iPhone 7 Plus雙鏡頭相機解讀

iPhone 7 Plus雙鏡頭相機解讀

迄今最出色、最先進的的蘋果手機iPhone 7系列帶著四核處理器,立體聲揚聲器,去除3.5mm 耳機插孔,增加防濺、防水和防塵特性,帶來令人讚不絕口的曜石黑,採用色彩更明亮豐富的全新顯示螢幕等特點閃亮登場。最讓用戶眼前一亮的應該是雙相機。

關於iPhone 7 Plus的雙鏡頭

之前雙鏡頭解析的文章有提到,雙鏡頭主要是實現距離檢測、暗光增強和光學變焦功能。

之前Huawei P9 用彩色+黑白的雙相機,彩色RGBG用來獲得物體的色彩,而黑白相機用來獲得更好的進光量,來判斷被拍物體的光線強度。然後將兩個圖片融合,保證在暗光下拍照,也能使物體的色彩鮮豔。

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華為p9雙鏡頭模組

而此次iPhone 7 Plus帶來的雙鏡頭,採用了廣角+長焦鏡頭,通過左右相機使用不同的FOV(可視角),使兩個相機取景不同。當拍近景時,使用廣角鏡頭,拍遠景時,使用長焦鏡頭。從而實現光學變焦功能。這一點是Huawei P9無法實現的。

而關於雙相機的參數,我們可以從之前的拆解中得到。 iPhone 7 Plus雙鏡頭中的廣角主相機和iPhone 7上的是完全相同的,1200萬像素,F1.8光圈,28毫米等效焦距,長焦副相機雖然也是1200萬像素,但光圈是F2. 8,等效焦距是56毫米。

有網友根據庫克公佈的iPhone 7 Plus拍照樣本,挖掘到了EXIF資訊,進一步得知廣角主相機、長焦副相機的實際焦距分別是3.99毫米、6.6毫米。

一個1/3英寸傳感器的裁切係數是7.21,如果iPhone 7 Plus主相機的感光元件這麼大,等效焦距應該是3.99×7.21=28.768毫米,和蘋果公佈的28毫米十分接近。

副相機的傳感器則應該是1/3.6英寸,裁切係數8.6,計算下來6.6×8.6=56.8毫米,也十分貼近蘋果的規格。

作為對比,iPhone 6S/6S Plus的相機感光元件也是1/3英寸,等效焦距4.15×7.21=29.92毫米。

一般來說,同樣有效像素下,傳感器尺寸越小,噪點就會越多,但蘋果在降噪方面一直頗有心得,比如當初從800萬像素跳到1200萬像素,傳感器大小卻沒變,蘋果就加入了很強的降噪演算法。

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iPhone 7 Plus雙鏡頭模組

在知道了具體的硬體資訊以後,我們再重新看看光學變焦的實現原理,進而理解iPhone 7 Plus雙鏡頭的工作原理:
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光學變焦原理圖

可以看到,左邊的廣角鏡頭負責更寬廣的畫面,但缺陷就是同樣距離的物體,到sensor上顯示出來的物體比長焦鏡頭顯示出來的物體小很多,所以需要右邊的長焦鏡頭負責抓到更遠的物體。

而目前手機的後相機多數都是廣角鏡頭(iPhone 7 用的就是跟iPhone 7 Plus 廣角鏡頭一樣的相機)。用平時使用手機的習慣來看,若用手機後上相機拍風景會非常自然,但拍人就得非常近。現在有了長焦鏡頭,可以在拍人物的時候,切至長焦而方便在稍遠的距離拍攝人物。

因為有不一樣的功能,所以兩個相機大小也不一樣。相對來說,廣角鏡頭的長和寬比長焦鏡頭更長,但長焦鏡頭更高。

此次 iPhone 不僅實現了光學變焦,還推出了背景虛化功能。從下面這張Apple官方的宣傳圖來看,還是非常不錯的。

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從這張圖來看,美女和背景區分的非常好,很有單反的效果。不像某些早期推出雙鏡頭的廠商拍出來的照片,一眼看出,就是用的是高斯模糊實現的背景虛化。

什麼叫高斯模糊?

