自今年蘋果iPhone 7 Plus發(fā)布以來，“雙攝像頭”手機(jī)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(qiáng)大的“現(xiàn)實扭曲力場”發(fā)揚(yáng)光大的特性，開始受到廠商追捧、消費(fèi)者認(rèn)可。
“兩個總比一個強(qiáng)”，這個在商家的宣傳和消費(fèi)者的眼中看似順理成章的規(guī)律，然而在專業(yè)的測試機(jī)構(gòu)中，貌似并不是非常的“買賬”。
根據(jù)國外專業(yè)相機(jī)測試機(jī)構(gòu)DxOMark的手機(jī)拍照天梯，在所有得分超過85分的11款手機(jī)當(dāng)中，沒有任何一款搭載了雙攝像頭。而排名最高的雙攝手機(jī)，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(jī)，都是用單攝像頭成像的。
究竟這些單攝像頭手機(jī)有哪些黑科技，最終“團(tuán)滅”了“雙攝軍團(tuán)”呢?我們就來給屏幕前的你“科普”一下。瓜子板凳準(zhǔn)備好，老司機(jī)要開車?yán)?
如今大多數(shù)都是通過光線入射到CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)上來完成的，而讓CMOS感應(yīng)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(qiáng)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(xué)影像防抖)
顧名思義，其實就是我們常說的光學(xué)防抖，在DxOMark天梯榜超過85分的11款手機(jī)當(dāng)中，有8款手機(jī)都搭載了OIS技術(shù)，足以見得這項技術(shù)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(jī)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(jī)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(xué)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(bǔ)償，很容易發(fā)生抖動。
而有了光學(xué)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(bǔ)償?shù)奈灰屏浚缓笸ㄟ^補(bǔ)償鏡片組，根據(jù)鏡頭的抖動方向及位移量加以補(bǔ)償;從而有效的克服因相機(jī)的振動產(chǎn)生的影像模糊。
借助于這項技術(shù)，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(dāng)然光學(xué)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(jī)攝像頭“凸起”都十分感人。
Electrical Image Stabilization(EIS，電子影像防抖)
細(xì)心的你也許會發(fā)現(xiàn)，排名第一的谷歌Pixel手機(jī)并沒有搭載OIS光學(xué)防抖技術(shù)，那么這些手機(jī)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(yáng)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(yīng)用于電子相機(jī)的錄像模式之中：通過對畫面周圍四邊進(jìn)行一定程度的裁切作為“緩沖帶”，對圖像的抖動進(jìn)行相應(yīng)的反向補(bǔ)償。
而到了相機(jī)成像方面，借助手機(jī)多幀合成成像算法的成熟運(yùn)用，如今可以利用圖像序列中幀與幀之間的相關(guān)性，通過軟件算法對抖動的像素進(jìn)行替換補(bǔ)償。而像Pixel這樣的旗艦機(jī)，則可以借助陀螺儀的的運(yùn)動，對手機(jī)抖動引起的圖像序列抖動進(jìn)行估計與補(bǔ)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(xué)防抖的技術(shù)的手機(jī)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(dá)到了1/1.2英寸和1/1.5英寸，當(dāng)然超大的感光元件也讓這兩款手機(jī)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(jī)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(dá)到了1英寸!
