双摄像头一文读懂双摄像头工作原理

从功能机时代开始，用手机拍照就成为人们日常生活中经常使用的功能，进入智能机后地位不断提升。注意力往往集中在创新的生成上，这对于手机摄影来说是完美的。众多技术越来越多地应用于手机摄影:3D摄影、背景模糊、光学变焦、光学防抖、双核对焦、增大光圈和传感器尺寸等。每一项技术都极大地提高了照片质量和手机摄影的整体体验。然而，“只有”是这样的...

今天，大多数制造商已经推出了自己的双摄像头手机

所以就是这两年风靡全球的“双射”。如果说11/12年的LG擎天柱和HTC EVO 3D属于手机“双摄像头”的萌芽期，14/15年的荣耀6 Plus和七酷终极版属于“双摄像头”的探索/开发期，那么16/17年的iPhone 7 Plus、华为P10、vivo Xplay6、小米6、OPPO R11、nubia Z17、一加五。也标志着手机“双摄像头”时代正式到来。

现在看来，大家都在说“双射”。手机发展的一个趋势就是轻薄，7mm逐渐成为手机轻薄的标杆和分水岭。为了在这么轻薄的手机上追求更高的成像质量，即使有上面提到的技术加持，也受制于传感器尺寸和镜头质量(直接决定手机的成像质量)，就像政治上的主因和次因一样。所以，即使单个相机的参数非常好，仍然会出现性能差、背景模糊不够、特写不够等问题。这时，再增加一个摄像头来提高手机的整体拍照质量就成了新的突破。

实际上，双相机的理论基础是将原本要求在纵向空之间的光学系统展开在横向空之间的平面上。这样就达到了成像的水平，相机也不会突出，影响手机整体美观。目前主流双摄像头的功能可以分为两类:1。利用双摄像头生成立体视觉，获取图像景深，利用景深信息进行背景模糊、3D扫描、辅助对焦、运动识别等应用；2.利用左右图片信息进行融合，希望得到分辨率更高、色彩和动态范围更好等更好的图像质量，或者实现光学变焦。这两类大致可以分为四点:1。距离相关的应用可以通过双摄像头测距进行，这方面应用最广泛的是背景模糊；2.光学变焦；3.暗光增强；4.3D拍摄和建模。这几点每一点都是一个很大的空间，这里就不赘述了。

那么问题来了，双摄像头的工作原理是什么？虽然有两个摄像头，但是主摄像头和副摄像头的工作原理在不同的手机之间有很大的不同。目前，双摄像头手机的工作原理主要包括以下几个方面:1。彩色+彩色相机(RGB+RGB)，具有计算景深的优势，从而实现背景模糊和重新对焦(即先拍照后对焦)；2、彩色+黑白相机(RGB+Mono)，优点是可以提高暗光或夜间手机的成像质量；3.广角+长焦镜头(Wide+Tele)，这种组合最大的优点是可以实现光学变焦(目前大多数主流手机厂商采用的双摄像头原理)；4.彩色+深度相机(RGB+Depth)，可以实现三维重建等。前面提到的双摄像头功能就是通过这四种组合实现的。

目前主流旗舰如iPhone 7 Plus、OPPO R11都采用“广角+长焦”双摄像头解决方案

在四种相机中，RGB+单声道和Wide+Tele使用最广泛。这两种双摄像头的代表分别是华为P9/10系列、Mate 9系列和iPhone 7 Plus、OPPO R11系列和小米6。今天先说一下目前被广大厂商认可并采用的广角+长焦镜头的双摄像头方案。例子有iPhone 7 Plus和OPPO R11，目前最火的手机之一。

数码变焦与光学变焦的比较

如前所述，广角和长焦镜头结合带来的最大优势就是可以在手机上实现光学变焦。光学变焦(Optical Zoom)其实是相机上的名词，通过改变光学镜头组的结构来改变镜头的焦距，从而实现变焦。但是镜头组结构复杂，整体尺寸无法放在手机里。但是，如果之前的手机想放大图片，方法是后期剪切图片，然后放大一部分。结果，图像中每个像素的面积将增加，图像质量将严重压缩。广角+长焦双摄像头解决了这个问题，实现了手机中的光学变焦。

广角+长焦双摄像头光学变焦是左右摄像头的视角不同，这样两个摄像头会有不同的视野范围。想拍广角的时候，可以用左边的摄像头拍照。如果你想要一张长焦照片，用合适的相机拍照，就能获得长焦效果。通俗地说，广角镜头越来越宽，却得不到远处的物体；长焦镜头虽然视野狭窄，但可以“看”得更远。这样广角和长焦镜头组合搭配，拍照时通过镜头切换和算法可以实现平滑变焦。

