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【老戴说镜头】浅谈双摄镜头技术

2016-08-18 10:41:03 慧眼网

随着智能手机的兴起,人们对手机的要求也变得越来越高,经历了“核”战、屏幕大战,各大厂商在手机市场中的较量终于进入到了用户体验的较量环节;而在系统优化外,拍照水平的较量渐渐变为了重头戏,于是越来越多的厂商加入到了PK摄像头的小战场中,可谓是使出了浑身解数,而双摄像头这一名称,也随之诞生了。

那么什么是双摄像头呢?顾名思义,双摄像头即是由两颗摄像头组成的拍照系统。

双摄像头的功能

目前主流的双摄像头的功能。主要可以分为两大类:

1.利用双摄像头产生立体视觉,获得影像的景深,利用景深信息进行背景虚化,物体分割,3D扫描,辅助对焦,动作识别等应用;

2.利用左右两张不同的图片信息进行融合,以期望得到更高的分辨率,更好的色彩,动态范围等更好的图像质量或实现光学变焦这个功能。

这两类双摄像头功能对于摄像头的硬件有着不同的要求,前者要求两个摄像头之间有更大的间距,这样能够得到更高的景深精度,因此前者的硬件希望两个摄像头间的距离比较远才好;而后者因需要两颗摄像头的图片叠加合成,所以在硬件设计的时候希望两个摄像头离得比较近,这样在两个图像融合的时候才不会因为相差产生更多的错误,目前市面上还是以第二大类最为常见。

一、景深应用

首先,我们需要获得当前场景的景深图,其基本原理是三角定位,如下图所示。

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从公式中可以判断Z的距离中d和X的大小很关键,两个摄像头间的距离T很重要,减少T的距离不仅会减少能测量的最大距离而且会减少相对景深间精度。

1.利用三角定位计算景深的最简单的应用-----计算物体距离。

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2.背景虚化:景深应用可以实现背景虚化功能,即在景深图的基础上将不同距离的物体进行虚化,模拟大光圈相机拍摄效果。

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3.AR增强和动作识别:主要是利用两个摄像头进行手势或者姿势的识别。目前在3D交互领域比较常见,市场上比较常见的就是leap motion 还有微软的 Kinect 都是类似的功能。在手机领域,亚马逊曾在fire phone上实现类似的功能。

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二.图像合成

第二类功能都是通过将不同的图片中的不同的信息,合成到一张图片中,使合成之后的图片得到更好的效果,此类应用硬件设计中就会注意如何分别提供不同的信息。

1.像素合成:主要是利用多张图片中在高频部分不同的内容生成一张清晰的图片,双摄可以通过两张照片中不同的信息进行最后的增强,这就要求硬件设计时希望两个摄像头离的比较近,这样在两个图像融合的时候才不会因为相差产生更多的错误。

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2.HDR拍摄:对两个Camera设置不同的曝光参数以得到不同曝光下的图像,进行HDR合成。

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3.夜拍效果改善:主要是利用两颗摄像头中一颗黑白摄像头在低光下响应较好,噪声较小的特性,使其夜拍的时候降低了噪点,最新发布的华为P9就是采用这种双摄系统;其双摄像头总进光量超iPhone6S 270%,这带来的就是夜拍效果的提升;拥有超大的进光量,改善低光下响应,降低了噪声,使得夜拍成了P9主打功能之一。

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4.双摄系统还有一个非常强大的功能,能够实现光学变焦功能:光学变焦(Optical Zoom)是数码相机通过改变光学镜片组结构来改变镜头焦距,从而实现变焦,但是镜片组结构复杂,整体尺寸无法安置于手机中。而传统手机镜头则是通过后端处理,把图片内的每个像素面积增大,从而达到放大的目的;即数码变焦(DigitalZoom),它在拍摄远处时,会造成图片像素变低。而采用“一大一小”双摄镜头,通过一颗近焦拍摄,一颗远焦拍摄,中间由两颗镜头共同拍摄;经过后端软件处理合成,能够实现类光学变焦功能,目前类光学变焦的双摄普遍能达到2X~3X变焦拍摄。

现以13M+13M双摄镜头进行举例说明,两颗lens规格如下:

9-1.png

类光学变焦有两种计算方式:

①、以角度计算类光学变焦放大倍率,即9-1.png

②、以等效焦距计算类光学变焦放大倍率,首先我们需要了解等效焦距的计算方法:

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如上图所示,等效焦距计算公式为: 11.png

类光学变焦的放大倍率为:12.png

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从以上案例中,明显可以看出长焦镜头的TTL要大于常规镜头的TTL,由于长焦镜头高度的限制,导致双摄模组高度比常规单摄模组高,这对手机结构设计提出了更高的要求。

如果采用如下图所示的潜望式的结构,通过一块镜面将入射光转90度角后射入lens,则能在不压缩镜头TTL(镜头TTL与焦距成正相关)的前提下,尽量减小模组的高度。

14.png

双摄的生态链

1.算法供应商:

双摄的算法是需要跟ISP配合的,两者是相辅相成的。作为主流平台供应商,高通/联发科都有自己的ISP,也都开发了自己的双摄算法。Sony,Samsung,OV也都在积极开发自己的双摄算法。其他供应商,如core photonics、ArcSoft、X-Chip及Apple收购的Linx也都有自己的双摄算法。

2.Sensor供应商:

双摄的Sensor,为解决两个Camera同步拍摄的问题,就需要Sensor有同步信号,目前Sony、Samsung、OV、格科微这几家能够提供同步信号的Sensor。

3.模组供应商

目前能做双摄的模组厂有很多,但是真正具有量产经验的主要是舜宇、光宝这两家,华为的双摄机型主要是由舜宇和光宝来提供模组的。

双摄技术的难点及未来

据旭日移动终端研究所人员分析称,目前普及双摄主要有两大障碍:首先是算法资源稀缺,其次是制造难。双摄较于普通的单摄产品,在制造上有着更高的难度,对技术和设备都有层次上的提升。对这个问题,行业做出不仅一次的探讨,最终找到解决办法——引进AA制程。话虽如此,但引进AA制程的过程中,产业也仍需要再次面临高成本、高技术等新问题。同样来看算法的问题,由于全球摄像头产业中的算法资源较贫瘠,导致目前的双摄像头产品发展缓慢。即便如此,也不乏国际厂商追逐此技术的完善。

从目前市面上能看到的双摄像头手机来看,他的应用还远没有被开发出来。摩根史坦利投资公司(Morgan Stanley)亚洲技术分析师Jasmine Lu称:“我们认为双摄像头拥有广阔的发展前景,我们坚信双摄像头技术不仅能够缩小智能手机和单反相机的之间图像差距,还能允许开发者设计以深度分析或者3D物体绘制等类型的杀手级应用,我们期望双摄像头技术能够触发光学领域新一轮更新周期”。

(本文由舜宇光学提供)

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