為啥手機上攝像頭越來越多?廠商不知道這樣很丑嗎?

硬件

2019-12-30 17:23

本文來自微信公眾號「果殼」(ID:Guokr42),作者半之,愛范兒經授權發布。

近幾年手機的發展速度越來越快,除了不斷提高的硬件配置,還有一個現象讓很多人理解不能,那就是技能樹越來越歪的攝像頭

以前的手機,只在背后有一個安安靜靜的攝像頭,一點也不出戲。而現在的手機,「二餅」「三筒」甚至「浴霸」層出不窮。這些讓手機變得越來越「丑」的攝像頭到底有啥用呢?

▲ Light L16 16 攝數碼相機,密恐的你怕了嗎?| theverge.com

雙攝手機上的倆攝像頭都是干啥的?

要解釋三攝、四攝的原因,還得從雙攝說起。雖然目前市面上支持雙攝的手機五花八門,但絕大部分都是一個主攝像頭搭配一個輔助攝像頭,根據拍照側重點不同,一般搭配方式有四種:

彩色攝像頭 + 黑白攝像頭

彩色攝像頭 + 彩色(景深)攝像頭

彩色(廣角)攝像頭 + 彩色(長焦)攝像頭

彩色攝像頭 + 深度攝像頭

其中前三種是目前手機上最常見的搭配方式。這三種方式成像的本質是將兩個攝像頭拍攝的圖片進行處理與疊加,從而達到不同的成像效果。為了圖像處理的準確性,兩張圖片的差異不能太大,所以所有的雙攝手機兩個攝像頭距離都很近

彩色攝像頭+黑白攝像頭:實現更清晰的夜景拍照。

夜景條件下因為光線太暗,我們拍出來的照片經常是黑乎乎的一片,啥也看不清。想讓夜景條件下拍攝的照片更加清晰,就需要增加進光量,增加進光量的方式有三種:增大光圈延長曝光時間提高 ISO 感光度。目前絕大多數手機上的光圈都是不可調節的。延長曝光時間雖然能增加進光量但會帶來抖動的問題,雖然目前大多數手機廠商都配備了光學防抖功能,但光學防抖的能力畢竟是有限度的。

數碼相機本質上是光電轉換,提高感光度,相當于在光信號變成電信號時乘一個倍數,電子噪音也可能會被當做正常信號記錄下來,這樣會增加照片上的噪點,使照片不清晰。

當物理性增加進光量的方法在手機上遇到了瓶頸,就需要請出算法的力量了。

在這里首先要引出一個概念:拜爾濾色鏡(Bayer Filter)。目前數碼相機、掃描儀等設備的圖像傳感器大多使用它來制作彩色圖像。我們使用彩色攝像頭拍照時,自然光會被拜爾濾色鏡過濾,經過一系列復雜的排列和算法,最終生成彩色圖像。在這個過程中,光線是有損耗的。而黑白攝像頭沒有配備拜爾濾色鏡,會讓所有的光線都通過,獲得更高的進光量,拍攝出來的圖像更加清晰,細節保留的更多。

夜景條件下,以清晰的黑白圖像為基準與彩色圖像融合,就能得到一張效果更好的照片。

彩色攝像頭+彩色(景深)攝像頭,帶來優美的背景虛化。

景深是啥?我們拍照時,被拍攝的物體(焦點)前后景物有一段清晰的范圍,這個前后范圍就是景深。單反拍攝人像或特寫時,虛化背景,突出被拍攝主體就是通過調節景深做到的。

▲ 背景虛化特寫 | 作者供圖

單反實現這一點是通過調節鏡頭光圈做到的,前邊我們已經說過目前絕大多數手機上的光圈都是不可調節的。所以想要拍攝背景虛化的人像特寫,在手機上又遇到瓶頸了,于是我們再次請出算法的力量。

首先我們先做一個實驗,閉上一只眼,左右手各拿一支筆,兩支筆保持水平并且和眼睛等高,然后將兩支筆筆尖對碰。是不是發現兩支筆尖經常碰不到一起,但是如果兩只眼睛都睜開,筆尖就總是能準確的碰到一起。這個實驗用的是三角定位法。三角定位法是利用 2 臺或以上的探測器在不同方位探測目標,然后利用三角幾何原理確定目標的位置和距離。

▲ 三角定位法 | csdn

雙攝手機模擬單反的虛化效果就是利用的三角定位法。首先利用兩個攝像頭確定出照片內物體在空間上的前后距離,也就是景深信息;然后根據景深信息將照片中的物體劃分平面;最后根據需求選擇相應的平面,比如人像模式下,選擇出人像所在的平面,然后對其他平面進行虛化處理,就得到一張人像清晰但背景虛化的照片了。當然這個虛化過程也需要強大的算法保證,在這里我們就不贅述了。

