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雙攝像頭

榮耀V8雙攝像頭原理揭秘

   當下,智能手機拍照的使用頻次已僅次于通訊,而手機拍照性能也越來越強大,2000年到現(xiàn)在,手機攝像頭的像素數(shù)從最初的11萬提升到最高4100萬。但是單攝像頭現(xiàn)在已經開始面臨瓶頸。

  從目前來看,大部分手機采用的單攝像頭方案主要存在以下幾個問題:

  1、像素越高,相同感光面積下,pixelsize(單位像素面積)就會越小,導致暗光下成像效果越差;

  2、如果維持單位像素面積提高像素數(shù)量,那就意味著模組會更厚,攝像頭凸起,即使iPhone6s也不能避免;

  3、在場景營造上,和單反差距較大,例如動態(tài)范圍呈現(xiàn)(逆光等高光比環(huán)境呈現(xiàn))、暗光下的細節(jié)呈現(xiàn)、背景虛化能力普遍偏弱;

  4、對焦速度上,激光對焦、PDAF對焦等單一對焦方案都各有利弊,沒有互補的對焦方案。

  榮耀最新發(fā)布的榮耀V8采用了后置雙1200萬像素的攝像頭,顯然,是為了解決單攝像頭的缺憾而推出。那么它的成像原理是什么,相對于單攝像頭的方案又有什么優(yōu)勢呢?我們在此簡單分析一下。

  硬件規(guī)格:

  榮耀V8采用了后置雙1200萬攝像頭,分別是1200萬像素的彩色sensor和1200萬像素的黑白sensor,單顆攝像頭的pixelsize達到1.25μm,采用6P非球面鏡片,雙攝像頭的等效pixelsize達到1.76μm。單反級的獨立ISP+獨立的深度ISP,激光對焦+深度對焦+反差對焦的混合對焦方案等等。

榮耀V8雙攝像頭原理揭秘
  技術原理:

  從拍照過程上來看,榮耀V8的雙鏡頭方案與傳統(tǒng)的單鏡頭方案一樣,簡單來說就是取景→對焦→曝光→機內處理→照片呈現(xiàn),只不過由于榮耀V8的兩顆攝像頭各有分工,黑白sensor勾勒輪廓,彩色sensor還原色彩,因此在機內合成的過程中多了一個迭代合成的過程。

榮耀V8雙攝像頭原理揭秘
  榮耀V8成像過程示意

  雙攝像頭優(yōu)勢:

  1、pixelsize更大

  從直觀感受上來說,單反相機往往體積碩大,機內空間充足,可以使用全畫幅、APS-C畫幅的CMOS/CCD。而智能手機作為我們日常隨身攜帶的移動終端設備,對機身體積有很高的要求,機內空間更是極其有限,所以只能采用盡量小巧的CMOS。

榮耀V8雙攝像頭原理揭秘
  全畫幅CMOS與手機感光元件面積對比

  而pixel(像素)通俗地將就是在感光元件上的花粉的小方格,比如100萬像素的COMS,就是說這塊CMOS被劃分成了100萬個小方格。因此,在感光元件面積一定的情況下,像素數(shù)越高,pixelsize就越小,理論上圖像的噪聲越大,動態(tài)范圍幅度更小,并且可能受到彌散圓的影響,即像素之間的互相影響(DTI技術的作用就是減弱這種影響)。

榮耀V8雙攝像頭原理揭秘

  反之,pixelsize越大,圖像的噪聲和動態(tài)范圍也就可以控制的更好,而且受彌散圓的影響也更小。

  所以pixelsize和圖像分辨率是一對矛盾體,蘋果此前一直采用800W的低像素攝像頭,很大原因就是為了保持大pixelsize。

  榮耀V8的兩顆sensor都是1200W像素,單個像素尺寸面積達到1.25μm,但由于兩顆攝像頭都參與成像,因此照片上的每一個點實際是兩顆CMOS像素點共同呈現(xiàn)的結果。當然在這個過程中圖像不是簡單的疊加,根據(jù)榮耀官方給出的數(shù)據(jù),通過算法合成后榮耀V8的等效pixelsize相當于1.76μm。而拍照效果已經不錯的iPhone6sPlus,pixelsize為1.22微米。

