镜头演化史：哪个它，更能拍出你的美?让人着迷的三种双镜头

智能手机对相机销量的影响

智能手机对相机总体的销量影响已经是不争的事实，不过最大的销量变化是发生在随身数码相机（俗称卡片机）这个领域，卡片机主打的数字化、轻巧、便于携带，在智能手机的相机模组功能不断提升下，在实拍照片上几乎已看不出显著差异，再加上使用“照片”的“最后一哩”从印出相片的实体收藏，转变成数位收藏（电脑内档案）与展示（数位相框），直至今日的社交分享和云端储存，拍完即能上传／分享的手机，完胜需要再透过电脑转介或处理的数码相机。智能手机的普及，不单单侵蚀了数码相机的市场，更重要的是，人人都成为视觉内容的制造者 (UGC: User Generated Content)，或者是说，它让具有“相机”功能的硬件设备，达到了史上数量最高峰且总数仍在持续增加中。

▲数位社群的年代，人人都是UGC，图片引用出处。

数码相机与手机上的相机模组结构差异

这样讲来，不能直接连上 Internet 的数码相机穷途末路似乎已近在眼前。但个人觉得也不尽然，主要的差异在于成像品质与构图限制。我们先来看看数码相机与手机上的相机模组结构为何，再来分析其中的不同。
相机的最前缘是镜头，它是由多组镜片所组成，这些镜片扮演的角色就好像眼睛里的水晶体，让光线透过经过精密计算的折射，导入底层的影像感测器 (Image Sensor，也称为图像传感器)，影像感测器的功能相当于眼睛的视网膜，它转化投射在感测器感光部位上“瞬间／照片”或“连续／影片”的光线成为 RGB 分色的类比讯号，这些讯号后送到影像讯号处理器 (ISP: Image Signal Processor) ，透过算法将类比转为数位信号，并重新组合成一张数位照片或一段影像，影像讯号处理器对应的就是大脑枕叶距状裂两侧的视觉中枢，让你真正能“看”到世界，最后再透过记忆卡暂时储存（如同大脑里的海马体）这个档案。

▲图片出处

我们上面提到的镜头、影像感测器、影像讯号处理器都是重要的“硬件元件”，他们都有各自的规格，当然性能的差异也全数反映在成本上。
镜头的主要规格在焦段（可见视野）与最大光圈（进光量），其他影响镜头成像品质的元素还包括镜片的变形控制、抗耀光能力、成像锐利度等等。焦段的表示方法是多少 mm，光圈的表示方法则是 f/ 多少，这两个数字都要和影像感测器的规格搭配才有互相比较的意义。

焦段的数字越大，表示将远方的物件拉得越近成像，即是“望远”的效果，相反的焦段的数字越小，就表示视野内看到的东西越多，就是“广角”的效果。一般而言，对应一张传统底片大小尺寸影像感应器（Full Frame / 全片幅）的镜头，在 24mm 以下的焦段会称作广角镜，35mm 的焦段最接近人类双眼叠加的正常视野（一只眼睛对应到约 50mm 的视角，这也是在相机上 35mm /50mm 被定义成标准镜头原因），50mm 以上会被统称为望远镜（又可以再细分为中望远、高望远、超望远等等）。由于手机内部空间非常的有限，手机镜头都采固定焦段的设计，而大部分的数码相机则是采可变焦段的设计，透过手动转动镜身或电动调整镜片组内镜片间的距离，以达到变换视野的目的，也就是一般所谓的“光学变焦”，如果广角端设定在 24mm，望远端设在 72mm，这样的组合就称为 72 / 24 = 3“三倍光学变焦” 。在手机上，因为是固定焦段，所以一般厂商都会选择偏广角端的焦段，譬如三星的 Galaxy S8，就是采用全片幅等效的 26mm 定焦镜头。