彩色(廣角)攝像頭+彩色(長焦)攝像頭,提供更好的變焦能力。

廣角和長焦是什么?廣角鏡頭焦距短視角大,適合拍攝面積很大的景物;長焦鏡頭視角小但焦距大,適合拍攝距離較遠的物體。通俗來說,廣角拍的范圍大,長焦拍的距離遠

▲ 廣角鏡頭(上圖)和長焦鏡頭(下圖)拍攝的照片 | 圖蟲創意

單反鏡頭改變焦距的方式是光學變焦,就是通過前后移動鏡頭中的鏡片來改變視角和焦距。使用這種方式達到變焦的目的就必須在鏡頭中留出鏡片移動的空間,所以一般變焦鏡頭的體積都很大。受限于手機的體積和厚度,光學變焦在手機上又雙叒叕遇到了瓶頸。

▲ 這種騷操作手機可來不了 | reddit

不對呀!有些人可能會問,以前我那只有一個攝像頭的手機也可以變焦的呀!這就不得不提到另一種變焦方式了:數碼變焦。所謂的數碼變焦其實只是將取景器上其中一部分放大而已,這就不難解釋為啥以前的單攝像頭手機變焦后后圖片會變得不清晰了。

這種攝像頭的組合方式可以通過切換攝像頭與融合兩個攝像頭拍攝的照片來達到更好的變焦效果,獲取更清晰的變焦照片。這種方式依舊不是真正的光學變焦,但變焦效果比單攝像頭強了不少。

彩色攝像頭+深度攝像頭: 可用于人臉識別、AR、三維空間測量等領域。

深度攝像頭是能測量被拍攝物體到鏡頭之間物理距離的攝像頭。這種組合方式可以獲得真實的三維圖像,在未來有很廣泛的應用空間,但目前手機上使用的較少,就不過多介紹了。

所以回到我們最開始的問題,為啥手機上攝像頭越來越多了?

三攝、四攝的原理與雙攝是相同的,只不過在雙攝的基礎上,添加更多的攝像頭可以完成更加豐富的組合
除此之外,攝像頭本身的成本是不高的,手機廠商通過更多攝像頭的組合可以用較低的成本營造一種手機拍照很厲害這很旗艦的感覺,更有利于手機的宣傳與銷售。

手機能否取代單反?

這些年手機的像素是越來越高,甚至都達到一億像素了,因此就有不少人說:「手機拍照比肩相機」、「吊打單反」等。那么手機拍照真的可以取代單反嗎像素是越高越好嗎

答案是:No

這就要請出一位重要的角色了:圖像傳感器。圖像傳感器就是把攝像頭接收到的光信號轉化成電子信號的感光元件,對于拍照設備來說,它就相當于人的眼睛。所以圖像傳感器的好壞,基本上可以決定照片的好壞。但受限于目前的技術,手機上圖像傳感器的尺寸不能放大

我們平時說的,相機 2000 萬像素就是指圖像傳感器上有 2000 萬個感光點。拍照時,感光點記錄下光線的明暗和顏色,生成一個像素,最終所有的像素共同組成一張照片。像素(感光點)越多,拍出來的照片放大后就越清晰。

這樣看起來好像像素越高越好呀,其實未必。對于同一個圖像傳感器,我們可以把它分割出 2000 萬個感光點,也可以分割 4000 萬個感光點。這樣雖然感光點數量多了,但每個感光點的面積卻小了,所以每個感光點能接收到的光線也變少了,而這會影響畫質呈現。

所以,照片拍得好,最重要的一點就是圖像傳感器能接受并處理的光信號的量。攝影圈流行一句話:底大一級壓死人,就是指大尺寸圖像傳感器的成像質量要壓死小尺寸圖像傳感器。至于手機為啥不能取代單反,這張把手機的圖像傳感器 P 到單反上(紅圈里的是手機的圖像傳感器)的圖片,可以說是很精髓了。

▲ 手機的圖像傳感器和單反的對比 | 富士數碼

這「眼睛」一對比,簡直比李榮浩和楊丞琳還要明顯了好嘛!

參考文獻

[1]?https://snapshot.canon-asia.com/article/zh/lesson-5-what-is-iso-speed

[2]https://en.wikipedia.org/wiki/Bayer_filter

[3]https://en.wikipedia.org/wiki/Time_of_flight

[4]https://en.wikipedia.org/wiki/Charge-coupled_device[5] https://en.wikipedia.org/wiki/CMOS

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