  此外,榮耀V8搭載的兩顆1200萬的攝像頭中,黑白sensor勾勒輪廓,彩色sensor還原色彩。而黑白sensor的pixelsize(單像素尺寸)是彩色sensor的3~4倍,原因是在彩色sensor中,每一個彩色pixel又會被分為四份,分別用于抓取R、G、B三種原色,而黑白sensor的每個pixel要么是黑、要么是白,即單個pixel只有黑或白一個選擇。從顏色的pixelsize上看,黑白sensor的單個色彩感光面積是彩色sensor的3到4倍。

榮耀V8雙攝像頭原理揭秘
  彩色sensor像素排布示意

  pixelsize增大,帶來的成像質量改變是決定性的,例如逆光等高光比環(huán)境下拍攝的照片,高光區(qū)域不過曝、暗部區(qū)域不欠曝;感光能力更強,夜景、室內燈暗光環(huán)境下拍攝的照片細節(jié)呈現(xiàn)更出色、噪點更少等。

榮耀V8雙攝像頭原理揭秘

榮耀V8雙攝像頭原理揭秘
  榮耀V8夜景照片

  2、場景營造能力加強

  上文中已經說明,pixelsize越高,動態(tài)范圍呈現(xiàn)能力越強,所以理論上擁有高pixelsize的榮耀V8動態(tài)范圍呈現(xiàn)能力要優(yōu)于傳統(tǒng)的單攝像頭手機。

  此外榮耀V8在進行HDR拍攝時,相比單顆攝像頭HDR模式下的先高曝光再低曝光隨后合成的串行模式,榮耀V8可以兩顆1200萬攝像頭同時分工拍攝高曝光和低曝光模式下的照片并經過3IE2.0算法系統(tǒng)合成,并行曝光處理,使拍攝速度和質量都能夠更高。

  而景深的表現(xiàn)能力(即通俗說的背景虛化能力)則比較復雜,看下面的景深公式;
榮耀V8雙攝像頭原理揭秘
  根據(jù)上面的公式,鏡頭焦距、拍攝光圈值、物距對于景深的影響較大,容許彌散圓直徑非常小。

  手機的光圈雖然普遍已經做到了2.X甚至1.X級別,但由于鏡頭模組體積限制,一般使用的都是廣角鏡頭,因此想要達到淺景深的效果相對比較難。

  此前HTCM8Duo的解決方案是通過副攝像頭記錄空間的深度信息,對焦點處保持清晰,而非焦點范圍內的影像則通過軟件算法進行虛化,這樣就能創(chuàng)造出主體清晰而背景虛化的景深照片。同時拍照時相片各像素點的深度資料被DuoCamera記錄下?恚?傭?市磧沒?惱蘸蠖越埂?/p>

  但HTCM8Duo的缺點也顯而易見,副攝像頭不參與成像,而只有400W像素的主攝像頭解析力太低。

  榮耀V8在雙攝像頭高成像質量的前提下,還搭載了獨立的深度ISP,用于記錄場景的深度信息,可以調節(jié)從F0.95-F16的光圈,從而不僅能夠實現(xiàn)大光圈拍照,還允許用戶拍照前后選擇光圈值與焦點,此外調整的效果還可以實時預覽。這樣,用戶不僅可以拍攝出背景虛化的照片,還可以邊調整邊預覽從而得到最佳的照片效果。

  大光圈的好處是,拍花卉、工藝品、人像時,可以很輕易把主體拍攝物體從背景畫面瞧見顯出來,實現(xiàn)很好的背景虛化,而在此前只有單反相機才能實現(xiàn)。
榮耀V8雙攝像頭原理揭秘
  榮耀V8大光圈可調及實時預覽