光圈是指调节进光量多或少的机构，光圈的数值越低，表示光圈开幅越“大”，反之光圈的数值越高，表示光圈缩的越小。在同样的快门速度下，每扩大一级的光圈，进光量是上一级的一倍，譬如说 f/2.8 的光圈是 f/4 光圈进光量的一倍，而 f/4 的光圈又是 f/5.6 光圈进光量的一倍。光圈进光量大时，快门（控制曝光时间的机制）的速度就可以更快（缩短时间），高速的快门可以有效减少曝光时因为手的晃动而导致的影像模糊，一般而言快于 1/30 秒的快门速度是手持摄影的相对安全速度（当然还是因人不同），在夜间、室内、没有闪光灯等场合，开上大光圈有较高的机会可以让 1/30 秒的快门取得没有晃动且足够完整成像的进光量，进而提升拍摄清晰相片的成功率。光圈开启的幅度，除了影响进光量外，也影响合焦区域的范围以及合焦范围外影像的清晰程度，也就是现在大家都挂在嘴边的“景深”。开启较大光圈时，合焦范围较窄，合焦区域内的影像是清晰的，合焦区域外的影像会变得相对模糊，结果使主题（通常是对焦点附近）能在模糊的背景下特别突出，因为对焦处的主题抓住了观赏者的视线，而模糊的背景让四周更佳的衬托主体，大家都会说这张照片拍得好，这就是“浅景深”的视觉优势。一般的光学变焦相机会将最大光圈配置在 f/2.4 – f/4 之间，定焦相机会配上 f/1.8 – f/2.4 的镜头，而旗舰手机上则会搭配在 f/1.7 – f/2.2 间的主镜头。

除了大光圈，光学影像稳定器 (OIS: Optical Image Stabilizer) 是另一种方法来克服因为手震而导致的模糊影像。工作原理基本上是透过马达来稳住镜片，反抗因手持不稳造成的晃动，在释放快门曝光的过程中，尽可能 hold 住镜片保持不动。它可以代替放大光圈，在 1/15 秒甚至是更长的快门时间内，帮助镜头稳定的撷取画面。影像稳定器也可以直接设置在影像感测器上，借由稳定感光元件达到类似的目的，对于拍照或摄影而言，反正没有晃动、没有伤害。装设在影像感测器上的稳定器又有分三轴、五轴的差异，三轴能处理中心点不动，XYZ 三个维度轴面内旋转的晃动，五轴则是多了针对中心点本身上下左右移动的消除，五轴防手震对于移动或摇动中的拍摄有更佳的稳定效果，今年手机的旗舰机种的主镜头几乎都有搭配光学防手震功能。

▲图片来源小米

影像感测器上的规格差异主要在尺寸、分辨率与 ISO 动态范围，越大的影像感测器能撷取（与需要）的光线资料量自然越多，在同样尺寸的感光元件上，分辨率越高的感测器所能“编译”数位照片的分辨率也越高，ISO 范围越广，越能在低光源的环境下拍出成功的照片。其他的差异还包括对焦方式、对焦点数、测光区域数等等。

手机主相机用的影像感测器尺寸多在 1/3 或 1/2.3 吋之间，分辨率则落在 1,200 万到 2,300 万之间，Sony Exmor RS for Mobile 是多家旗舰手机最爱采用的影像感测器。在数码相机上，为了做出与智能手机的成像品质差异，目前多采用 1″, 4/3″ (13.4mm x 7.8mm / M43 系统), APS-C (22.5mm x 15mm / Canon), APS (36mm x 24mm, Full Frame / 全片幅) 等规格的影像感测器。影像感应器尺寸越大，所撷取与需要的进光量也越大，因此同焦段、同光圈值的镜头通常也相应变得更为巨大，当然结果是产生照片的画质更好、光学景深效果也更明显。同样是 24mm, f/2.8 的广角定焦镜头，对应到 full frame, APS-C, 43, 1″, 1/3″ 影像感测器的镜头尺寸（与重量）就会依次大幅度的缩小。

