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智能手机双摄像头原理解析:广角+长焦

智能手机双摄像头原理解析(上)中介绍了普通彩色相机+ 彩色相机、彩色相机 + 黑白相机的组合方式。下面继续说说广角镜头 + 长焦镜头的组合方式。这种组合最大的优势是光学变焦(optical zoom)。

先来看看什么是光学变焦吧。

光学变焦镜头通常是由多组独立的凸/凹透镜组成的,有的透镜是固定的,有的是可以沿光轴前后滑动的。复杂的变焦镜头可以包含多达三十多个独立的透镜以及多个移动部件。

虽然变焦镜头的组成比较复杂,但是可以按照功能划分为两部分:无焦变焦系统( afocal zoom system)和聚焦透镜(focusing lens)。如下图所示。

变焦的功能主要通过改变无焦变焦系统来实现,它由多个固定的和可移动的透镜组合而成,但是并不进行聚焦,它通过改变光束穿过透镜的位置来达到变焦的目的。以三个镜头为例进行说明。下图中L1,L3是凸透镜,用来汇聚光线,L2是凹透镜,用来发散光线。其中L3是固定的。L1,L2是可以沿着光轴移动的,这种移动非常微小,一般通过齿轮凸轮等传统的机械传动方式实现,或者更高级的私服系统来实现。下图中L2透镜从左向右移动,靠近L3,同时L1透镜先向左移动再向右移动。从图中可以看到这种组合移动的结果放大了透镜组的视场角,从而改变了整个透镜组的焦距。

如果有点蒙圈,参看下面这个简化版的变焦动态图,可能更容易理解。

说到了光学变焦,不得不提一下数字变焦。

数字变焦(digital zoom)和光学变焦(optical zoom)有着本质的不同,可以简单的认为数字变焦为“假变焦”。为什么说它假呢?粗糙的类比一下,数字变焦相当于你把照片放在一个图像编辑软件里,裁掉周围的一部分图像,然后把剩下的一部分放大。所以你看,数字变焦仅仅是一个类似放大的效果,并不能真正的起到变焦作用,所以数字变焦的结果通常噪点较多,图像比较模糊。下图是光学变焦和数字变焦的直观对比:

一直以来绝大多手机对于变焦(或者说远距离拍摄)的需求,都是通过严重压缩画质的数字变焦来完成。因此光学变焦是目前用户对于手机拍照功能的主要诉求点之一。但如前面所述,变焦镜头非常依赖于光学透镜的组合设计,因此想在单摄像头上实现光学变焦对于手机摄像头模组的厚度、复杂度和整体外观设计带来巨大的挑战。限于手机机身厚度,想做出不伸出机身外的变焦摄像头几乎不可能。

但是老话说的好,条条大路通罗马,何必吊死一棵树。单镜头既然不行,用两个镜头是不是可以呢?

双摄像头的理论基础,就是把原本要求纵向空间的光学体系,在横向空间里宽裕的机身平面上铺开。现今手机厚度已经不可逆转的向7mm甚至更薄发展,但横向看机背上与屏幕平行的平面的空间是足够的。说白了,比起把镜头做得不突出机身,在机背上多放几个镜头明显要更容易。

经过相机模组厂商和算法提供商的严苛研发和测试,目前广角+长焦的双摄像头的组合变焦方案逐渐被业界广泛接纳。这其实是一种非常朴素的变焦思路:用两个焦距不同的摄像头搭配,宽视角的广角镜头可以“看”的很广,但是“看”不清远处的物体,而窄视角的长焦镜头虽然“看”的范围不大,但是“看”的更远更清晰。广角和长焦镜头组合搭配,在拍照时通过镜头切换和融合算法就能实现相对平滑的变焦。法子虽然笨点,效果的确不错。高像素的长焦镜头能保证广角镜头因变焦而损失的图像信息远低于单摄像头的假变焦,从而大幅提高手机的变焦性能。该组合方式可以得到较好的光学变焦体验。下图是广角+长焦的融合效果:

典型代表手机是:LG G5、iPhone 7 plus

LG G5后置摄像机有两个,主摄像头1600万像素,视场角78°,f/1.8大光圈,暗光拍照效果比较好;辅摄像头800万像素,具有135°的超广角,这个是LG G5的杀手锏。LG G5的光学变焦方案就是在拍照时切换不同的镜头来实现光学变焦。但是这个135°的镜头已经算是鱼眼的范畴,它拍摄的图像边缘会出现畸变,并且还不是大家印象中鱼眼镜头那种由画面中心到四周均匀的光学性畸变,而是中间大部分画面正常而四周部分跳跃性的出现畸变。如下图所示。

LG G5拍摄图片,跑道可以看出横向上明显的不规则畸变

相比之下,后来者iPhone 7 Plus的配置更为合理。iPhone 7 plus的双摄像头升级是iPhone问世以来在摄像头方面最大的一次飞跃。

其配置如下:

  • 广角镜头:1200 万像素,ƒ/1.8 光圈,焦距28毫米
  • 长焦镜头:1200 万像素,ƒ/2.8 光圈,焦距56毫米
  • 2 倍光学变焦;最高可达 10 倍数码变焦

通常来说焦距在85mm至300mm区域内的才可称为长焦镜头,而iPhone 7 plus的长焦镜头焦距只有56mm,只不过焦距比28毫米的镜头多了一倍,不过苹果也将其称为长焦镜头。

iPhone 7 plus的镜头组合并不像LG G5那样极端,可以避免出现边缘畸变。如下图左边是iPhone 7 plus广角相机拍摄的图片,右边是其长焦相机拍摄的图片:

这种广角+长焦镜头的光学变焦方案有什么问题呢?下面来说一说。

这类双镜头搭配方案的光学变焦,本质和单反相机不同,更准确一点的话,应该称为双焦距。拿单反相机和iPhone 7 plus为例,我们来分析一下它们的2倍光学变焦有什么不同。

单反相机上的2倍光学变焦镜头,是可以实现无级光学变焦的,也就是可以实现1倍到2倍之间所有的焦距。用数学语言来说,就是可以实现[1,2]区间内任意实数倍的光学变焦倍数。这种光学变焦是平滑的。

而iPhone 7 plus的2倍光学变焦,实际是56毫米镜头在28毫米镜头数字变焦达到最远的时候切换到56毫米镜头,接过变焦的任务,这样使用起来就像是整体光学变焦能力提升了一倍。它是无法实现1倍到2倍之间的任意光学变焦的,其光学变焦只能取1和2两个值。这种光学变焦方式并不“平滑”。

那么就有人问了,为什么我使用iPhone 7 plus的时候感觉变焦很平滑啊,溜溜哒。这是因为,苹果公司一向非常注重图像处理算法,所以iPhone系列手机摄像头通常在硬件上不是最先进的,但在拍照效果却一直非常出色。虽然iPhone 7 plus的双摄镜头光学变焦并非真正的平滑变焦,但在其强大的双摄图像处理算法的帮助下,实际使用时还是非常顺畅的,并不会出现变焦挫顿,仍然可以实现比单摄像头好的多的变焦效果和成像质量。

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