单摄 PK 双摄（上）：世界上拍照最好的手机，都是单摄像头成像的

单摄 PK 双摄（上）：世界上拍照最好的手机，都是单摄像头成像的

自今年苹果7 Plus发布以来，“双摄”手机开始大量出现在人们的视野中。 虽然这不是苹果的首创，但通过苹果品牌强大的“现实扭曲场”，得到了厂商的青睐和消费者的认可。

“二胜一”，这在商家和消费者眼中似乎是一条逻辑规律，但在专业检测机构中，却显得不太“买账”。

根据国外专业相机测试机构的手机拍照天梯显示，在所有得分超过85分的11款手机中，没有一款手机配备双摄。 排名最高的双摄手机是华为P9，得分为80分，在总榜单中排名第27位。

也就是说，世界上拍照最好的手机都是单摄像头拍摄的。

这些单摄手机究竟有着怎样的黑科技，最终“歼灭”了“双摄大军”？ 今天，我就在屏幕前给大家做个“科普”。 瓜子板凳准备好了，哥要开车了！

（本文文字较多，读完可能需要8-10分钟，但文章中的干货足够你和朋友炫耀了，请耐心阅读~）

如今，大部分都是通过光线入射到CMOS（Metal Oxide，互补金属氧化物半导体）来完成，而CMOS要感测外界的光线，需要一定的光通量。 要增加光通量，要么增加光强度（外部光、光圈效应），要么增加感光面积（CMOS规格），要么延长曝光时间（防抖系统）。

图像（OIS、光学图像稳定）

顾名思义，其实就是我们常说的光学防抖。 天梯榜分数超过85分的11款手机中，有8款手机搭载了OIS技术，足以说明这项技术在拍照方面的重要性。

在日常拍摄中，轻微的手抖几乎是不可避免的。 由于手的抖动，会导致手机的光路改变位置，使照片抖动、模糊。

但当光线充足时，由于传感器不需要长时间曝光，因此算法可以忽略极轻微的抖动。

在夜间或者光线不足的时候，如果想要保证拍出来的照片不是全黑，就需要延长手机的快门时间，但是快门时间越长，手抖的影响就越大光路上，呈现的照片越容易变弱。

因此，在摄影行业中，有一个“安全快门”的概念，即最大快门时间小于=1/等效焦距（秒）。 例如7 Plus，等效焦距为31mm，其安全快门为1/31s。 但为了保证夜间的画质，不带光学防抖的快门设置为1/17s，比安全快门要大，所以我们在夜间拍摄时只能依靠电子防抖补偿，这就是容易出现抖动。

光学防抖通过镜头的浮动镜片来校正“光轴偏移”。 原理是通过镜头内的陀螺仪检测微小的移动，然后将信号传输到微处理器，处理器立即进行计算。 然后补偿镜头组根据镜头的抖动方向和位移来补偿需要补偿的位移量； 从而有效克服了相机振动造成的图像模糊。

借助这项技术，可以有效抵消“手抖”的影响。 因此，制造商可以延长“安全快门”时间。 例如，苹果和三星将快门延长至1/4s，以保证夜间照片的亮度和拍摄率。

当然，光学防抖的加入也会带来一些副作用。 一方面，屏幕边缘的分辨率大大降低； 移动。

图像（EIS，电子图像稳定）

如果你细心的话，你可能会发现排名第一的 Pixel手机并没有搭载OIS光学防抖技术，那么这些手机是如何靠防抖的呢？

依靠EIS图像优化，这是在OPPO R9s中炒作的新术语，后来被小米Note2发扬光大。 虽然英文名字听起来很高大上，但实际上翻译过来就是电子防抖。

电子防抖一直以来都是依靠软件算法来实现防抖，并且最早应用于电子相机的视频模式：通过将屏幕的四个边进行一定程度的切割作为“缓冲带”，使图像抖动也相应调整。 反向补偿。

在相机成像方面，借助多帧合成成像算法在手机中的成熟应用，现在可以利用图像序列中帧之间的相关性，通过软件算法来替换和补偿抖动像素。 而像Pixel这样的旗舰手机可以利用陀螺仪的运动来估计和补偿手机抖动引起的图像序列的抖动。