  3、更快速的精準對焦

  傳統(tǒng)的單攝像頭手機對焦方式主要分為兩種,一種是純反差對焦,但單一的反差對焦在拍攝細節(jié)較少或較暗的場景是,會出現(xiàn)無法對焦的情況(攝影圈所說的“拉風箱”);另一種是混合對焦,即包括相位對焦、激光對焦與反差對焦的其中兩種。

  榮耀V8采用的是激光對焦+景深對焦+反差對焦的混合對焦方案,三個原理互相補充,并集成了closeloop中置馬達,對焦速度更快、對焦精度更高。

  對焦過程上,在1.2米以內,利用激光對焦進快速對焦,由于激光往返時間極短(S=VT),并且不依賴光線,所以對焦速度和暗光下對焦效果很好,對焦的誤差精度可以控制在2%以內。同時,依據(jù)三角測距原理(依托于雙攝像頭的景深對焦方案),對焦物體的精度進行微調,使深度信息更準確,抓取的深度信息更豐滿。

  激光的缺點是在遠距離上會出現(xiàn)大幅度衰減,因此在遠距離的對焦上,主要使用景深對焦進行測距。

榮耀V8雙攝像頭原理揭秘
  景深對焦原理

  在少數(shù)情況下激光對焦和景深對焦失敗時,用常用的反差對焦方案進行補充。

  通過三種對焦方式的優(yōu)勢互補,從而能夠實現(xiàn)對焦更快、更準。

  當然這里要說明的是,對于任何拍照設備而言,即便是同一設備,在不同場景下完成對焦的時間也不同。某品牌曾經說自己的產品可以做到0秒對焦,完全是營銷人員不尊重科學的虛假宣傳。

  通過以上的解釋,可能有人會問,既然榮耀V8的雙攝像頭方案這么好,為什么沒有被大規(guī)模采用呢?這要從結構和算法兩方面上來解釋。

  首先,從結構上來說,雙攝像頭并不是簡單地將兩顆攝像頭排布在一起,兩顆攝像頭之間的距離和夾角都非常有講究:距離過近,景深對焦的精度會降低;距離過遠或夾角過大,則會導致成像不一致,合成照片是損失像素數(shù)量或合成照片質量下降。

榮耀V8雙攝像頭原理揭秘

  從穩(wěn)定性上講,雙攝像頭除了考慮單攝像頭相對機身的穩(wěn)定性外,還需要考慮模組本身的穩(wěn)定性,以免用戶在長時間使用過程中出現(xiàn)拍照質量下降的問題。

  因此,在鏡頭模組的組裝、調教、固定、監(jiān)測上就需要加強,一個環(huán)節(jié)不到位,就有可能導致良品率下降甚至是產品缺陷,對于中小廠家來說,很容易費力不討好。

  而從算法上來說,除了單攝像頭方案需要考慮的所有問題外,雙攝像頭方案的算法中還需增加兩顆sensor抓取圖像的合成算法等,單是兩個圖像的合成校準就需要做大量的工作,這也是一般中小廠家難以做到的。

  通過以上的解讀,相信大家對于榮耀V8的雙攝像頭拍照原理和優(yōu)勢有了更進一步的了解,而榮耀V8帶來的諸如大光圈拍照、超級夜景等可玩性極高的拍照功能,則需要大家親手體驗了。

  4、控制鏡頭組厚度

  單鏡頭組件如果在保證單位像素面積的前提下提高像素數(shù)量,那么就需要增大感光元件面積,反之亦然。

榮耀V8雙攝像頭原理揭秘

  原因是感光元件面積增大后,就需要使用孔徑更大的鏡頭,考慮到鏡片的弧度(即使是非球面鏡片,也不可能是純平的),鏡頭組會更厚,從而導致攝像頭凸起。

  而榮耀V8使用雙鏡頭模組,在保證像素數(shù)量的情況下通過雙sensor合成的方案進一步增大pixelsize,從而保證了相機模組厚度,因此我們看到榮耀V8并沒有出現(xiàn)iPhone6s等手機攝像頭凸起的情況。說明榮耀在做工上的頂級水平。
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