比如IPhone 7 Plus，使用1200万像素28mm的广角镜头加上1200万像素56 mm的长焦镜头，通过在28mm的广角摄像头和56mm的长焦摄像头之间切换，实现2倍无损变焦..虽然不能在单反相机上实现无级光学变焦，但在手机上是目前绝对领先的方案，OPPO R11，小米6，一加五都采用了同样的方案。

接下来说说OPPO R11，采用1600万+2000万像素摄像头的广角长焦解决方案，大光圈f/1.7，支持2倍光学变焦和10倍数码变焦。很多人在这里可能会有疑问，就是为什么长焦镜头的像素比平时主要使用的广角镜头高？这是因为广角镜头在变焦时会丢失图像信息，高像素的长焦镜头会弥补，从而保证手机的成像质量，提高手机的变焦性能。

oppo r11“2x光学变焦”

除此之外，广角+长焦双摄像头也会根据环境光等等来决定用哪个摄像头来拍摄。简单来说，光线好的时候一般用副相机，光线不好的时候用主相机。这是因为主摄像头性能更好，在保证画面亮度的同时，可以很好的控制弱光下的噪声，这也是为什么广角长焦双摄像头方案的手机主镜头光圈一般比副摄像头大，比如OPPO R11，主摄像头光圈f/1.7，副摄像头光圈f/2.6；IPhone 7 Plus主摄像头光圈f/1.8，副摄像头光圈f/2.2。这也解决了另一个问题，就是以iPhone 7 Plus为例，广角和长焦双摄像头手机的光学变焦是通过在广角和长焦镜头之间切换来实现的。所以，如果你挡住子摄像头，也就是长焦镜头，从广角切换到长焦时，长焦镜头会检测到，发现此时环境不好，切换回广角镜头。所以你会发现即使长焦镜头被遮挡，变焦依然可以实现。

在这里，相信大家对双摄像头和广角+长焦双摄像头的原理都有一个大概的印象。经过野蛮的成长，回到最后的经历，那仍然是厂商自身R&D实力和技术的积累。如果看拍照方面，目前做的比较好的是苹果，三星，OPPO。双摄像头的特殊性在于它影响手机的拍照，并不像2K屏或者全屏那样可选，因为当单摄像头的创新已经不能大幅度提高手机的成像时，双摄像头就显得非常重要，或者可以说双摄像头是手机成像发展的必要一步。以iPhone 7 Plus和OPPO R11为代表的广角长焦双摄像头方案，是目前体验最好的最成熟的双摄像头方案之一。就目前的成像体验而言，无论变焦还是模糊，都不算令人失望。用手机拍照，没有什么是相机解决不了的。如果有的话，再来一个。

双摄像头没有任何缺点吗？

为什么大家都开始用双摄像头了？近年来，手机摄像头的技术发生了巨大的变化。我的诺基亚手机上首款200万像素的主摄像头，让很多朋友羡慕不已。后来手机拍照的水平直线上升，从800万到1300万。现在很多手机都用了2000万像素的摄像头，还增加了大光圈、大像素等技术，已经达到了非常高的水平。

这个时候，很多厂商都要考虑一下。怎样才能提高手机的拍照水平？

大家都记得当年HTC推出的双摄像头手机EVO 3D(不得不说当年HTC在手机行业也做出了很大的贡献)，用双摄像头带给大家更好的拍照效果。

图片来自网络

目前双摄像头有三种，第一种是黑白+彩色的组合，黑白摄像头负责捕捉更多细节，可以让手机拍照效果更好。第二种是颜色+颜色的组合，也是现在大多数手机采用的双摄像头组合。两台相机同时拍照，不仅可以记录物体的景深数据，还可以让进入的光线量翻倍。另一种是广角和长焦的组合，也是iPhone 7 Plus等旗舰采用的相机组合。

双射有什么优势？

那么双射有什么优势呢？双拍最明显的效果就是可以有极好的背景模糊效果，模糊背景，突出主体。

另外，双拍可以让照片看起来更好看。双摄像头可以捕捉到更多的场景细节，像素大，光圈大，可以获得更好的照片。同时还有更多好玩的双摄像头玩法，比如3D摄影，克隆相机等等，在努比亚Z17表现不错。

所以，双射没有劣势？

当然，科技的发展有利有弊。双摄像头带给我们更好的拍照体验，但也会有弊端。首先，很多手机都支持背景模糊功能，所以有些残疾人不可避免地会“模糊”主体，拍摄景物时往往会使景物模糊。

