手機都有雙鏡頭了,為什麼相機還是單鏡頭_風聞
晨枫-军事撰稿人-古今多少事,都付笑谈中2018-12-26 02:12
經常有人問起:為什麼手機有雙鏡頭,而相機只有單鏡頭?答案很簡單:相機只需要單鏡頭。手機由於天然侷限,單鏡頭做不到相機能做到的,所以用雙鏡頭“作假”。沒錯,手機的雙鏡頭是作假用的。當然,作假效果不錯,使得很多人都滿意了。只是假的畢竟是假的。
鏡頭是成像用的,但成像不一定需要鏡頭。針孔相機就沒有鏡頭,用細小的針孔成像。針孔相機不需要對焦,因此具有無窮大的景深,也不存在光學畸變、色差、色散等問題。但針孔在理論上要求無窮小,邊緣無窮圓整光滑。這已經很難做到了。針孔相機最大的問題是成像非常暗淡。只有那麼小一個洞透過光來,怎麼可能不暗淡呢?既然如此,那就擴大針孔,讓更多的光進來不行嗎?行的,但結果是圖像越來越模糊,最後根本不成像了。想想也是,打開窗户,房間裏很亮了,但牆上有圖像嗎?肯定沒有,只有一大片光亮。

針孔相機形成的圖像,景深無窮大,但曝光時間也是巨長

四周有暗角也是針孔相機的特徵
要擴大針孔,就需要鏡片,一般是玻璃的,也可以用光學塑料或者其他透明物體。中學物理裏用水滴形成透鏡,這是一樣的道理。鏡片就有聚焦問題,還有光學畸變、色差、色散等問題,但畢竟可以在“正常”條件下獲得足夠的亮度,能夠成像了。自然,鏡片越大,透光越多,畫面越明亮,或者説,可以在越暗的條件下依然正常成像。
在膠捲時代,膠片的感光度有限,鏡頭是低光條件下正常成像的主要手段,f2.8都不算大,f1.4、f1.0才真是大。在數碼時代,調高ISO很容易。膠捲時代ISO 100是標準速度,400就是“快片”了,2400是不可思議的快片,好像沒有更快的了。在數碼時代,尤其是數碼單反,6400都是10年前的水平了,現在動輒50000以上,有的甚至可以擴充到256000。換句話説,只要有一絲光亮,就能拍出大體可用的圖像來。
但低光時推高ISO是有代價的,代價就是噪點。用大光圈,可以降低對高ISO的要求,降低噪點。説到大光圈,手機相機的鏡頭光圈是不可調的。換句話説,永遠是最大光圈,也沒有這個空間安裝機械光圈。一般説來,光圈越大,景深越小。手機鏡頭動輒f1.8、f2.2,數碼單反要是永遠用這樣的光圈,那就經常會出現鼻子清楚了、耳朵就模糊了的事情。但手機相機沒有這樣的問題。相反,手機相機常見的問題是不管拍什麼,統統是前景後景都清楚。對於到此一遊或者自拍照來説,這很好。但要想有一點表現力,突出主題,尤其是後景適當模糊,這就糾結了。這牽涉到另一個問題,景深不僅取決於光圈,還取決於成像大小。以全幅數碼單反為基準,在同樣的光圈下,1.6倍APS-C(對角線長度為全幅的1/1.6)的景深增加1.6倍。高檔數碼卡片機用一英寸成像芯片就算大的了,那就是2.7倍等效;更常見的1/2.5英寸成像芯片的低檔卡片機則是6倍等效。三星S7也是1/2.5英寸,iPhone 6S是1/3英寸,索尼Xperia Z5是1/2.3英寸,都大體在低檔卡片機等級。
換句話説,手機相機的景深天然就很長,大約是全幅相機的6倍,要那種背景糊化的效果就難了。噹噹噹,第一種雙鏡頭應用出現。主鏡頭還是拍照用的,輔助鏡頭不拍照,但用於測距和標定主要對象,並用大幅度脱焦的第二張照片與原照片合成,用脱焦模仿大光圈效果。問題是大光圈的景深效果是漸進的,可以由近而遠逐步增加模糊度;而脱焦的效果是跳躍的,中間無法過渡。如果畫面沒有中間距離的東西,這作假可以以假亂真;但要是有中間距離的東西,就容易穿幫,看着假。


真正的大光圈下的景深效果

手機(這裏是新的谷歌手機)的模仿效果

但這樣缺乏中景的場面就不大容易看出差別了
但卡片機的最大光圈在f4.5-5.6級,遠遠大於手機的f1.8-2.2級。卡片機鏡頭的直徑更是顯然遠遠大於手機。這是由於焦距的差別。三星S7的焦距為4.2毫米(35毫米等效為26毫米),這在過去就是超廣角了。f1.7意味着鏡頭有效直徑約2.5毫米。廣角鏡頭是掃街利器,35毫米和28毫米是最常見的掃街焦距,所以市面上固定焦距的高級數碼卡片機(如富士X100系列、理光GR系列)大多是35或者28毫米固定鏡頭。這也是自拍最有用的焦距/視角。問題是,人們也喜歡拍特寫,這就需要長焦了。從適合拍人像的75-85毫米的小長焦,但萬金油100-200的中長焦,到打鳥、狗仔專用的300毫米以上超長焦,不一而足。
過去長焦就是另一個鏡頭,現在可以用變焦,一鏡走天下。但手機鏡頭連機械光圈都沒有地方,變焦鏡組就免談了。怎麼辦?用數碼剪裁。把圖像的中間部分摳出來,不就等效於長焦的視角了嗎?沒錯,但代價是畫質。手機相機像素再多,也經不起這麼摳。三倍是對光學質量要求特別高的變焦的極限,像人們津津樂道的“大三元”(16-35毫米/f2.8、24-70毫米/f2.8、70-200毫米/f2.8),基本上沒有畫質損失,或者説畫質在任何焦距都與同等焦距的定焦鏡頭相當。但業餘級的要求沒有那麼高,10倍、15倍也時有所見,像18-300的“通用變焦”。一般認為,10倍變焦的畫質不好,但從廣角圖像裏摳的數碼變焦就可怕了。3倍變焦相當於只用中央10%的芯片面積,10倍就相當於只用中央1%的面積了。也就是説,22MP變成0.2MP了,就等着看馬賽克吧。再糟糕的光學變焦也比這強一萬倍。