▲图片来源

分辨率是影像感测器的另一个规格维度，在早些时候，分辨率越高被视为越高档，在相同感测器大小下，高分辨率带来大尺寸数位照片的优势（大图输出、有宽容的裁切余裕等），可是也带来每一个画素感光面积下降的劣势（感光不足、噪点过多、对于轻微晃动较敏感），同时因为每张高画素照片的资料量很大，所以亦间接影响高速连拍（每秒可拍摄几张／fps: frame per second）的速率，以及增加后期处理的困难度（每张图档档案太大）。因此尺寸与分辨率的规格“平衡”变得比一昧追求较高的画素更显重要。以现在最高分辨率的 4K 屏幕，总画素数目约是 885 万 (4,096 x 2,160 = 8,847,360)，其实都低于动辄 1~2 千万画素影像感测器的分辨率，在不放大或裁切的状况下，像素总数对应屏幕早就绰绰有余。今年的旗舰手机手机多会强调单一像素的尺寸，像是小米 Mi 6 的 1.25μm，或是三星 S8 的 1.4μm，就是希望透过这个参数，来沟通更好的“画质”或“暗光拍摄能力”。
▲图片来源

ISO（感光度）范围又是另一个不同的方向检视影像感测器的差异，ISO 值原来是描述底片对于光的灵敏程度 (film speed)，在数码相机的定义则为影像感测器对于光线的敏锐程度，ISO 值越设的低 (ISO 50 / ISO 100)，需要较长的曝光时间，但也会得到越纯净的画面，ISO 值设越高 (ISO 3200 / ISO 6400 或更高)，越能在短时间内成像，但可能躁点（实景相同颜色下却在相片里表现出不同的颜色或深浅）就会越多。ISO 范围越广，相对就能在更为极端的光源环境下拍摄。“可用 ISO”则是一个主观标准，主要是看在设定高 ISO 感光度时，是否还能解译出对拍摄者而言相对纯净、躁点程度可以接受的数位相片。

▲图片来源

影像讯号处理器 (ISP) 在相机里是单独存在的，例如 Canon 的 DIGIC 系列，Sony 的 BIONZ 系列，而在高阶手机中，大多已经整合到系统集成芯片中 (SoC: System on Chip)，除了将来自影像感测器的类比转换到数字信号，组合出一张相片，ISP 还被赋予了很多前置、拍摄与后制的工作，包括了侦测环境、人物的特征，实际对焦、追焦，各种变形、颜色、光线、噪点的事后修正，为了进一步提高手机相机的功能，现在还有 VPU (Visual Processing Unit) 加入战局，VPU 本身就是一颗 DSP (Digital Signal Processor)，它可以针对客制化的功能提供硬件加速的运算，不只可以减低 CPU 或 GPU 的负担，也因为专职专用，所以不仅算得快，而且更省电。

高级的影像感测器搭配影像讯号处理器可以在同尺寸下，平衡地达成对焦更快、追焦准确、撷取更多的画素与延展更高的可用 ISO 的复杂任务。Sony A7II、A7SII、A7RII 与 Sony A9 是目前“平衡但取向不同”下最好解释分流发展的范例：这四款数码相机都具备全片幅的影像感测器（均配备 BIONZ Image Processor 与五轴防抖），分辨率与最高 ISO／连拍速度各为：
– A7II: 2,430 万画素／ISO 25,600／5 fps
– A7SII: 1,220 万画素／ISO 409,600／5 fps
– A7RII: 4,240 万画素／ISO 102,400／5 fps
– A9: 2,420 万画素／ISO 204,800／20 fps
以单机身的价格而言，目前 A9 >> A7RII > A7SII >> A7II，A7II 属于入门级全片幅相机，A7SII 适合低光源拍摄与高清 4K 录影，A7RII 提供精准的对焦与超高的画素，而 A9 则是适合职业摄影师需要的快速对焦与高速连拍（运动赛事或抓拍）。