一些“手残党”破坏了风景

另外，有些手机拍摄时对焦慢。最近在用双摄像头手机的时候，碰巧对焦时间比较长。

现在双摄像头这么流行，大家买手机都要睁大眼睛。有的双摄像头手机可能只是噱头，有的不同品牌的手机可能只是“看起来像”双摄像头。目前一些旗舰手机的双摄像头效果已经很好了，买机的时候可以试试双摄像头带来的全新体验。

双射一定比单射好？

既然双摄像头有各种优势，为什么还有厂家没有推出双摄像头产品？比如索尼和三星。要知道，高端手机的摄像头传感器几乎都被索尼垄断了。索尼不可能遇到硬件方面的障碍。三星用智能手机拍照的造诣更好，没理由不更进一步。

可以说今年索尼的旗舰产品Xpperia XZ Premium不具备拍照能力吗？显然是不可能的。刚刚960fps逆天摄影证明了索尼的实力。其实索尼之所以没有选择双拍，是因为索尼不认为单拍的潜力被挤出去了。目前双摄像头技术还不是很成熟，单摄像头在画质上可以和双摄像头竞争。

三星今年的旗舰Galaxy S8不使用双摄像头，应该是光学指纹模块的锅。从三星Galaxy S8的曝光原型就可以看出来。三星开发了带双摄像头的Galaxy S8。但最终的商业版并没有配备双摄像头，而是在摄像头旁边放置了指纹识别模块。

根据各种消息可以推断，三星有意推出双摄像头版本的Galaxy S8，但因为光学指纹模块的问题做出了妥协。好在三星Galaxy S8单摄像头效果极佳，依然是安卓手机的摄像头之王。也许只是在索尼看来，单镜头的潜力还是很大的。

同时，在我们之前的文章中，对比了目前最强的三款旗舰手机后发现，三星Galaxy S8的单摄像头效果不会被华为P10 Plus和苹果7P拉走。

尤其是最能测试手机相机性能的弱光环节，即使环境非常恶劣，三星Galaxy S8样张带来的效果也是非常惊人的。高ISO造成的高噪点虽然很难避免，但至少可以看清物体是什么，而且颜色明亮透明，饱和度高，比较顺眼。

这是因为Galaxy S8支持双像素对焦技术，图像处理器上每个像素都有两个光电二极管，可以快速准确对焦。所以整体表现最好，时间最少。

从目前的实际情况来看，双摄像头与单摄像头相比，在图像质量上并没有拉开太大的差距。对于专业摄影师来说，双人摄影可能会给他们更大的创作空间空。但是对于每天只是拍的普通消费者来说，真的不用太在意。

事实上，真正使用双摄像头的应该是AR。目前有消息称，苹果将在下一代iPhone中引入AR功能。当然，即使你像苹果一样强硬，也未必能拿出一个完美的AR解决方案。但是，如果苹果开始推广双摄像头AR方案，这项技术会不会成熟得很远？不久之后，我们就可以体验到双重摄影的真正美了。

如前一篇文章所介绍的，双摄像头的应用主要分为:距离相关应用、光学变焦、暗光补偿、3D拍摄和建模。每个应用程序的原理都有些不同，所以让我们分别介绍相关的原理:

距离相关应用2 |7 t6 u9？:t3 K6 _

人眼很容易定位物体的距离，但是当其中一只眼睛闭上时，定位能力就会下降很多。9g & amp；Q3 ]，{ 8 x+0，W/ R2 G( t

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双摄像头是模拟人眼的应用。

简单来说，测量距离就是计算被摄物体与左/右摄像头之间的角度θ1和θ2，加上一个固定的Y值(即两个摄像头之间的中心距离)，就非常容易计算出Z值(即物体与摄像头之间的距离)7 M，X* ~3 l7 V！B3 _

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但是，很容易计算。如果两个摄像头的中心距离太小，那么可计算的物距就会非常近。如果要算长距离，一定要让左右摄像头之间的距离远一些。

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光学变焦

光学变焦主要是指左右摄像头使用不同的FOV(视角)，让两个摄像头有不同的视角。当用户需要广角拍照时，使用视角为85度的左摄像头取景，获得广角效果。当用户需要长焦照片时，他使用视角为45度的右摄像头进行拍摄，以获得长焦效果。0 B1 b-B2 o & amp；R6 H7 E# {2 g！A

为了使左右摄像头拍摄的物体相互重叠，光学变焦的双摄像头模块不能像用于距离应用的摄像头模块那样远，但左右摄像头越近越好。/N8 R " H2 K+W1 g；T% s

