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廠商把“雙攝像頭”當作一種潮流，然而在國外專業(yè)相機評測機構(gòu)DxOMark的手機拍照天梯中，評分超過85分的11款手機并沒有任何一款雙攝手機的影子。

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

手機要不要上雙攝？雙攝究竟是“雞肋”，還是未來發(fā)展的趨勢？

面對“單攝”手機的屠榜，雙攝乃至多攝像頭手機將如何“力挽狂瀾”呢？“科普”第二彈馬上開車。瓜子花生準備好，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

首先我們來溫習一下，雙攝像頭手機在成像上會輸給單攝手機的兩個根本原因：

機身要容納兩顆CMOS，出于美觀考慮，單顆CMOS面積受限；

為了保證光路穩(wěn)定性，雙攝手機目前還沒有可量產(chǎn)的光學防抖技術(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負責顏色信息（事實上是全部拍照信息），黑白CMOS只負責記錄拍攝物體的灰度信息（當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，我們通常所用的手機CMOS在成像時，每個像素點都是“色盲”：它們只能感應(yīng)光的強度，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度，然后單色光射在感光元件上產(chǎn)生與光強度相對應(yīng)的電流。最后經(jīng)過“反拜耳運算”將陣列中相鄰的四個像素合成，猜出這四個像素點對應(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，這部分電流因為電磁感應(yīng)效應(yīng)，會與感光元件產(chǎn)生的電流發(fā)生串擾，這個串擾我們稱之為“噪聲”，而信號強度和噪聲強度的比值（后稱“信噪比”），則是影響成像的最關(guān)鍵因素。

當像素接收到的光越強，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、偽色噪點等現(xiàn)象。這也就是為什么高端與低端手機白天成像質(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，提高進光量

而黑白雙攝的解決方法屬于：

E、去掉濾光片，減少光強損失

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串擾更小，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減少了一點光線強度的衰減，從硬件層面考慮，充其量只能算是小尺寸CMOS的補救，加上雙攝沒有完善的量產(chǎn)光學防抖解決方案，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)擁有雙攝像頭手機乃至多攝像頭手機，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？

我認為，兩個都重要。這不是在“和稀泥”，因為前者解決的是“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的問題，在將來手機將承載我們更多的任務(wù)。

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

“膠水”雙攝：“模塊化”手機變種

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責成像，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”，但得益于獨立成像，主攝像頭（或兩顆攝像頭）都可以搭載光學防抖功能，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）的標準鏡頭，還搭載了一顆800萬像素的廣角攝像頭，最大廣角端可達135度，能拍攝出相當于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。

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

當然，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。

“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，在標準攝像頭（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。

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于28mm攝像頭2倍光學變焦后的效果，而光學變焦的優(yōu)勢在于對于畫質(zhì)的無損。

不過由于手機的光學構(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，實現(xiàn)全焦段的無損光學變焦。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，在實現(xiàn)方式上借鑒了手機“模塊化”的概念，只不過將兩顆攝像頭都做在了手機上，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，手機運算性能如此強大，為何不能后期處理出“焦外虛化”的照片呢？因為單攝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。因為雙眼視差的存在，你才能看清這一點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雜：在拍攝時，主攝像頭負責當前被攝物體的取景，而景深攝像頭則負責在拍攝的瞬間記錄多張焦點由近至遠的不同照片。然后通過手機的“大腦”——處理器的后期運算，可以判斷場景中其他物體距離拍攝物體的遠近，從而進行不同程度的后期虛化（距離被攝物體焦平面越遠的物體虛化越明顯）。

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)是受限于當時處理器的運算能力，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在手機圈的風生水起，雖然機海戰(zhàn)術(shù)充滿了爭議，但也確實涌現(xiàn)出一系列獨具匠心的產(chǎn)品。其中EVO 3D是全世界首款支持錄制裸眼3D視頻的手機，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，一度被人們認為缺乏實用性，并沒有被推廣開來。

雖然HTC EVO 3D折戟沉沙，但手機對于3D的手機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——Fire Phone。

Fire Phone在硬件構(gòu)造上最特別的，莫過于機身正面擁有5顆攝像頭：除了一顆210萬像素的標準前置攝像頭以外，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，可以實現(xiàn)界面的3D顯示，而且定位精度要好于當時的重力傳感器。

然而Fire Phone看似厲害，但無奈該機出于亞馬遜之手，Prime服務(wù)僅限美國使用，而美國手機必備的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)只是手機上的眾多傳感器之一。

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

AR手機：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（增強現(xiàn)實）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級AR智能手機——聯(lián)想Phab 2 Pro。由于多種原因，這款手機一直推遲到11月才開始上市。

作為世界首款谷歌Project Tango手機，Phab 2 Pro機身背部除了一顆標準的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，一個進行運動追蹤。

得益于兩顆額外的攝像頭，Phab 2 Pro可以實時為用戶周圍的環(huán)境進行3D建模，并在手機屏幕上呈現(xiàn)出增強現(xiàn)實的效果。

你可以在Phab 2 Pro手機上進行AR游戲，

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

當然，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，不僅可以模擬商品在現(xiàn)實中的樣子，還可以陳列出物品的購買信息，協(xié)助下單。

在未來，谷歌還希望這相機書應(yīng)用于室內(nèi)導航和機器人，甚至與自家VR（虛擬現(xiàn)實）平臺“Daydream”結(jié)合，把熟悉的現(xiàn)實環(huán)境帶進虛擬現(xiàn)實世界里。

虹膜識別：當攝像頭遇上安全驗證

雖然如今以指紋作為手機的生物識別方案已經(jīng)相當普及，但是冬天到了，你走在路上，冒著凜冽的寒風，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，那一瞬寒風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，然后通過加密算法這些特征點的向量信息繪制為“虹膜碼”，最后使用虹膜碼進行匹配認證。

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遭遇創(chuàng)新瓶頸，手機產(chǎn)品愈發(fā)同質(zhì)化，廠商們，尤其是高端手機廠商在努力尋求差異化，研發(fā)新的獨占功能保持產(chǎn)品的競爭力以及附加值。

而在尋求人機交互的突破過程中，影像傳感器（攝像頭）的應(yīng)用是不可繞過的一環(huán)。隨著手機所承擔的事物越來越多，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的方式。

就像在喬布斯之前，沒有人會想到手機會變成今天這個樣子。

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