng)效應(yīng)，會與感光元件產(chǎn)生的電流發(fā)生串?dāng)_，這個串?dāng)_我們稱之為“噪聲”，而信號強(qiáng)度和噪聲強(qiáng)度的比值（后稱“信噪比”），則是影響成像的最關(guān)鍵因素。

當(dāng)像素接收到的光越強(qiáng)，轉(zhuǎn)化的電流也就越大，相比之下“噪聲”就顯得微不足道了；而在光較弱的時候，轉(zhuǎn)化的電流變小，“噪聲”的影響變得明顯，于是會出現(xiàn)顏色漂移、偽色噪點(diǎn)等現(xiàn)象。這也就是為什么高端與低端手機(jī)白天成像質(zhì)量差不多，而晚上卻有如天壤之別。

那么，大多數(shù)相機(jī)優(yōu)化是如何提高信噪比的呢？

要么降低噪聲：

A：優(yōu)化電路結(jié)構(gòu)，降低噪聲

要么提高信號強(qiáng)度：

B、增大感光元件靈敏度

C、增大單位像素面積

D、增大光圈，提高進(jìn)光量

而黑白雙攝的解決方法屬于：

E、去掉濾光片，減少光強(qiáng)損失

無論多么上乘的濾光片，只要過濾掉某些顏色的光線，光線強(qiáng)度就必然會有一部分衰減（約20%）。而沒有濾光片的黑白CMOS則不會有這部分衰減，在硬件層面上要比同像素尺寸的彩色CMOS串?dāng)_更小，畫面純凈度更好。

不過由于沒有濾光片只能記錄畫面的灰度，想要拍攝出一張彩色照片，還需要另外一顆彩色攝像頭記錄顏色信息進(jìn)行后期合成。

廠商在宣傳的時候就會說：快來看，我們有兩顆CMOS，加起來進(jìn)光量可比單攝像頭的CMOS大多了！

雖然在參數(shù)上看，好像說得蠻有道理：以華為P9為例，兩顆1/2.9英寸（單位像素尺寸1.25微米）的CMOS，拼接起來大約有1/2英寸，比目前主流手機(jī)市場采用的最大傳感器IMX378的1/2.3英寸（單位像素尺寸1.55微米）還要大一圈。

雖然說“底大一級壓死人”，但事實(shí)上，雖然兩顆CMOS帶來了兩倍的感光面積，但同時也帶來了雙倍的像素數(shù)量和雙倍的噪音，并沒有解決單位像素面積小的問題，僅僅是黑白CMOS減少了一點(diǎn)光線強(qiáng)度的衰減，從硬件層面考慮，充其量只能算是小尺寸CMOS的補(bǔ)救，加上雙攝沒有完善的量產(chǎn)光學(xué)防抖解決方案，在提升畫質(zhì)方面并沒有真正的大底大像素單攝像頭有效。

但雙攝真的就只是“雞肋”嗎？雖然在成像質(zhì)量方面，雙攝像頭的意義仿佛并沒有一顆大號“火癤子（攝像頭）”來得給力，但吹成像只是雙攝界一股“清流”，而絕大多數(shù)擁有雙攝像頭手機(jī)乃至多攝像頭手機(jī)，則更多地喜歡在玩法上做文章，畢竟更多的攝像頭可以做出許多單攝像頭做不到的事。

成像和玩法，哪個更重要？

我認(rèn)為，兩個都重要。這不是在“和稀泥”，因?yàn)榍罢呓鉀Q的是“按下快門，隨手拍出好照片”的問題，照片越漂亮，回憶也更美好；而后者解決的是我們未來該如何使用手機(jī)的問題，在將來手機(jī)將承載我們更多的任務(wù)。

既然“進(jìn)步”和“革命”同樣重要，所以大多數(shù)“雙攝”手機(jī)，都是先從攝像頭的“老本行”——拍照的玩法上開始演進(jìn)。

“膠水”雙攝：“模塊化”手機(jī)變種

所謂“膠水”雙攝，就是雖然擁有兩顆攝像頭，但在拍照時只有其中一顆攝像頭負(fù)責(zé)成像，僅僅在使用某些特殊功能時，兩顆攝像頭才會一起工作。

這種組合方法雖然會讓拍照時另一顆攝像頭“打醬油”，但得益于獨(dú)立成像，主攝像頭（或兩顆攝像頭）都可以搭載光學(xué)防抖功能，帶來暗光下出片率和成像質(zhì)量的提升。

