聊一聊智慧型手機的雙攝像頭

現在雙攝像頭甚至三攝像頭設計的智慧型手機已經越來越普及，連千元級的產品都在跟風。這其中有噱頭成分，當然也有真材實料。我們很反感誇大宣傳雙攝像頭的功用，但也有技術因素，雙攝像頭給人很大的想像空間，它背後的技術很值得關注，這篇文章我們就來聊聊雙攝像頭。

雙攝像頭機型大致可分為兩種類型：

1.對稱型

榮耀6 Plus(左)和華為P9(右)

榮耀6 Plus和華為P9均採用了雙攝像頭設計，兩枚攝像頭的光圈、感光器尺寸均一致，外觀上也沒有區別。華為P9相對特殊一點，它的兩個攝像頭由一個彩色和一個黑白攝像頭組成，除此之外，像素數、感光器尺寸等等都一樣。這樣的設計，均被視為對稱型。

2.非對稱型

HTC One M8(左)和LG G5(you)

非對稱型很容易理解，兩枚攝像頭並不相同，從外觀上就能看出差別，而鏡頭光圈、感光器參數也均不一樣。HTC One M8雙攝像頭有主副之分，主攝像頭負責成像，而副攝像頭用於協助主攝像頭完成景深探測，並不直接參與到畫質改善當中。而LG G5則是很簡單粗暴地將兩個焦距不同的攝像頭組合在一起，一個等效28毫米，一個約等效9毫米，結合長寬比的切換，提供了更多的焦距選擇。這種兩個攝像頭參數明顯不一致的設計，被稱作非對稱設計。

亞馬遜 Fire Phon'e

亞馬遜Fire Phone是手機圈的一股泥石流，它正面一共有五個攝像頭，一個為標準前置攝像頭，而其他四個紅外攝像頭用於偵測體感以協助實現亞馬遜引以為榮的3D交互，雖然這款手機很失敗，但它也很好地證明了攝像頭能做的事情不只是拍照。

雙攝像頭的功能

與單攝像頭不一樣的功能才是雙攝像頭存在的意義，關於雙攝像頭的應用前景，業界的腦洞是相當大的，但兌現靈感還需時間。 當前主要有以下幾種功能：

模擬淺景深

華為P9拍攝出具有景深的照片

國產手機無一例外將淺景深模擬雙攝像頭的重要賣點，但要做好真的很難，它依賴精確的算法，硬體上還需要進一步增強。

通過3D渲染來模擬雙攝像頭

我們用3D渲染軟體來模擬雙攝像頭是如何剝離主體的。模擬場景中，雙攝像頭同時注視一個點，它們的焦點是重合的。因為攝像頭的位置不同，所以有一定的機位差，從而導致像差。

左右兩顆攝像頭分別看到的茶壺

然後我們分別渲染兩臺虛擬攝像頭看到的畫面，這麼放在一起，很難看出大的不同。

左右圖像疊加後的效果

如果將兩張圖疊加到一起，就看到玄機了。圖像並不是完全相同，疊加讓茶壺的左右側產生了重影，重影的部分就是相差。越靠外，重影越大，越居中，重影越小。而這些重影，基本上也是茶壺的輪廓。這就是雙攝像頭剝離主體對象的基本原理。但你也很快發現，這種剝離方法並不能得到精確的輪廓，遠比不上人肉摳圖的精度。不管是華為還是小米，其雙攝像頭的淺景深模擬功能都很初級，看看小圖可能還行，放大就漏洞百出了。

矩陣鏡頭

Pelican Imaging 3D攝像頭

說到這裡，我們可以談起一個變態設計了，就是來自Pelican Imaging的鏡頭陣列。它始終沒有商用，還在試驗階段。這個設計又演化出了新的版本，它的設計核心就是靠更多的攝像頭來實現更多像差的採樣，從而得到更加精準的輪廓。

LINX Imaging的攝像頭方案

無獨有偶，LINX Imaging也有類似的陣列方案，它實現的功能也是剝離主體，背景分離，對被攝對象進行3D化。比還在紙上談兵的Pelican Imaging幸運的是，LINX已被蘋果收購，iPhone智慧型手機上已經採用了它們的技術。

2.圖像增強

圖像增強包括許多方面的應用，例如雙攝像頭同時拍攝，然後進行合成處理，包括降噪、HDR等等，圖像增強的應用只適合對稱型的雙攝像頭設計。

雙攝(左)和單攝(右)拍攝同一個場景

實際使用會發現，要做到真正意義上的顯著增強，其實很難，因為兩枚攝像頭所採集到的畫面並不是完全一樣，所以合成時或者要矯正，或者只能對重疊部分增強。不管如何，是做不到1+1=2的效果，例如華為P9，雖然理論上它採用了類似的技術應用，但比起優秀的單攝像頭機型，畫質上並沒有任何優勢。圖像增強的核心仍舊是算法，而雙攝像頭的意義是採樣倍率提高了一倍。

