双摄像头会成为主流！聊聊最近发布的华为P9

刚刚发布的华为 P9 最大的亮点恐怕就是它的双摄像头配置了。如今采用双摄像头技术的智能手机越来越多，这一技术俨然成为了大势所趋。那么厂商为什么要为手机配备两个摄像头？这种技术有什么好处和问题，未来将如何发展？本文将作一简要介绍。

双摄像头：手机提升拍照性能的无奈之选

在手机上安装两颗摄像头的做法很久以前就出现了，但早期这种技术主要是为了拍摄 3D 照片。彼时 3D 显示技术正值火热阶段，一些品牌就在自家手机上提供了 3D 拍摄能力以吸引消费者。之后 3D 热潮迅速冷却，为 3D 拍照而生的双摄像头手机也就淡出市场了。

然而不久之后双摄技术便在智能机产业复活，这一次不是为了 3D 成像，而主要是为了提升普通照片的画质。多年以来厂商为了提高手机拍照性能想尽了各种招数，但所有的努力都无法超越客观规律：相同技术条件下，设备成像素质越好需要的体积和重量越大。增大摄像头传感器和镜头尺寸是提升拍照画质最简单直接的手段，然而底面积越大的传感器－镜头系统厚度也就越难控制。偏偏消费者喜欢超薄的手机外观，同时讨厌凸起的摄像头组件，因此像 Lumia 808 那样为了成像素质牺牲外观、厚度的设计难以在市场上流行。既然扩大单摄像头传感器面积有诸多限制，厂商就只能退而求其次选择双摄像头这种妥协方案：两个摄像头的厚度与单套组件是一样的，但是传感器总面积与镜头进光量就翻倍，可以近似等效于单个摄像头面积的增大。总的来说，双摄像头的逐渐流行是一种无奈的选择。

手机双摄的多种分类

别看手机双摄技术只是多了一个摄像头，具体怎么加，加什么款式、种类都是有门道的。根据两颗摄像头的传感器、镜头的型号，手机双摄大致可以分为以下类型：

对称型：顾名思义，这种类型的双摄像头是两颗传感器、镜头完全一致的组合方式。两颗一模一样的摄像头以一定的间距排列，旁边再放置闪光灯。

主副型：一颗传统的摄像头外加一颗用来测光、测景深的辅助传感器。这种组合的照片、视频拍摄只由主摄像头完成，副传感器则用来加快拍照速度、提高拍照参数选择的准确度。严格来说这种方案不属于「双摄像头」范畴，因为副传感器并不负责成像工作。

广角－长焦型：两颗摄像头传感器部分一致，然而镜头部分分别使用广角和长焦镜头，以同时拍摄两种焦段的照片、视频。

黑白－彩色型：华为P9采用的就是这种方案。P9 的两颗摄像头镜头部分一致，传感器则分别使用全黑白和彩色 CMOS。

手机双摄像头的优势

无论是哪种双摄像头方案，理论上都可以做到比单个摄像头更好的成像画质。以最简单的对称型方案为例，两颗有一定间距的摄像头同时拍摄的照片可以合成为一张图片，因为两张照片有微小的距离差异，合成图片时就可以利用这种差异来增加照片的有效信息。合成后图片的清晰度、动态范围和噪点控制水平都能比原始的两张单独的照片提升一些。两个摄像头还可以分别拍摄高低曝光度的照片以合成 HDR 图片，或者分别拍摄长短曝光时间的照片，合成特殊的图片效果。

华为使用的黑白-彩色搭配的方案则更进一步。与彩色传感器相比，黑白传感器取消了滤光片，有效感光量是前者两倍以上。因此黑白传感器在较暗场景中的成像素质非常好，可谓暗光拍摄利器。如果以黑白传感器的图像为基础，加上彩色传感器提供的色彩信息，就可以合成出一张有着出色噪点控制水平的彩色照片了。在明亮环境中，这种方案比起传统单摄像头的动态范围和清晰度也都会有一定程度的提升。

实际的拍摄应用中，P9 的拍照流程是这样的：

首先，黑白和彩色摄像头同时各拍下一张照片，生成 RAW 格式的图像信息；

ISP 根据两个摄像头固定的间距，找出场景中每一点在两张图像中对应的两个像素。这一步非常关键，考验着软件算法和 ISP 性能。华为之所以找到徕卡合作，很大程度上也是为了提升这一步的处理效率和效果；