這其中的代表作分別有LG G5的廣角鏡頭、iPhone 7 Plus的長焦鏡頭。

“膠水”廣角攝像頭：LG G5

LG G5 除了擁有一顆1600萬像素（IMX 234）的標(biāo)準(zhǔn)鏡頭，還搭載了一顆800萬像素的廣角攝像頭，最大廣角端可達(dá)135度，能拍攝出相當(dāng)于10mm~12mm左右的35mm等效焦距（短焦）的照片。更大的廣角端讓取景器中可以收錄更多內(nèi)容，畫面元素會更加豐富。

這樣你再也不用擔(dān)心老同學(xué)聚會時人太多取景框放不下；也不用擔(dān)心眼前的風(fēng)景無法被全部收錄。

當(dāng)然，超大廣角并非沒有代價，在畫面邊緣會出現(xiàn)被攝物體“變形”的情況，類似魚眼相機(jī)。

“膠水”長焦攝像頭：iPhone 7 Plus

如果說LG G5 的廣角攝像頭讓照片拍得更多，iPhone 7 Plus則是反其道而行之，在標(biāo)準(zhǔn)攝像頭（等效焦距28nm）之外增加了一顆56mm等效長焦鏡頭，讓照片可以拍得更遠(yuǎn)。

借由兩顆攝像頭間的切換，56mm長焦攝像頭拍出來的照片相當(dāng)于28mm攝像頭2倍光學(xué)變焦后的效果，而光學(xué)變焦的優(yōu)勢在于對于畫質(zhì)的無損。

不過由于手機(jī)的光學(xué)構(gòu)造，決定了它不可能像真正的鏡頭一樣可以通過移動鏡片調(diào)整焦距，實(shí)現(xiàn)全焦段的無損光學(xué)變焦。而蘋果僅在1x和2x這兩個焦段是無損的，而其它放大倍數(shù)都屬于數(shù)碼變焦，只是蘋果通過旋鈕讓兩顆攝像頭切換過渡得極其自然。

上面兩款“膠水”雙攝，在實(shí)現(xiàn)方式上借鑒了手機(jī)“模塊化”的概念，只不過將兩顆攝像頭都做在了手機(jī)上，將模塊化的“更換”攝像頭變成了“切換”。

還有一種雙攝，它要比上面兩種出現(xiàn)得更早，那就是以HTC One M8為代表的景深雙攝。

景深雙攝：一分天注定，九分靠算法

在專業(yè)攝影中，有時攝影師為了突出拍攝主體，常常會使用一顆大光圈的攝像頭，這樣拍出來的照片會讓主體非常的清晰，而背景物體則會呈現(xiàn)明顯的焦外虛化效果。業(yè)內(nèi)人稱“刀銳奶化”，即“焦內(nèi)如刀割般銳利，焦外如奶油般化開”。

而在手機(jī)的攝像頭設(shè)計中，由于光圈是固定的，在硬件層面上并不能實(shí)現(xiàn)單反中大光圈“焦外虛化”的效果。

但是硬件不夠，軟件來湊，手機(jī)運(yùn)算性能如此強(qiáng)大，為何不能后期處理出“焦外虛化”的照片呢？因?yàn)閱螖z像頭不能記錄物體的景深。

就像人類有兩只眼睛，兩只眼睛存在間距（平均值為6.5cm），對于同一景物，左右眼的相對位置是不同的，這就產(chǎn)生了雙目視差，即左右眼看到的是有差異的圖像。兩張具有視差的圖像轉(zhuǎn)入大腦視中樞，合成一個物體完整的像。因?yàn)殡p眼視差的存在，你才能看清這一點(diǎn)與周圍物體間的距離、深度、凸凹等等都能辨別出來，這樣形成的像就是立體的像，這種視覺就是立體視覺。

所以，想要記錄拍攝時的景深信息，我們還需要另外一顆攝像頭，例如HTC One M8的景深攝像頭。

景深攝像頭的原理并不復(fù)雜：在拍攝時，主攝像頭負(fù)責(zé)當(dāng)前被攝物體的取景，而景深攝像頭則負(fù)責(zé)在拍攝的瞬間記錄多張焦點(diǎn)由近至遠(yuǎn)的不同照片。然后通過手機(jī)的“大腦”——處理器的后期運(yùn)算，可以判斷場景中其他物體距離拍攝物體的遠(yuǎn)近，從而進(jìn)行不同程度的后期虛化（距離被攝物體焦平面越遠(yuǎn)的物體虛化越明顯）。

