以華為P9為契機淺談雙攝像頭技術的偶然與必然

如今智能手機已經取代了傳統卡片相機，成為我們記錄日常生活點滴記憶的絕配。在經歷像素跨越式的發展歷程之后，雙攝像頭技術又開始嶄露頭角。那么，雙攝像頭能為手機的拍照體驗帶來怎樣的改善？它究竟是歷史的偶然還是必然呢？

光學變焦也能改善拍照體驗

不支持光學變焦一直是智能手機區別于傳統DC的最大缺憾所在。還好，隨著科技的發展，光學變焦已經不再局限于會明顯增加攝像頭模塊厚度的“伸縮式”鏡頭，全新的“潛望式”鏡頭逐漸走向前臺。華碩Zenfone Zoom就是首款支持“潛望式”光學變焦技術的智能手機（圖2），并將產品厚度控制到了相對纖薄的標準上。對手機光學變焦技術感興趣的讀者可參考本刊2016年第4期《光學變焦 手機狙擊DC的終極必殺技》這篇文章，或登錄http：//dwz.cn/39eGeg查看。

攝像頭像素發展遇瓶頸

如何改善手機拍照效果？提升攝像頭的有效像素無疑是最簡單有效的手段。于是，從10萬像素開始，手機的鏡頭逐步經歷了30萬→130萬→320萬→500萬→800萬→1300萬→1600萬→2070萬像素的蛻變。如果以像素稱王，那來自諾基亞的808 PureView和Lumia 1020無疑是“王中王”（圖1），這兩款手機都配備了破天荒的4100萬像素攝像頭。

然而，事實卻證明諾基亞“跑偏了”，一方面是普通用戶根本用不上這么高的像素；另一方面是，在自動拍攝模式下Lumia 1020的拍照效果并不見得比同期的iPhone好多少。最終，業內逐漸形成了一個共識：更快的對焦速度、更好的降噪效果、更真實的色彩還原才是王道。于是，在接下來的一段時間里，手機廠商紛紛以攝像頭的傳感器型號（比如IMX278優于IMX214）、光圈大小（如F1.8大于F2.2）、是否支持激光/相位對焦技術為主打賣點，而像素值則停留在了1200萬～2070萬的區間中。

為什么2070萬像素是一道坎？原因很簡單，在智能手機普遍以“性感為美”的大環境下，手機的整體厚度決定了攝像頭模組的厚度。回顧一下諾基亞808 PureView和Lumia 1020，它們的身材更適合生活在“大唐”年間（以肥/厚為美）。因此，想在攝像頭模組厚度一定的情況下提升拍照效果，雙攝像頭技術就成為了歷史的必然。

雙攝像頭在磨礪中前行

雙攝像頭的發展并非一帆風順，它的歷史最早可以追溯到2011年。這一年，HTC G17和LG Optimus 3D都通過兩顆500萬像素攝像頭（又稱3D攝像頭）獲得了直接拍攝3D照片和視頻的能力（圖3），再結合支持裸眼3D顯示的屏幕，為當年的用戶呈現了一道視覺盛宴。聽起來不錯，可惜這兩款產品的銷量并不理想，而3D攝像頭的概念也隨之淡出市場。

究其原因，是因為3D拍照沒有什么實際意義，而系統和APP領域也缺乏對3D顯示的支持。再加上隨后興起的AR和VR技術，回頭再來看裸眼3D什么的簡直是“弱爆了”。

繼3D攝像頭之后，雙攝像頭又進入了“一大一小”的時代。這個時期最具代表性的手機就是HTC M8（圖4），一顆400萬像素的UltraPixel主攝像頭（大）和一個輔助的景深攝像頭（小）就是“一大一小”雙攝像頭模塊的典型“裝備”（圖5）。其中，主攝像頭負責拍照取景，而輔攝像頭則主要用于測算景深范圍，從而獲得類似先拍照后對焦、背景虛化等類似光場相機的效果。

事實證明，“一大一小”的雙攝像頭只是在景深方面有所建樹，并不能顯著提升畫質。因此，這種雙攝像頭在未來可能只會屬于相對小眾的技術，跟隨者代表有HTC的M9+（2000萬像素+400萬像素）和中興Axon天機（1300萬像素+200萬像素）等（圖6）。對絕大多數手機用戶而言，背景虛化等景深特效雖然好玩，但我們需要的是更為實際的成像質量的提升。于是，“成雙成對”的雙攝像頭方案便出爐了。