毕竟，Pixel 使用的无非是更先进的软件算法。 在硬件方面，它与采用光学防抖技术的手机相比并不具有优势。 那么是什么让 Pixel 脱颖而出呢？

IMX 378（大尺寸大像素CMOS）

在摄影领域，有一条“底大一层压死人”的铁律，而“底”指的是感光元件的面积。 感光元件面积越大，单位时间内的光通量就越大。 其中比较出名的就是已经消失的诺基亚808（下右图）​​和Lumia 1020（下左图）。 这两款手机的镜头看起来极其臃肿，一度被粉丝戏称为“奥利奥”。

但你知道世界上拥有最大感光元件的是哪款手机吗？ 它就是松下在2014年9月展会上推出的Lumix DMC-CM1。 CMOS尺寸达到了1英寸！

但手里拿着这样造型的手机，不把它当作相机的人恐怕不多了……

因此，在这个“三分注定，七分靠努力，九十分靠脸”的世界里，这样一台挑战消费者审美的相机注定很难成为主流。

另一方面，诺基亚 808 和 Lumia 1020 虽然拥有超大 CMOS，但由于 4100 万像素的加持，手机的单位像素面积其实并不大，只有 1.4 微米和 1.12 微米。

比如手机的CMOS就像一个大锅。 锅越大，能容纳的光就越多。 然而，CMOS上的像素就像人们围在锅边等着吃饭一样。 像素越少，像素就越少。 单位像素面积越大，每个像素获得的光线就越多，因此每个像素都可以“吃饱”。

进光量更大，对于手机成像有何意义？ 最直观的感受就是照片更亮了。

然而，除了“一光遮百丑”之外，由于单位像素的增大，享受到的光线更多，像素转换成电信号的强度也更高，变相降低了单位像素产生的功率。相机模块本身。 电磁“噪声”串扰比例具有更高的信噪比，大大减少了暗光拍摄时因线条“噪声”引起的伪色噪声的出现，提高了画面的纯净度。

我们来看看位居榜首的 Pixel。 它采用的传感器是索尼Exmor R系列背照式传感器的最新型号，有效像素为1220万，对角线尺寸为1/2.3英寸（7.81毫米）。 比7（1/3英寸）大59%，单个像素尺寸为1.55微米，进光量比7（1.22微米）大61%。 可以说是相对7种CMOS规格的全面秒杀。

Dual Pixel（全像素双核对焦）

拍照时，有时事情发生得太快，手机来不及对焦，拍出模糊的照片，错过了转瞬即逝的永恒。

虽然对焦速度不能直接影响成像效果，但这个功能的好坏不仅影响手机能否拍出清晰的照片，还影响拍照时等待手机对焦的心情。

目前手机焦点通常有以下几种类型：

对比焦点

就是反复推拉镜头，寻找对焦区域对比度最高的点作为对焦准确的点，这也是最原始的对焦方法。 拍摄被摄体时，系统不知道什么时候对比度最高，因此需要前后移动镜头来找到它。 因此，我们会发现，在使用对比度对焦进行对焦时，取景器会有一个来回变焦“拉风箱”的过程。 极大地影响屏幕的外观和感觉。

IRAF激光聚焦（又称红外聚焦，港台译名：激光聚焦）

顾名思义，它通过摄像头旁边的发射器发射一束红外光（不可见光）。 当光线照射到物体上时，它会反射并返回到手机接收器。 通过发射和返回的时间差来计算手机与物体之间的距离。

严格来说，因为它发射的是红外线，所以称之为红外对焦更准确（至于为什么叫激光，可能是宣传的更高端）。

由于激光对焦属于主动对焦，所以最大的优点就是可以在极其昏暗的条件下完成对焦动作。 但由于国际上对红外发射器功率的限制，激光聚焦手机的最大距离往往不超过2米。

相位（检测自动）对焦（PDAF、相位自动对焦）

也是目前手机上比较主流的对焦技术。 相位聚焦是指在负责感光的传感器上，一些负责成像的像素被1/2区域覆盖作为相位聚焦点。 通过检测每个对焦点的前后方向的差异程度来实现高速对焦。