3.模擬變焦

由於手機本身體積的限制，實現光學變焦是比較困難的事情，雖然有過不少光學變焦硬塞到手機的例子，但都已被歷史所淹沒。所以出現了利用原生16:9和裁切到4:3的方法提供兩種焦距，也有諾基亞Lumia系列那樣通過感光器冗餘設計實現兩個焦距的選擇，而用戶需要的是更多、更多和更多。LG G5乾脆提供了兩個焦距不一樣的攝像頭，結合原生16:9的設計，提供了更多的焦距選擇。對稱型的雙攝像頭又如何提供不同的焦距呢？

雙眼小黃人和單眼小黃人

請睜開你的雙眼，然後閉上其中的一隻，發現了什麼？你是不是發現視野不一樣？雙眼的寬，而單眼的窄。是的，人就是對稱型雙攝像頭設計，單眼焦距約等效50毫米，雙眼則約等效於35毫米。那麼，對稱型的雙攝像頭的變焦方案就出來了，單攝像頭採樣、雙攝像頭採樣、雙攝像頭的交集採樣、對交集部分進行裁切採樣、對交集部分進行多幀裁切採樣等等，理論上可以實現部分的無損變焦，和部分損害相對小的有損變焦。理論要兌現，依然少不了強力算法的支持。

變色龍

如果你的眼珠子能像變色龍那樣朝向不同方向，那麼你的視野範圍還可以更大。人做不到，但攝像頭做得到，利用對變色龍眼睛的仿生可以實現更大的採樣視野，這樣也就更方便模擬更大的廣角視野了。

3D視頻拍攝設備

3D視頻是一個可能的項目，但目前還沒有手機廠商推出這個功能。3D視頻需要雙攝像頭支持，而且必須是對稱型設計的。但要拍出「真實的縱深感」，需要攝像頭保持距離，多少合適？人眼的瞳距就是合適的，約6-7釐米。顯然，目前沒有一款雙攝像頭手機能非常好地滿足這一點，不過難說以後腦洞大開的廠商用特殊的外殼加外置攝像頭來協同主攝像頭來實現3D視頻拍攝。

4.人臉識別和體感

蘋果iPhone X具有3D人臉識別功能

英特爾RealSense技術裝備的手機

刷臉已經成為一種實用性生物認證技術，目前已經運用到一些智慧型手機當中，例如蘋果的iPhone X，它是通過雙攝像頭實現的，一枚普通的前置攝像頭加上一顆紅外攝像頭，實現對人臉包括瞳孔的信息進行3D化建模，依靠相片是無法欺騙認證的。英特爾也正在致力於將Realsense 推廣到手機平臺，利用英特爾的算法包，Realsense可以實現類似於Kinect的體感應用或者3D建模。這些技術可以用於AR、VR、運動拍攝等應用場景，用手機配套的VR頭盔配合手機實現類似於HoloLens那樣的體驗也是有可能的。而Google的Project Tango，也是這麼一個類似的開發項目。

雙攝像頭背後的算法研發

要讓雙攝像頭真正發揮到明顯優於單攝像頭，需要強勁的算法支持，而這恰恰是目前極為匱乏的，硬體反而不算什麼，有錢能解決硬體問題解決不了軟體問題。晶片廠商都在開發自己的方案，包括高通、聯發科以及華為海思。感光器廠商也在努力，包括索尼、三星和OmniVision。對於大金主，就是買買買，例如蘋果收購LINX。一些傳統的圖像算法提供商或者業界老司機也在向第三方提供算法，例如Acrsoft和Altek。微軟和英特爾這樣資深科技公司，在體感、3D建模等方面有著先人一步甚至幾步的技術優勢，它們會影響到畫質以外的雙攝像頭應用領域。

真正重要的是算法，算法優秀，才能顯出雙攝像頭的硬體優勢，這樣的觀點，我們反覆提及，因為，國產手機比起洋手機更熱衷於雙攝像頭，並不是因為國產手機的技術先進，而是大部分人消費者簡單地認為兩個就比一個強，你來我往，互相迎合。在這種認識基礎上，出現各種漫無邊際的吹噓，甚至神化，一不小心單反都被滅了，居然還有人信，居然還被點燃了愛國心，真的是要「呵呵」了。

雙攝像頭的前景

對於雙攝像頭(包括多攝像頭)的前景，我們非常看好，雙攝像頭如果應用得當，手機將不只是卡片相機殺手的角色了，它將走出一條具有智慧型手機特色的拍攝體驗之路。攝像頭的功能也不再是簡單的拍照工具，而是更為豐富的測量和交互的輔助傳感器，它將成為智能設備的眼睛，這將是一次真正意義上的進步，它不但影響智慧型手機行業，還會深刻地影響到智慧機器人、安防等領域。

雙攝像頭機型如雨後春筍一樣出現，但希望各路廠商珍惜市場機會，不要透支信用，過度的誇大宣傳只會讓人對雙攝像頭生厭。別讓雙攝像頭變成商業營銷的附屬品，而是成為一次真正的技術革新。至於技術，我們不擔心，突破是必然的，不浮躁能少走彎路，更快突破。