2014年底，華為推出了榮耀6 Plus，這款手機的最大特色就是配備了兩顆一模一樣的800萬像素攝像頭，并組成了所謂的“仿生平行雙鏡頭”。這種“成雙成對”雙攝像頭技術的拍照原理是，兩顆攝像頭通過三角測距原理能記錄70mm到無窮遠的全景深信息，使得手機也能拍出單反級的背景虛化照片，縮短對焦速度，讓進光量和感光面積×2，提高逆光等高反差環境的成像效果。

可惜，“成雙成對”雙攝像頭屬于“三高”技術：成本高，采購兩顆高品質的主攝像頭并不便宜；設計難度高，為了確保影像捕捉的同步，兩顆攝像頭必須100%處于同一平面，需要使用相對位置和角度毫厘不差的鏡頭框架（圖7），生產工藝很難；軟件算法優化難度高，想讓雙鏡頭能夠完美并用需要極高的軟件算法優化實力，否則很難發揮出雙攝像頭的優勢，反而成為拖累最終畫質的瓶頸。

因此，繼榮耀6 Plus之后，至今也沒有第二款采用“成雙成對”雙攝像頭技術的手機出現。而華為最新的P9，也舍棄了榮耀6 Plus的“原創設計”，改用了另一種比較成熟的雙攝像頭技術：一黑（白）一彩（色）。

一黑一彩雙攝像頭技術解析

最早將一黑一彩概念引入手機領域的型號為奇酷360旗艦版，該產品配備了一顆1300萬像素的IMX278彩色傳感器和一顆定制版的IMX MONO黑白傳感器（IMX214，同樣是1300萬像素）（圖8）。在我們拍照的一瞬間，兩顆攝像頭便開展了一場攜手之旅。

我們都知道，智能手機所配備的CMOS彩色傳感器原本只能感應光線的強度，只能記錄黑白灰而不能記錄光線的顏色。為了拍出彩色的照片，每一顆CMOS彩色傳感器都需要加上一層“拜耳濾鏡”才能獲得記錄色彩的能力。但是，使用拜耳濾鏡的“后遺癥”就是會擋住2/3的光線，實際照射到CMOS上的光線只剩下原先的1/3（圖9），這就導致在光線不好的環境下噪點增加或極易拍虛。

而IMX MONO黑白傳感器，它的本質就是拿掉了“拜耳濾鏡”的彩色傳感器，雖然它變成了徹頭徹尾的“色盲”（只能記錄黑白灰），但卻獲得了3倍的進光量，所有光線都直接傳到傳感器并被捕捉，將拜爾濾鏡損失的那些東西重新找了回來，因此可以有效提高像素細節。

當手機拍攝照片時，CMOS彩色傳感器和IMX MONO黑白傳感器會同時記錄鏡頭前的景物。其中，彩色傳感器負責強化色彩還原，黑白傳感器則負責強化畫面細節捕捉。然后，圖像處理器（ISP）和軟件算法會對兩張彩色和黑白照片進行合成（圖10），最終獲得一張擁有極高清晰度、細節和逼真色彩還原的照片，在暗光和逆光的環境下效果更為出眾。

華為P9和奇酷360旗艦版的雙攝像頭技術原理相同，只是改用了1200萬像素的IMX286彩色傳感器和索尼定制的1200萬像素IMX MONO黑白傳感器，并選用了符合徠卡認證標準的鏡頭（圖11），而徠卡也參與到了影響成像質量的軟件調校中來，讓最終的成像效果有了濃烈的“德味”風格。

小 結

雖然配備雙攝像頭的手機在整個市場中還處于“少數派”，但這一趨勢卻已成必然。有消息稱，蘋果新一代iPhone 7也有望引入雙攝像頭技術，并極有可能新興的“一廣一窄”類型，即讓兩顆攝像頭以不同的焦段同時拍攝一幅遠景和一幅近景，從而獲得類似光學變焦的無損放大效果。總之，在未來的一段時間內，“一黑一彩”將成為雙攝像頭技術中的主流，但手機到底能發揮出雙攝像頭的幾成功力，還得落實到手機廠商在相機APP成像算法優化的“軟實力”上。