但這外形的手機(jī)拿在手里，恐怕沒有幾個人不把它當(dāng)成相機(jī)……
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(fèi)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(jī)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(jī)CMOS就像一口大鍋，鍋越大，能裝進(jìn)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(jìn)光量，對于手機(jī)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(jìn)光量，像素點轉(zhuǎn)化為電信號的強(qiáng)度也就越高，變相降低了相機(jī)本身模組由于通電而產(chǎn)生的電磁“噪音”串?dāng)_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(dá)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(jìn)光量相比iPhone 7(1.22微米)大了61%。可以說是相對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(jī)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(jī)是否能拍出一張清晰的照片，也影響到了拍照時等待手機(jī)對焦的心情。
而現(xiàn)在的手機(jī)對焦通常有以下幾種：
1反差對焦
就是通過反復(fù)推拉鏡片尋找對焦區(qū)域?qū)Ρ榷茸畲蟮狞c作為對焦準(zhǔn)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(fēng)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(dāng)光線碰到物體時發(fā)生反射會回到手機(jī)接收器，通過發(fā)射和返回的時間差，計算手機(jī)與物體間的距離。
嚴(yán)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(zhǔn)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(jī)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(jī)上較為主流的一種對焦技術(shù)，相位對焦即通過在負(fù)責(zé)感光的傳感器上，將一些負(fù)責(zé)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(jìn)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(fù)責(zé)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(jī)通過參考它周圍的圖像“猜”出這個點應(yīng)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
雖然PDAF已經(jīng)提升了對焦速度，但前進(jìn)的道路永無禁止。有沒有更快的對焦技術(shù)呢?答案是顯而易見的，也就是接下來要介紹的雙核對焦。現(xiàn)在賣的很火的OPPO R9s使用的就是雙核對焦技術(shù)。
其實雙核對焦技術(shù)在幾年前在就已經(jīng)在佳能的單反相機(jī)上應(yīng)用，如今這項技術(shù)已經(jīng)下沉到手機(jī)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全像素雙核，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(dú)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(jìn)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“全像素雙核對焦”。
借助這項先進(jìn)技術(shù)，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(jī)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(dāng)我們拿到新買的手機(jī)，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(jī)廠商楊照的拍攝，就需要運(yùn)用三腳架、穩(wěn)定器、補(bǔ)光燈等一系列設(shè)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(zhǔn)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(jī)，按下快門，隨手拍出一張好的照片而已。
沒錯，就是“舉起手機(jī)，對準(zhǔn)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(jī)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(jī)通過自己的運(yùn)算所得出的結(jié)果。
而這套手機(jī)的算法，正是每家廠商的不傳之秘，廠商調(diào)教得越好，手機(jī)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(biāo)越近。
而說到調(diào)校一直是iPhone的“優(yōu)勢項目”，雖然論風(fēng)格各家自成一派，例如三星手機(jī)的濃艷、OPPO手機(jī)的紅潤、小米手機(jī)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(zhǔn)的叫還原，調(diào)不準(zhǔn)的的叫風(fēng)格，風(fēng)格每個人各有所愛，但真實就是真實。
穩(wěn)定的“傻瓜式”相機(jī)表現(xiàn)，讓iPhone用戶遠(yuǎn)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(jī)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(jī)榜單的一席之地。
當(dāng)然，研究算法的投入也是極大的，需要一個龐大的團(tuán)隊，從光穿透第一層手機(jī)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(dú)立的實驗條件下進(jìn)行反復(fù)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(tuán)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(jī)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)校基本要靠買“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(rèn)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(jī)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(jī)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(jī)自己要實時處理的運(yùn)算量就要大得多。
當(dāng)然這對于手機(jī)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(jī)要進(jìn)行多達(dá)1000億次的運(yùn)算!
當(dāng)你的手機(jī)沒有足夠強(qiáng)勁的性能，無法在短時間里進(jìn)行如此龐大的運(yùn)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(jī)后期處理的標(biāo)準(zhǔn)，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(dú)立的ISP和DSP。
Image Signal Processing(ISP，圖像信號處理器)，是在手機(jī)中用來對前端圖像傳感器輸出信號處理的強(qiáng)大處理引擎。負(fù)責(zé)CMOS信號的實時導(dǎo)出，以及照相錄像時的曝光、白平衡、防抖運(yùn)算等。上文提到iPhone 7 能夠在25毫秒的時間里進(jìn)行1000億次運(yùn)算，基本上都是這顆ISP的功勞。
除了蘋果用上了獨(dú)家的ISP，安卓陣營的旗艦芯片也有獨(dú)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(dāng)年阿姆斯特朗登月時還要強(qiáng)大的設(shè)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(jìn)行數(shù)字信號處理運(yùn)算的微處理器。與全知全能的CPU相比，DSP更像是某一領(lǐng)域的專家，在執(zhí)行單項任務(wù)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(qiáng)、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(yīng)，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(jī)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(jī)誕生之日起就一直在演進(jìn)之中。那么為什么要說這些功能很關(guān)鍵呢?
因為許多雙攝的手機(jī)這些關(guān)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(jī)的美感，手機(jī)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(jī)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(jìn)一步節(jié)約鏡組空間，雙攝像頭的手機(jī)往往不支持光學(xué)防抖功能。不過就算是擁有光學(xué)防抖，兩顆攝像頭鏡組還要在抵消抖動時也要嚴(yán)格保持軸矩的同步，這項技術(shù)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(xué)防抖功能(Mate 9)，但光學(xué)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(xué)防抖也缺席，雙攝像頭的手機(jī)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(xué)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(jī)，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(jī)和手機(jī)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(tuán)恐怕要輸?shù)母鼞K些。
當(dāng)然，雙攝其實也并非一無是處，在下一篇中，我們再來聊一聊面對單攝像頭的全面壓制，雙攝像頭手機(jī)是如何反擊的。
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