我們隨便找一張美女圖片,用Photoshop打開,用橢圓形選中美女,然後反選:

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然後選濾鏡–>模糊–>高斯模糊(半徑選5),效果如下

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背景是虛化了,美女的裙子也虛化沒了。

我們需要的是真正的背景虛化,真正的大光圈效果,而不是高斯模糊。這也是之前有些做背景虛化的雙相機手機沒有被用戶接受的主要原因。

iPhone 7 Plus的雙鏡頭也不完美

雖然iPhone 7Plus的存在給消費者帶來了更多的想像空間,但實際應用中其並沒有那麼完美,這就不完美就來自廣角+長焦的這種組合自身的問題。

從上面的光學變焦原理圖可以看出:

1.兩個相機拍攝的交集只有長焦可以拍攝到的黃色小人那部分。那麼可以肯定的是只有這部分的光學變焦是融合了廣角+長焦的資訊,其他部分都只能算是數位變焦。

2.同理,iPhone 7 Plus實現的背景虛化,也只能是中間部分能得到距離資訊。當然,Apple將主相機的光圈從iPhone 6s的2.2 提升到 1.8,不需要將兩個相機的數據進行融合,就可以對某些場景的背景虛化是可以做到很好。

3.只在廣角鏡頭上做了光學防手震。但是經常拍照的人知道,在用長焦的時候,光學防手震更加重要。

當然,第一個問題也不算太致命。畢竟一般人拍照都是重點拍中心部分,四周景色並不是那麼重要。不過最最關鍵的是,此次iPhone 7 Plus 並沒有實現真正意義光學變焦。

我們可以從以下一個試驗中證實這點。採用了最簡單,也是最直接的姿勢:堵住其中一個相機,來檢測雙鏡頭的真實性。

既然iPhone 7 Plus的雙鏡頭方案不同於Android陣營那幾種,我們自然而然的對它的工作原理產生了興趣,先來試試把這兩顆相機分別遮住會出現什麼現象吧。

首先,我們遮住的是左上角的那一顆相機。

擋住左上角的試試看

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哎呦,iPhone 7 Plus脾氣不小呀,居然罷工了。

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iPhone 7 Plus雙相機的最強解讀

切換到2X試一試,還是罷工

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既然不能遮住左上角那顆,我們接著來試一試另外一顆。

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這一回沒有因為遮住單顆鏡頭而罷工。

1X狀態正常

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試著調節一下變焦功能,1.5X情況下也正常運作。

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然而到了2X狀態,iPhone 7 Plus又罷工了…

2X狀態罷工

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還有更詭異的是,iPhone 7 Plus生氣罷工嚇得我手抖了一下,手機傾斜角度向上抬了一下,iPhone 7 Plus奇蹟般的消氣了,然而我再把手機傾斜角度往下一壓,這脾氣又上來了。

所以,你會看到在遮住左起第二個鏡頭且2X變焦情況下,iPhone 7 Plus會隨著你的傾斜角度有規律的罷工、復工、罷工、復工、罷工、復工…

角度上抬恢復正常

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角度下壓再次罷工

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這個詭異現象讓我是滿腦子的霧水,現在能夠確認的是左上角那顆是廣角鏡頭,另外那一顆是長焦鏡頭,iPhone 7 Plus的雙鏡頭方案確實是在兩個相機之間進行切換的,只不過蘋果的優化達到神級,整個切換過程會讓你感覺不出來。按理說在切換到長焦鏡頭並堵住它之後,手機再怎麼改變角度都是無法成像的,然而事實卻是會隨著傾斜角度而罷工、復工的情況,至於為什麼會這樣,我還沒想好語言來給蘋果爸爸洗地…

我們使用iPhone 7 Plus分別在1X、1.5X、2X、5X、10X情況對同一組場景進行拍攝,結果如下圖所示,隨著變焦程度的提升,城樓上的國王距離我們越來越近,10X情況下完全就是近在眼前了。所以說,光學變焦對於拍攝遠景細節非常有幫助,當然,我們的iPhone 7 Plus只有2X光學變焦實力,所以變焦程度越高,噪點會越來越多、銳度越來越低。

從以上實驗我們可以看出,Apple的雙鏡頭只是在廣角和長焦兩個相機之間的轉換。在1x和2x之間,所謂的光學變焦都是數位變焦模擬出來的。只是Apple通過自己的ISP以及強大的算法,使得這個變化非常自然。

為什麼Apple不做暗光增強?

有些讀者會問,為什麼Apple不會做暗光增強呢? ICshare認為,一方面,夜間拍照的場景相對來說比較少。另一方面,目前來看,彩色+黑白的雙相機目前可以做到的效果並不好。甚至比用了Dual Pixel的單相機的暗光效果要差。這是因為彩色+黑白的雙鏡頭做法很難做,現在沒有太好的演算法。舉個最簡單的例子來說,Huawei的P9的暗光效果就要比Samsung Galaxy S7的暗光效果差。

Samsung Galaxy S7是最早使用Dual Pixel Camera的手機。其原理比較簡單,將正常的拜耳陣列的RGBG四個像素的每個像素一分為二。每個像素都有2個光電二極體,從而達到更好的暗光效果。

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並且用此技術,比使用PDAF技術的sensor,進行相位對焦的像素要多很多,所以相位對焦速度更快。尤其是在暗光下,PDAF無法使用的情況下,Dual Pixel也依舊可以更快的對焦。

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不過製作Dual Pixel 難度也非常大。以Samsung Galaxy S7使用的Sony IMX260為例。此Sensor為12M 1.4×1.4um 的sensor。由於使用了Dual Pixel技術,製作難度相當於24M 0.7×1.4um的sensor(雖然輸出的像素依然只有12M)。 S7 這顆Sensor 模組大小為12 x 12 x 5.3 mm,遠大於普通的13M Camera的8.5 x 8.5 x 5mm。而Dual Pixel的12M的價格也是13M的3倍左右。另外Dual pixel的模組高,不利於手機做薄。目前手機相機凸起廣為詬病,缺乏美感,這也是不利於Dual Pixel 流行的因素。

未來的雙鏡頭會怎樣發展?