值得一提的是，景深攝像頭不一定只能用來記錄景深信息，任何可以用來成像的攝像頭都可以當(dāng)作景深攝像頭，例如iPhone 7 Plus的主攝像頭，華為P9的黑白攝像頭。

而像HTC One M8那樣之所以采用一顆較低像素的攝像頭，多數(shù)是受限于當(dāng)時處理器的運(yùn)算能力，為了緩解處理器壓力、縮短后期處理時間不得已而為之。

而景深照片成像的好壞，取決于各家的算法能否清晰地分辨被攝物體的邊緣。有些廠商憑借成熟的算法，甚至可以實(shí)現(xiàn)先拍照后對焦。

3D雙攝：開啟裸眼3D時代的大門

你可知最早的雙攝像頭手機(jī)是哪一款嗎？

就是下面這款HTC在2011年推出的HTC G17（EVO 3D）。

回想早年HTC在手機(jī)圈的風(fēng)生水起，雖然機(jī)海戰(zhàn)術(shù)充滿了爭議，但也確實(shí)涌現(xiàn)出一系列獨(dú)具匠心的產(chǎn)品。其中EVO 3D是全世界首款支持錄制裸眼3D視頻的手機(jī)，它搭載了兩顆平行500萬像素攝像頭，最大能夠支持720P的3D視頻錄制。

從原理上看，EVO 3D所支持的裸眼3D錄像功能，只是通過兩顆平行攝像頭模擬左右眼分別記錄影像信息，并在后期分割成等距離的垂直線條，然后利用插排的方式將左右影像交錯地融合在一起。

在播放時，借助透光狹縫與不透光遮障垂直相間的光柵條紋等處理的屏幕（與3DS掌機(jī)原理相同），使人們雙眼所看到的影像產(chǎn)生差異而有立體的感覺。

令人遺憾的是，當(dāng)時這項技術(shù)由于長時間觀看會讓一些“立體視覺”較差的人產(chǎn)生眩暈感，一度被人們認(rèn)為缺乏實(shí)用性，并沒有被推廣開來。

雖然HTC EVO 3D折戟沉沙，但手機(jī)對于3D的手機(jī)的探索并未止步于此。2014年，亞馬遜推出了一款3D透視功能的手機(jī)——Fire Phone。

Fire Phone在硬件構(gòu)造上最特別的，莫過于機(jī)身正面擁有5顆攝像頭：除了一顆210萬像素的標(biāo)準(zhǔn)前置攝像頭以外，位于四角的4顆紅外攝像頭專門用于捕捉使用者的面部位置，可以實(shí)現(xiàn)界面的3D顯示，而且定位精度要好于當(dāng)時的重力傳感器。

然而Fire Phone看似厲害，但無奈該機(jī)出于亞馬遜之手，Prime服務(wù)僅限美國使用，而美國手機(jī)必備的Google系應(yīng)用卻無法安裝。本就應(yīng)用稀缺的Fire OS基于安卓，卻不能完全兼容所有的安卓程序，應(yīng)用上的限制，注定了這款炫酷的3D手機(jī)最終淪為一個噱頭的結(jié)局。

不過Fire Phone也用身體力行告訴我們，如今手機(jī)攝像頭越來越多，但并不代表每個攝像頭都要用來拍照，攝像頭的本質(zhì)只是手機(jī)上的眾多傳感器之一。

事實(shí)上，除了Fire Phone，越來越多“不務(wù)正業(yè)”的攝像頭被加入到手機(jī)被我們所采用。

AR手機(jī)：聯(lián)想的白日夢

說到多攝像頭的應(yīng)用場景，莫過于在與目前大熱的AR（增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)）領(lǐng)域結(jié)合。

今年6月，聯(lián)想正式在TechWorld2016大會上正式推出了全球首款消費(fèi)級AR智能手機(jī)——聯(lián)想Phab 2 Pro。由于多種原因，這款手機(jī)一直推遲到11月才開始上市。

作為世界首款谷歌Project Tango手機(jī)，Phab 2 Pro機(jī)身背部除了一顆標(biāo)準(zhǔn)的1600萬像素攝像頭，還有兩個額外的攝像頭，一個用來感知景深，一個進(jìn)行運(yùn)動追蹤。

得益于兩顆額外的攝像頭，Phab 2 Pro可以實(shí)時為用戶周圍的環(huán)境進(jìn)行3D建模，并在手機(jī)屏幕上呈現(xiàn)出增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的效果。