例如，每两个相邻的焦点可以与人眼进行比较。 通过用双眼观察同一物体，可以判断来自同一点的光线是否聚焦。

但这种对焦方式需要大量的光线，另一方面，负责成像的像素被相位焦点（一般不超过所有像素的5%）所取代，失去了部分成像功能，而这些仅像素 手机可以通过参考点周围的图像来“猜测”点应显示的内容。 也就是说，实现快速相位对焦的前提是以损失一定的图像质量为代价的。

全像素双核对焦——Dual Pixel

那么有没有一种技术可以兼顾高速对焦而又不损失图像质量呢？ 然后让相位对焦点也能够成像，这就是接下来要介绍的双核对焦。

事实上，双核对焦技术早在几年前就已经应用在佳能的单反相机上，如今这项技术已经沉入手机行业。

三星S7/S7 Edge配备的传感器中，相位对焦点首次采用双核。 其原理与相位聚焦基本相同。 不同之处在于每个相位焦点由两个完整的像素（光电二极管）组成。 两个像素独立对光线敏感，通过分析两个像素之间的相位差，可以计算出被拍摄物体的距离，从而使每一对完整的像素都可以聚焦，从而提高了相位焦点的数量而变相的感光区域，也是相位对焦“双核对焦”的升级版。

借助这项先进技术，S7 Edge在自动对焦速度单项比赛中以94分的最高分摘得桂冠。

无可争议的相机算法

刚才提到了“三分钟是注定的”，接下来我们就来说说“百分之七靠努力”的故事。

每当我们拿到新买的手机，想拿它拍一张照片在微博朋友圈炫耀时，我们常常会看完自己拍的照片，选择默默删除，然后默默地说“呸，这和样品单上的那个？” 不一样！”

抛开前期取景技巧（以及后期的假PS）因素，手机厂商杨照需要使用三脚架、稳定器、补光灯等一系列设备，再加上ISO，白平衡和曝光时间。 一系列的调整就会得到一张“样本”级别的照片。

你呢？ 无非是希望看到旅途中挥之不去的风景，或者街上转瞬即逝的情愫，从口袋里掏出手机，按下快门，拍一张好照片。

没错，就是“举起手机，对准拍摄对象，按下快门”那么简单，整个过程可能不会超过一秒。

那么在这零点几秒的时间里，手机本身处理了哪些事情呢？

举个例子：按下快门后的0.025秒内，会经过：人脸识别→自动曝光→自动对焦→自动白平衡→广色域捕捉→局部色调映射→屏幕降噪→多帧画面综合中的8个步骤，这些步骤就是你“优雅”按下快门后手机通过自己计算得到的结果。

而这套手机的算法是各个厂商的秘密。 厂商调教得越好，手机能自动完成的任务就越多，我们离“随心拍出好照片”的目标也就越近。

说到校准一直是“优势项”，虽然在风格上各有千秋，比如三星手机的色彩丰富，OPPO手机的玫瑰色，小米的色彩饱和度高手机上，但白平衡的色彩调整是不同的。 之前的“赏心悦目”的元素缺失了，力求还原人眼看到的感觉。

俗话说：调准的叫还原，调不准的叫风格。 每个人都有自己喜欢的风格，但事实就是事实。

稳定的“傻瓜式”相机性能让用户远离繁琐的手动调整参数。 虽然硬件水平已经被安卓手机大大超越，但小小的1/3英寸CMOS仍然可以在手机排行榜上占据高端A位。

当然，研究算法的投入也是巨大的，需要庞大的团队，从光线穿透手机第一层镜头开始，到如何映射到传感器上，再由处理器转换成图像，都需要在独立的实验条件下进行测试和误差。 据苹果首席执行官蒂姆·库克（Tim Cook）在接受《60 分钟》节目采访时表示，致力于开发相机的团队目前拥有 800 多名员工。

800 名员工研究相机的概念。 据说老罗的锤子手机整个公司就这么多人。 所以，锤子T1发布的时候，由于人员有限，算法调整基本上都是靠购买“现成”的，所以就有了我去日本老罗拜访五十岚千秋，但五十岚拒绝的情况。承认吧，因为T1相机太差了。 最后还闹出了“老罗被日本人坑了”的笑话。