蘋果切入雙鏡頭,勢必會給手機產業帶來新的改變,那麼未來的雙鏡頭都會有哪些方法呢?

1. 廣角sensor用 Dual Pixel snesor + 長焦類似
這樣的好處: 可以增加暗光增強功能,可以實現暗光增強,光學變焦和大光圈三個功能。

2. Dual OIS。將長焦鏡頭也加入光學防手震。目前蘋果沒有做長焦的光學防手震 主要是因為若雙相機同時做OIS,兩個OIS之間會有乾擾,並且很難做同步。但隨著OIS 供應商不斷的改進算法和精度,這個難題應該很快會被攻克。

3. 如Galaxy S7一樣 使用更大光圈的鏡頭,如1.7的鏡頭,實現更大的光圈,更好的虛化效果。

4. 將FOV的差距拉的更開。目前iPhone的兩個相機的FOV一個是78°和42°。光學變焦的計算公式是:Tan(廣角 FOV/2) / Tan(長焦 FOV/2),所以iPhone 7 Plus的放大倍數為2.1倍。長焦的FOV沒辦法再小了,可以將廣角的FOV做的更大,比如87.7°。這樣放大倍數可以做到2.5倍的放大倍數。

其實這些年Apple的保密工作做的非常差,iPhone 7 Plus 做什麼樣的雙鏡頭,今年上半年很多廠商都已經猜到了。所以明年上半年的旗艦機都會從今年下半年的暗光增強變成光學變焦,上述四種方式都有可能採用。雖然這次Apple並沒有實現真正意義光學變焦,相信2017年的iPhone 8 會帶來更好的雙鏡頭效果。明年到底是國內的雙鏡頭效果更好還是iPhone 8的雙鏡頭效果好不重要,只是希望各家都能帶來更好的雙鏡頭,推動雙鏡頭的發展。

Apple雙鏡頭對產業鏈的影響

此次Apple採用的雙鏡頭的模組廠是LG。雖然大陸的舜宇和台灣的光寶都有成熟共基板設計的雙鏡頭模組,並在Huawei P9上廣泛使用,但是還是無法達到Apple對於雙鏡頭中光軸角度的要求是在0.35μ的要求。而據說若做到這一點,曾經的Apple供應商,台灣的Primax才能做到。不過不管怎麼樣,隨著各個機型都開始需要雙鏡頭,大陸和台灣的模組廠都是加強模組廠的AA(Active Alignment)製程的工藝,也就是提高雙模組裝配時,兩個模組相對位置的一致性和準確性。目前這一塊做的比較好的就是舜宇,信利,歐菲光和丘鈦微。

而雙鏡頭的普及,對擁有雙鏡頭演算法的公司,如:Altek,CorePhonics,Arcsoft,X-Chip,WestAlgo也提出了更高的要求,需要開發出更好更難的雙鏡頭演算法。

影響最大的則是Camera Sensor公司,雙相機使得整機使用Camera從2顆變成3顆。目前能做出Dual Pixel sensor的公司只有Sony 和 Samsung,其他主要的Sensor供應商GalaxyCore,OV。據TRI的預測,今年雙鏡頭將佔全球智慧手機出貨量的2.4%,明年預計在5%以上,這對這些Camera Sensor供應商的備貨都會有很大的影響。

另外,Pokeman GO AR遊戲火爆流行,以及影片直播時即時的更換背景或加虛擬人物的需求,都對相機提出了很多高要求。而雙鏡頭的成熟會對這些需求變得非常簡單。以後智慧手機不僅雙后鏡頭,還會有雙前鏡頭的需求,這都會對Camera Sensor 廠商和模組廠商帶來很多利多消息。

總結:

目前來看,這幾個功能是雙Camera手機最常見的功能。背景虛化/更換,暗光效果給用戶帶來了更多的拍照效果。光學變焦則讓我們感受了變焦功能的相機功能。但個人覺得未來最讓人激動的則是3D功能。

今年VR這麼火,VR的素材哪裡來?還是得靠雙Camera演算法的優化。若3D拍照和建模的算法成熟後,將會讓雙Camera 變得更加流行。

 

出處:雷鋒網

作者:7Tens

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