你可以在Phab 2 Pro手機(jī)上進(jìn)行AR游戲，

還可以直接借助手機(jī)上的AR系統(tǒng)測量現(xiàn)實(shí)中物體的長度，

當(dāng)然，你甚至還可以用它來買買買：今年“雙十一”，京東在其總部演示“AR購物”功能時，使用的就是Phab 2 Pro這款手機(jī)，不僅可以模擬商品在現(xiàn)實(shí)中的樣子，還可以陳列出物品的購買信息，協(xié)助下單。

在未來，谷歌還希望這相機(jī)書應(yīng)用于室內(nèi)導(dǎo)航和機(jī)器人，甚至與自家VR（虛擬現(xiàn)實(shí)）平臺“Daydream”結(jié)合，把熟悉的現(xiàn)實(shí)環(huán)境帶進(jìn)虛擬現(xiàn)實(shí)世界里。

虹膜識別：當(dāng)攝像頭遇上安全驗(yàn)證

雖然如今以指紋作為手機(jī)的生物識別方案已經(jīng)相當(dāng)普及，但是冬天到了，你走在路上，冒著凜冽的寒風(fēng)，這時候有個人給你發(fā)了條微信，你不得不摘下手套解鎖手機(jī)，那一瞬寒風(fēng)刺骨的感覺你知道有多討厭嗎？

這時，我掏出手中的三星Note7，使用最新的虹膜解鎖，當(dāng)時羨煞周圍所有人。

上面這段本可以拍成今冬三星Galaxy Note7的廣告，然后大肆宣傳一下新搭載的虹膜識別技術(shù)，然而貌似在準(zhǔn)備道具時，三星Note7不慎爆炸，于是徹底退出了歷史舞臺。

作為有幸體驗(yàn)過三星Note7的人，私以為虹膜識別這項技術(shù)非常值得稱贊，尤其在這個寒冷的冬天。雖然使用說明中提到識別時不建議佩戴眼鏡或隱形眼鏡，但在實(shí)際測試中，佩戴無色透明眼鏡或隱形眼鏡依然可以做到“秒解鎖”，可見三星在識別成果率介紹中還是蠻保守的。

（虹膜：是眼睛外部調(diào)節(jié)瞳孔大小、控制進(jìn)入眼睛光線數(shù)量的肌肉，是基于褪黑素的數(shù)量形成的眼睛的有色部分）

在這之前，vivo X5 Pro也使用了虹膜識別技術(shù)，但效果就要差很多。這兩者差在哪里呢？

三星虹膜識別的采樣系統(tǒng)，是由一顆（對紅外光敏感的）虹膜攝像頭和一顆紅外LED燈組成。

在進(jìn)行取樣時，紅外LED燈亮起，虹膜攝像頭開始掃描虹膜上的特征點(diǎn)，然后通過加密算法這些特征點(diǎn)的向量信息繪制為“虹膜碼”，最后使用虹膜碼進(jìn)行匹配認(rèn)證。

相比vivo X5 Pro的普通前置攝像頭，三星Note7的虹膜掃描攝像頭在拍照上雖然不占優(yōu)，但配合紅外LED燈和本身傳感器對紅外線高光感的特性，將識別率與速度達(dá)到了前所未有的高度。

相信這套高度可用的虹膜識別方案并不會和三星Note7一起埋葬，而且注定會成為S8上演“王者歸來”時的殺手锏。

整體來說，表面上看是如今手機(jī)攝像頭變多了，背后是各家廠商對于多攝像頭的應(yīng)用方案的探索與嘗試。

由于近年來智能手機(jī)遭遇創(chuàng)新瓶頸，手機(jī)產(chǎn)品愈發(fā)同質(zhì)化，廠商們，尤其是高端手機(jī)廠商在努力尋求差異化，研發(fā)新的獨(dú)占功能保持產(chǎn)品的競爭力以及附加值。

而在尋求人機(jī)交互的突破過程中，影像傳感器（攝像頭）的應(yīng)用是不可繞過的一環(huán)。隨著手機(jī)所承擔(dān)的事物越來越多，注定還會搭載數(shù)量更多、功能更加分化的傳感器。

從初級的“膠水”雙攝，到彩色黑白雙攝，再到景深與運(yùn)動捕捉攝像頭在VR/AR領(lǐng)域中的應(yīng)用，再到三星特種攝像頭進(jìn)行生物識別。雖然這里面有成功也有失敗，但探索的腳步從未停止，也許某天某個突破就能徹底改變我們使用手機(jī)的方式。

就像在喬布斯之前，沒有人會想到手機(jī)會變成今天這個樣子。

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