1 破解像素提高技術(shù)瓶頸

近年來手機像素提高受到阻礙。一方面HTC 的“高像素基本都是騙人的，像素面積為王”仍然縈繞耳畔，讓人們思考像素持續(xù)提升是否理智；另一方面，Lumia 1020等高像素手機的厚度也確實影響了手機的便攜性。

首先，“像素面積為王”不僅僅是句營銷口號，嚴格意義上來說，手機攝像頭像素的提高不等同于拍照質(zhì)量的上升。高像素意味著在同一個感光芯片上像素點數(shù)目增多，意味著更大的輸出尺寸，即像素越高，放大照片所造成的失真越小。但是拍照效果很大程度與感光元件每個像素點的尺寸有關(guān)。像素點尺寸越大，每個像素點所能接收到的“光子雨”也就越多。而在一塊既定面積的感光芯片上，像素數(shù)目的增多勢必會減少單個像素點的尺寸，進而影響整個芯片接收到的“光子雨”總數(shù)。這就好比兩個同樣大小的窗戶，一個窗戶由20 塊小窗格組成，而另一個只用了一塊完整的玻璃，哪個窗戶進光量更多呢？顯而易見是后者，因為每一個小窗格的窗框會擋住部分光線，整體的進光面積就相對縮小了。窗戶的大小就相當于感光元件的尺寸，像素就相當于小窗格。

以追求大像素點尺寸而不是高像素的HTC One 為例。目前主流手機所采用的CMOS 傳感器大約是type 1/3.2 和type 1/4 規(guī)格的，有效像素大約在800 到1300 萬之間，對應(yīng)的像素邊長大體有1.4um和1.12um 兩種。而UltraPixel 的一個像素邊長為2um，幾乎是1300 萬像素傳感器的兩倍，面積更是接近四倍。因此，一個UltraPixel 在單位時間內(nèi)可以收集的光子數(shù)量大約是一個1.12um 像素的3～4 倍。這就意味著，僅僅400萬像素的 HTC One，其攝像頭進光量是上千萬像素手機的3 倍之多。

因此也就形成了像素提升會影響進光量從而破壞拍照質(zhì)量，但倘若降低像素增大感光面積又會使照片缺少細節(jié)的矛盾。雙攝像頭的出現(xiàn)可以有效地解決像素點感光面積與像素提升之間的矛盾。比如華為榮耀6 plus 采用的平行雙攝像頭設(shè)計，兩個攝像頭同時參與拍照，保證雙倍的進光量和成像效果，有效像素尺寸也隨之提升到1.98μm。這樣既保證了單個像素點的尺寸夠大，進光量夠高、弱光拍照拍攝效果更佳同時又使得拍攝的照片不致于因為像素過低從而喪失細節(jié)。

圖1 像素點尺寸與接收光子數(shù)目

圖2 雙攝像頭設(shè)計有效提高像素點尺寸

2  破解像素提高設(shè)計瓶頸

手機像素除了提高除了技術(shù)瓶頸，也面臨著設(shè)計瓶頸。手機攝像頭結(jié)構(gòu)主要由CIS(圖像傳感器)、透鏡、音圈馬達、濾鏡等構(gòu)成。拍照質(zhì)量除了與CIS 的像素點數(shù)目和像素點尺寸有關(guān)，也與透鏡數(shù)目有關(guān)，透鏡相當于在CIS 前加了一副眼鏡，CIS 的采光率很大程度由透鏡的數(shù)量和表面積決定。透鏡的數(shù)目越多，成像質(zhì)量也越好。隨著手機攝像頭技術(shù)的不斷提升，手機攝像頭透鏡數(shù)目也不斷增多，如今各大主流手機廠商的旗艦機型攝像頭都有5 顆以上的透鏡。

透鏡數(shù)目增多是對成像質(zhì)量要求提高的結(jié)果，但是透鏡數(shù)目決定了攝像頭魔模組的高度。增加攝像頭透鏡數(shù)目的也必然意味著攝像頭從而手機機身厚度提高，這也是為什么近期會出現(xiàn)諸多“凸起的攝像頭”。目前市場主流做法是降低單個透鏡厚度進而降低整體模組厚度，但是這樣做不僅會讓良品率降低，同時作為光學(xué)器材，單個透鏡的厚度是有極限的，厚度降低的速度最終必然趕不上透鏡數(shù)量增長。

雙攝像頭設(shè)計由于將拍攝任務(wù)分擔到兩顆攝像頭上，最終成像質(zhì)量是兩顆攝像頭的疊加。因此，對單個攝像頭的成像質(zhì)量要求相對不高，從而降低了單個攝像頭模組的高度，使得透鏡數(shù)目對手機厚度的壓力降低。