知道场景里每一点对应的像素后，就可以将黑白像素和彩色像素进行混合了。混合时通常是以黑白像素为基础，加上彩色像素提供的色彩信息。这样混合出来的每一个像素实际包含了两个像素的数据，信息量比单个彩色像素扩大了近一半。如果混合过程中发现彩色像素部分生成了噪点，就舍弃这个像素的色彩信息，使用邻近像素的色彩来近似。单传感器拍摄照片时噪点是不太容易被识别的，而双传感器方案就可以通过黑白传感器提供的较“干净”画面来过滤掉出现噪点的彩色像素，效率明显提升。这也是 P9 在暗光环境下拍摄性能大幅增强的最关键环节。此外，混合的像素使用的亮度信息主要来自黑白像素，而黑白传感器因为没有滤光片所以进光量明显提升，因此生成像素的有效亮度也就明显强于单摄像头方案了；

最后，ISP将混合后的图像按照标准处理流程生成 RAW 或 JPG 格式图像。

双摄像头方案的一些问题

看起来，手机采用双摄像头除了增加一些内部空间占用和重量外似乎百利无害。然而这只是理想状况——现实中，双摄像头要做到明显的画质提升是非常不容易的。

最大的问题在于，任何一种双摄方案的成像素质都严重依赖成像算法和后期处理过程。即使是专业领域，使用两台相机在一定间隔同时成像并在后期合成以提升画质都是非常考验后期软件与工程师水平且费时费力的任务。手机的照片处理完全由芯片 ISP 负责，处理时间极短，单张图片的处理还好，两张照片的精确合成是非常困难的。

其中一大难题在于芯片要识别出两张照片中同样的拍摄场景，然后将物体每一点在两个摄像头上对应生成的像素找出来并融合在一起。由于双摄像头的安装距离无法做到特别高的准确度，实际使用中还可能出现微小位移，每一次拍摄时两颗传感器的距离都可能是有差异的，算法也就需要动态调整。识别出需要合成的像素，具体的合成方法也有讲究。如果可能，自然是芯片长时间运算得出精确的合成方案是最好的，但往往用户等不了那么长的处理时间，那么短时间生成的图片往往不如人意。

为了解决这些问题，根本的方法是大幅提升 ISP 运算速度以为照片合成提供更大的计算资源空间；同时采集大量经验数据来改进算法，优化照片合成的效率。然而无论是硬件还是软件的改进手段都需要大量资源、时间投入，所以双摄像头技术的成熟是一个长期的过程。在软硬件技术不够成熟的目前阶段，一个妥协的办法是保留每一次拍照两个摄像头各自的 raw 格式图像，留待空闲时由手机乃至 PC 的后期软件进行精确处理。

华为 P9 发布会上，华为也重点介绍了 P9 的双摄像头合成照片的性能。华为这次特地找来了徕卡协助开发 P9 的成像算法。从目前展示的一些实拍照片来看，P9 的软硬件调整做的相当不错，在暗光环境下的图像画质有了一个明显的飞跃，也没有出现可见的图像错误，可见在徕卡的帮助下华为已经有了成熟的双摄像头成像技术了。P9 也保留了 RAW 格式图像输出能力，意味着用户可以拿 RAW 照片在 PC 上做更细致的后期调校，看来华为是充分研究了各种层次用户的需求。

手机双摄像头的未来发展

随着技术的逐渐进步，双摄像头合成图像的画质相比单个摄像头的优势会愈加明显，也会有越来越多的厂商和消费者接受这种方案。而在双摄像头之上，苹果、微软等企业还在研究更加先进的拍照系统：在两颗摄像头基础上再增加距离传感器，以生成带有照片各像素与传感器实际距离数据的三维照片。这样的照片上每个像素、每个被摄物体都有准确的空间位置信息，可以轻松地通过位置数据来将一定距离的被摄物体从背景、前景中选定出来进行处理。当抠图变得十分简单，其他后期效果也就非常容易了。如果 ISP 性能够好可以应付带有位置信息的视频处理工作，那么手机还能轻松实现各种 AR 效果，乃至通过视频数据为拍摄场景进行 3 维建模等。

其实目前 P9 已经可以利用双摄像头的视差特性实现一些简单的距离测算功能了。根据华为的说法，P9 可以利用两个摄像头的图像视差来计算场景物体的深度信息来辅助对焦，加快对焦速度。虽然这和完全的三维图像生成还相差甚远，但在此基础上华为可以做进一步发展，在未来产品中逐渐做到真正的三维图像拍摄。

目前来看，双摄像头将是智能手机未来的流行趋势，甚至可能取代单摄像头成为标准的手机拍照技术。华为P9应该能为这种技术的普及贡献不小的力量，也希望更多厂商能跟进，尽快使双摄像头造福广大用户。

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