硬件性能是体验的保障

对于手机拍摄来说，拥有好的镜头组和感光元件只是第一步，厂商出色的调校才是第二步。 随着近年来手机像素的提升和算法的升级，用户可以拍出更好的照片。 来去方便了，但是手机本身需要实时处理的计算量就大很多了。

当然，这对手机的性能也是有很大的消耗。 仍以7为例，手机从按下快门到成片，短短25毫秒内需要进行多达1000亿次的计算！

当你的手机没有足够的性能在短时间内执行如此庞大的计算时，要么拍照时比别人慢半拍，要么手机的后期处理标准就会降低为了保证拍照流畅，这会大大降低成像效果。 。

除了我们常说的CPU和GPU之外，芯片厂商还会为自己的旗舰芯片定制独立的ISP和DSP。

图像（ISP、图像信号处理）

它是手机中使用的强大处理引擎，用于处理前端图像传感器的输出信号。 负责CMOS信号的实时导出，以及拍照、录像时的曝光、白平衡、防抖计算等。 前面说过，7可以在25毫秒内执行1000亿次操作，这基本上就是这个ISP的功劳。

除了苹果使用的独家ISP外，阵营的旗舰芯片也拥有独家定制的ISP。 例如，高通骁龙820采用14位图像信号处理器ISP，最高支持2800万像素/30fps，吞吐量高达1.2GPix/秒（每秒12亿像素）。

换句话说，我们使用了比尼尔·阿姆斯特朗登陆月球时更强大的设备，只是为了拍一张好照片。

（DSP，数字信号处理器）

它是一种特别适合数字信号处理操作的微处理器。 与无所不知的CPU相比，DSP更像是某个领域的专家，在执行单个任务时速度更快、效率更高。 例如，骁龙820上集成的680 DSP相比上一代性能提升了2倍。 集成低功耗岛（LPI）后，能效比也提升了10倍。 它用于执行 HDR 视频和 HDR 图像合并。 、低光图像增强、降噪等图像处理任务可以在提高效率的同时降低能耗。

根据众所周知的木桶效应，如果我上面提到的任何一个问题成为短板，都会降低手机拍摄的整体体验。

但无论是OIS、EIS，还是ISP、DSP，如果不是被商家包装成唬人的英文，懂市场的人都知道，这些从相机诞生以来就一直在演变。 那么为什么这些功能如此重要呢？

因为很多双摄手机都具备很多这样的关键功能！ 没有！ 有！

由于摄像头数量的增加以及平衡手机美观的需要，手机内部空间会变得更加紧凑，这也限制了两颗CMOS的尺寸。 毕竟没有人喜欢手机背面的两个“火疖子”。

以双摄方面排名最高的华为P9为例，所采用的IMX 286感光元件尺寸仅为1/2.9英寸，单位像素面积仅为1.25微米。

同时，为了进一步节省镜头组的空间，双摄手机往往不支持光学防抖功能。 不过，即使有了光学防抖，两个摄像头组在抵消抖动时也必须严格保持轴力矩的同步。 虽然这项技术已经在实验室取得成功，但以目前的技术水平来看还不够。 生产。

因此，虽然有厂商在双摄上加入了光学防抖（Mate 9），但光学防抖和双摄是相互冲突的，拍照时只能选择其中之一开启。

没有了大底的优势，没有了光学防抖，双摄手机已经失去了一半的“外功”。

至于双摄方案，目前市售的彩色+黑白双摄方案均采用国产名为舜宇光学的方案，既有高端也有低端。

与竞争对手苹果、高通采用定制ISP不同，对于华为P9这样的双摄手机，麒麟955芯片内嵌的ISP不支持双摄，只能插上altek（华晶科技、台湾数码相机）而手机）产品制造商的ISP）缺乏一点“定制化”的优化，这使得双摄P9在“内功”上显得相形见绌。 如果不是有“良师”徕卡亲自调校软件算法，双摄大军恐怕会输得更惨。

当然，双摄像头也不是一无是处。 下一篇我会和大家聊聊双摄手机如何反击单摄的全面压制。