圖3 手機攝像頭結(jié)構(gòu)

3 快速對焦與景深控制，挑戰(zhàn)單反效果

通過硬件與算法功能記錄照片完整景深信息，雙攝像頭的一大功能是支持快速對焦與景深拍照，提高可用光圈值，實現(xiàn)背景虛化，突出拍照對象。

景深是指在攝影機鏡頭或其他成像器前沿能夠取得清晰圖像的成像所測定的被攝物體前后距離范圍。在聚焦完成后，在焦點前后的范圍內(nèi)都能形成清晰的像，這一前一后的距離范圍，便叫做景深。另外，單攝像頭方案都是固定光圈，而雙攝像頭可以虛擬光圈，模擬鏡頭的不同的鏡頭物理光圈下的效果，實現(xiàn)全景深效果到背景虛化效果變化。

目前業(yè)界手機攝像頭模組物理光圈最大做到F1.8，量產(chǎn)可供應(yīng)的是F2.0，但物理光圈加大后，圖像四角解像力下滑嚴重，而雙攝像頭方案可輕松實現(xiàn)大光圈效果，突破單攝像頭鏡頭物理光圈方案的效果極限。以華為榮耀6 Plus 為例，可實現(xiàn)從F 0.95~F 16 一鍵調(diào)整光圈，實現(xiàn)70mm-無窮遠全景深信息，任意改變虛化程度。

對于主副與平行兩種不同結(jié)構(gòu)的雙攝像頭，實現(xiàn)景深控制的方式是不同的。主副雙攝像頭結(jié)構(gòu)中，主攝像頭負責(zé)拍攝，副攝像頭責(zé)測算景深范圍和空間信息提供可靠地實際景深范圍，從而實現(xiàn)快速準確對焦。而平行雙攝像頭通過軟硬結(jié)合的方式實現(xiàn)景深控制，以華為榮耀6 plus 為例，通過搭載華為榮耀獨創(chuàng)的算法引擎系統(tǒng)，通過三角測距原理，兩顆攝像頭能記錄70mm 到無窮遠的全景深信息，并儲存為EDoF(擴展景深技術(shù))照片，使得智能手機也能拍出單反級的背景虛化照片。正如前文所述，手機取代相機的趨勢將會助力雙攝像頭產(chǎn)業(yè)成長，而這本身又反過來加快了替代過程。最終實現(xiàn)手機對數(shù)碼相機的逐步替代。

圖4 通過雙攝像頭實現(xiàn)景深控制

4 3D建模與手勢識別

人機互動的方式不斷進步但卻沒有終點，簡便輕松的互動方式會取代老舊復(fù)雜的互動方式，又終究會被更為先進的方式所取代。就像桌面取代DOS 系統(tǒng)，觸屏面板取代手機按鍵，而他們也終將成為3D 時代的過客。

3D 攝像頭由于可以掃描用戶所處環(huán)境，進行立體建模與手勢識別提升用戶體驗，一直被業(yè)界認為是未來主流發(fā)展方向。一方面，通過繪制出周圍世界的 3D 模型，可以成為多種應(yīng)用的基礎(chǔ)，例如在大型購物中心和其他室內(nèi)空間向用戶提供方向?qū)Ш剑瑤椭脩魧ふ夷臣疑痰昊蚰硞€物體，繪制3D 地圖，幫助盲人在陌生的地方導(dǎo)航；讓人們能利用家中的環(huán)境玩擬真的3D 游戲等。另一方面，通過構(gòu)建3D 模型可以識別用戶臉部表情與手勢變化，極大提高人機互動方式。

而雙攝像頭設(shè)計由于可以有效儲存用戶景深信息，因此是實現(xiàn)3D 攝像頭的主要方式之一。以Google 旗下的Project Tango 項目為例，采用Project Tango 項目的手機與平板背部裝有兩個攝像頭與一個深度傳感器，一個是采用大尺寸感光元件400 萬像素的攝像頭，同時支持RGB 和紅外線探測功能（RGB 攝像頭經(jīng)常被用來做非常精確的彩色圖像采集；后者則是通過采集紅外線發(fā)射器對環(huán)境的反彈信息，計算場景景深。）而另外一個攝像頭裝備180 度廣角魚眼鏡頭，主要追蹤物體的動態(tài)行為。特制的傳感器和與之匹配的軟件，使之能在每秒進行1500 萬次3D 測量，結(jié)合它實時監(jiān)測的位置和方向，能夠最終結(jié)合大量數(shù)據(jù)繪制出周圍世界的3D 模型。值得一提的是，Project Tango 攝像頭模組都是來自于國內(nèi)攝像頭領(lǐng)先廠商—舜宇光學(xué)。