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暗光增强

事实上，在第二部分，边肖已经简要介绍了暗光增强的原理。一般来说，增强暗光是用两个摄像头，一个是RGBG的标准摄像头，一个是没有RGBG滤镜的黑白摄像头。利用RGBG获取物体的颜色，利用黑白相机获取更好的光输入来判断拍摄物体的光强。然后对两幅图像进行融合，获得更好的暗增强效果。

一般来说有两种融合方法:# c % n+r % o % i3d 4m & amp；y，m

1.以黑白图片为主体，将从彩色图片得到的每个像素的颜色粘贴到黑白图片上，将两张图片融合。

2.以彩色图片为主体，将黑白图片得到的每幅图像的亮度强度补偿到彩色图片上，将两幅图片融合。

至于哪种方式更适合融合，可能仁者见仁智者见智，这里就不讨论了。；？“X. Y9 D2 r' g6 ~: j. D！x

同样，对于暗光增强，为了使左右摄像头拍摄的物体重叠图像高，这种双摄像头模块也要求越近越好。

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需要说明的是，华为P9实际上是这样选择模块的。-W3 T0 L " R * @ & amp；C9 |！h；^3 T7 l！k

当然，也有业内人士表示，目前这种算法效果并不明显。暗光补偿对用户真的很有帮助，尤其是拍夜景的时候。但也有客户认为索尼和三星的Dual PD技术很好，更倾向于使用Dual PD相机进行暗光补偿。

最后，不管是双摄像头还是双PD的暗光补偿效果好不好，你可以对比一下华为P9和三星Galaxy S7 edge，就有答案了。0m-k % z)[& amp；v，u0 j) m8 v

3D拍摄和3D建模

其实3D拍摄和3D建模的算法都有点类似于距离应用，只是精度要求更高，有时候甚至需要红外测距才能进行更精确的距离判断。这里就不详细介绍了。* G0 }7 Y* F+ V

对ISP的要求5 e" `% 4 e) R

说到双摄像头的算法，有必要提一下ISP(图像信号处理处理器)。ISP的主要功能是对前端图像传感器输出的信号进行后处理，主要功能有线性校正、去噪、坏点去除、插值、白平衡、自动曝光控制等。只有依靠ISP才能在不同的光学条件下很好地还原场景细节，ISP技术很大程度上决定了手机的成像质量。l' Q- ^( i) V4 q

功能机时代，ISP都是建立在摄像头上，不同像素的摄像头搭配不同性能的ISP。随着手机摄像头像素尺寸的不断增大，对ISP性能的要求也越来越高。如果将ISP集成到相机Sensor中，相机的模块会过大，甚至会影响拍照效果。所以在智能机时代，ISP一般都在主芯片SoC上。为了达到更好的效果，有些品牌客户甚至不惜任何代价加一个ISP来达到更好更专业的拍照效果。

好的拍照算法需要和好的ISP匹配。ISP和算法相辅相成，缺一不可。而双摄像头则需要更高的ISP性能。首先，为了使左右摄像头的信号可以同时处理，单个ISP已经不能满足双摄像头的需求。这就需要一个双向的ISP来实现这个功能。* l% Y: z. U: G+？- }" `( F" o

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以暗光增强为例，彩色/黑白图像分别进入各自的ISP通道和标定通道，然后对两幅图像进行匹配(如提取两幅图像的相同部分，去除只有一台摄像机拍摄的部分)，再通过遮挡、检测、补偿等算法对相关图像进行处理。最后，将两幅图片融合以增强颜色。当然，其实ISP用算法做的事情比这张图写的多。边肖真的不知道，所以他不会误导这里的每个人。

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当然也有小插曲。毕竟有两个ISP，他们有一些处理速度和能力不同的问题。为了保证两个ISP可以同时采样，需要两个摄像头同时拍摄的图片。解决方案之一是让传感器有一个同步信号引脚。两个摄像头的同步信号对接，每次读取一张图片，图片上都标有时间戳。ISP通过时间戳保证左右摄像头拍摄的照片同时拍摄，最后融合。

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摄像机接口

一般来说，现在智能手机的摄像头接口都是MIPI接口。以前手机平台只有两个MIPI接口，分别为前置摄像头和后置摄像头提供。作为双摄像头，该平台需要支持至少三个MIPI接口。事实上，在以前的高端平台中，为了实现更高的像素，已经使用了双向ISP(例如，为了支持16M摄像头，将使用具有8M能力的双向ISP)，并且这种平台可能只有两个MIPI。但这并不能阻止工程师做前置单摄像头+后置双摄像头。