▲图片来源：Sony官网

综合以上，相对于手机上的相机模组，数码相机的优势就是较佳的构图可能性与更好的画质。透过光学变焦镜头或更换镜头调整视野，可以取得接近无损画质的远距拍摄，而较大尺寸的影像感测器，则撷取了更多的影像细节，让拍出来的照片层次更丰富、更立体。不过有一好没两好，专业的摄影器材不仅单价高、体积大、重量重，对于想要轻便出行的人而言，带不出门的器材再优秀也是无用。智能手机的节节进逼，的确让相机厂伤透脑筋，不过这也促成了更多种类的相机支流应运而生，从单反、无反、定焦全画幅、紧凑高倍率、一寸随身、中片幅无反、运动相机、360 全景相机、光场、多镜头、空拍机，厂商们无不想方设法的让手机用户有足够的理由再多买一个相机，事实上，这样的细化，也的确开拓了许多过去不曾存在的摄影长尾 (long tail) 市场。

当前主流 — 双镜头

手机相机今年下半年的潮流是 双镜头  (dual camera)，自然我们也该来了解一下其中的工作原理。
首先，为什么要做双镜头呢？一个镜头只有一个焦段，对于不想以“数位变焦”硬生生将图档拉大裁切的用户，要取得比较好的望远拍摄的效果，塞进第二个长焦镜头似乎是个不错的主意。另外，多一个镜头就多一个影像感测器，当然就会搜集到更丰富的图像资料，把两个相机模组里面同时拍摄的资讯做比对分析，还可以透过后制达到强化最终照片品质的目的。当然，多一个镜头就是“看得到、摸得着”的硬件规格升级，有些不明究理的消费者看到双镜头就高潮了，厂商也乐得将这个功能当作话题强力行销。要知道年年季季出新机，怎么样才能让客户“有了新人忘旧人”，永远是手机厂商必须要优先处理的议题。

▲连不到7000元的入门机小米A1都有双镜头。

虽然表面上看起来都是双镜头，但是这两个镜头的组合方式却可以大有不同，目前的三种主流是：
1. 彩色广角镜头（高画素）+ 彩色望远镜头（高画素）
2. 彩色广角镜头（高画素）+ 黑白广角镜头（高画素）
3. 彩色广角主镜头（高画素）+ 彩色附镜头（较低画素）

第一类的代表作是 Apple iPhone 7 Plus 上搭载的双摄，Oppo R11 与最近发表的 Samsung Galaxy Note 8 都是采用这类配置，以广角镜头搭配 1.6 至 2 倍焦段的望远镜头，或是以超广角镜头搭配广角镜头 (Asus ZenFone 4)，达成近似“2x”的光学变焦，无论拍摄全景与拍摄人像，都各有十分杰出的成像表现。透过两个镜头的远近视角差，还可以做背景虚化的后制处理，模拟在单眼上才能完美呈现的“景深”效果。在技术上这种搭配最需要克服的是“数位变焦+光学变焦”以及“广角+望远”的无缝衔接，因为是采用不同焦段的两个镜头，所以功能上不像一般数位相机是透过调整一个镜头内镜片距离产生“连续”的光学变焦，以 iPhone 7 Plus 的 28mm 广角搭配 56mm 望远为例，在一倍与二倍间的非整数倍率放大与大于二倍的远距，其实还是以数位变焦模拟而非真正的光学变焦，1.0x ~ 2.0x 中间是以广角镜的视野数位放大，2.0x 时跳接望远镜头光学视野，2.0x 之后以望远镜的视野继续数位放大。这里最难处理的就是放大至 1.99x 到 2.00x 到 2.01x 间的预览衔接，因为这里从广角数位放大跳接到望远光学然后再转到望远数位，手机在屏幕预览时上怎样消弭“跳”的不平滑感觉就需要工程师大量的尝试与调整。再加上因为本来就是两个“主”镜头，两个镜头拍出来的照片颜色、风格、感光不应该有过大的差异，所以让两个镜头成像效果尽量一致，是工程师必须解决的另一个技术难题。

▲iPhone 7 Plus、ASUS ZenFone 4 Pro、GALAXY Note8、OPPO R11、小米 6/A1…都是标准的广角+望远配置，也是市面上最多的双摄配套方案。

第二类的代表作应该是 Huawei P9, 之后发表的 Mate 9, P10 也采用类似的配置，基本上这也是“双主镜头”的概念，拍摄彩色照片时以彩色镜头为主成像，黑白镜头提供不具色彩的图像资讯，透过即时后制帮助彩色照片减低躁点与增加暗区的亮度。当选择拍摄黑白照片时，便改为以黑白镜头为主成像镜头，彩色镜头的资料成为辅助后制运算的内容。因为左右视角些微的不同（有点类似左眼和右眼），这样的组合依然可以做有效的“景深”模拟，同时因为黑白镜头撷取的资料是相对纯净的（只有亮暗、没有恼人色差），所以在处理彩色相片降噪时，可以发挥出更好的运算辅助效果。当然对于想耍文青的用户而言，一个特调的黑白模式（如果又像华为一样套上 Leica 的大名），更是专业、复古、颓废、特立独行风不可或缺的重要创意元素。因为两个镜头间的互动都在后制，并没有太多彼此直接衔接的问题，在工程开发难度上，就不会像第一类般要花很多额外的双镜调适功夫。

第三类的组合就是属于相对入门的双镜设置，基本上只有一颗广角主镜头，另一颗镜头就是扮演“帮手”的角色，所有的成像都以高画素的镜头为主，第二颗的较低画素的镜头撷取的资讯，皆是提供 ISP 后制的“额外”素材。毕竟多了一颗镜头的资讯，不论画素多寡、感光度如何，这些资讯都能让后期的演算更为丰富，且因为左右视角的不同，景深计算依然可以进行。这样的配置所需要的工程调校最少，很多时候 SoC 里的 ISP 也都自带了完整的算法，所以对于快速想要跟上双镜头潮流的手机厂商，或是将双镜头设置在自拍侧的厂商，这都是个好用且成本较为低廉的方案。

▲SHARP AQUOS S2或以前的 HTC M8 都是这类主副镜头配置。

最后我们谈一下双镜头装设位置的问题，目前部分的双镜头景深算法，是为类似由左右眼视角所取得不同的资料进行最佳化，所以在 Huawei P9, Mate 9, P10 这类手机上，最佳的景深计算结果会是采取直握手机拍摄 (Portrait) 模式，而在像是 Apple iPhone X, Sharp Aquos S2 这样的垂直排列双镜镜头时，横拍 (Landscape) 可能会取得不同的双镜运算结果。虽然直拍横拍的运算差异在每款机型、每张照片上可能不见得都相同，但是当景深即时预览结果不如人意时，转个方向说不定可以立刻有效改善呢！

结语

相机的世界不只有浅景深，也是“钱井深”，不论器材的优劣，其实最厉害还是镜头后面的那颗主导拍什么、如何拍的脑袋。科技不是一切，好的作品也不是只有最昂贵的器材才能拍摄的出来，照片也好，录影也罢，都是撷取生命中那美好的一刻，这一个瞬间可能永远都不会再发生，希望透过科技的演进与普及，我们都能很容易的纪录下“此时此刻”，与更多人分享你我的心情与视野。

感恩 seafood，赞叹 seafood，终于写完了，全文看完的脸友，亦请受小弟一拜！
[广告植入一下] 前段文字中提到的系统集成芯片 SoC，就是现在智能手机的大脑，将 CPU, GPU, VPU, ISP, Modem, WiFi, 内存与声音 I/O 等功能全部整合到一个芯片之上，将这样的准系统，接上屏幕、相机模组与闪灯、天线、电池、内存（运算和储存）、耳机喇叭、各式各样的 sensor，配上外壳，一个手机就已经完成了大部分。联发科技 MediaTek Helio X30, P30, P25, P23 都是这类可以支持不同双镜头搭配的准系统集成芯片。

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