長焦距在成像上的效果可以等效為窄視角


用中心剪裁也可以得到相當於變焦的效果,問題是周圍的像素就丟失了,放大到同樣尺寸,必然損失畫質

這是10倍變焦的剪裁等效,看看只有多少原畫面還剩下了

10毫米到300毫米的不同視角效果


光學變焦(中)與數碼變焦(右)的差別,左為原圖

另一個問題是透視。走上前、退後可以得到同樣的物象大小,但前景與後景的相對關係就變了,尤其是長焦的“景深壓縮”效果就沒了

還有一個問題是“廣角變形”,對於一樣大小的人頭像,用廣角鏡頭拍,容易出現變形,好像臉被打腫了一樣,鼻子尤其大;而長焦拍出來的圖像更加悦目。所以日本有人專用300毫米的超長焦拍人像,這當然是有點變態了,超過70-85毫米以後改善效果就不明顯了。比較也能看出,長焦也容易得出更加悦目的“脱焦背景”,為了可比,光圈都設在f5.6

景深壓縮也是長焦的窄視角的效果



長焦的景深壓縮也是人們經常追求的效果

廣角本來是挺適合拍風光的

但取景時不水平的話,也特別容易出現這樣的“透視變形”,房子向中間倒

廣角對這個人人自拍的時代也很重要,不廣角把臉裝進去都不容易,但廣角變形也是不可避免的,看這鼻子
噹噹噹,第二種雙鏡頭上場:一個廣角,另一個長焦。廣角和常規手機一樣,在28毫米級,長焦由於光學限制,其實也沒多長,也就70-80毫米級,再長,就只有回到數碼變焦了。在這兩個焦距之間,則用數字內插來作假,實現等效變焦。畫質嘛,能覺得數碼變焦管用的,自然不會太在乎。以為手機像素足夠,不怕造,那是想多了。
説到手機的像素,這又是另一個問題了。手機的成像芯片尺寸不超過低檔卡片機,同樣像素的話,每個像素的尺寸就要成倍小於數碼單反。集成電路可以做得集成度越來越高,但光學規律不跟着摩爾定律走。每一個像素實際上有一個微鏡頭,這是Bayer濾色鏡,把自然圖像分解成三原色,三個像素各自對三原色敏感,然後三個像素的信息合成起來還原成一個彩色的“實際像素”。在給定芯片尺寸的條件下,為了提高像素數,只有縮小像素,縮小Bayer濾色鏡。但光學透鏡的縮小是有限制的,過小的透鏡導致衍射,可以理解為稜鏡把白光分解成七色光。不僅顏色上分解了,光束也散開了,導致聚焦失效。所以手機像素的提高已經差不多到物理極限了。另一方面,越小的透鏡透光量越小,需要像素本身的感光度提高,增加了噪點,低光畫面尤其明顯。良好光線畫面放大到大尺寸後也會明顯。
這是小芯片的天然侷限。Hasselblad HD5“只有”50MP,比典型手機只多一倍,但畫質是不能相比的。Hassy的圖像放大到櫥窗廣告尺寸一點壓力都沒有,甚至可以放大到馬路和高樓廣告牌的尺寸。手機圖像就只能嘿嘿了,放大到11x14英寸也已經很樂觀了。像素多總是好的,但像素和像素也是絕對不一樣的。有一句話:“最新手機的畫質已經超過了幾年前的數碼單反”。我有一張放大到48x32英寸的桑托里尼旅遊風光照,這是當年我用佳能40D拍的。40D是2007年8月推出的,只有10MP,在當時都不是頂級數碼相機。放大到這樣的尺度,畫面的分辨力當然不足以數頭髮,但依然沒有看得出來的馬賽克。還沒有見到過任何手機能做到這一點。
為了彌補手機相機低光噪點的問題,第三種雙鏡頭隆重登場。主鏡頭還是原來的,輔助鏡頭只產生黑白圖像。芯片只能感受灰度,而不能感受色彩。所以彩色畫面被分解為三原色,當作黑白一樣感受灰度,然後三個通道合成還原為彩色圖像。但落到每一個色彩通道上,灰度都要打折扣。另外弄一個獨立的黑白通道的話,沒有這些損失,建立灰度底調,圖像就“立”起來了。灰度豐富、乾淨,主觀清晰度也提高了。光線充足、色彩豐富的話,差別不大;低光條件下,本來色彩就缺乏,灰度顯不出來,這樣通過黑白通道建立基調就特別重要。彩色實際上好像在黑白的灰度上染色一樣,本來低光時色彩就不豐富。這是富士膠捲和東芝彩電當年也用過的花招,另加一層黑白層。
第四種雙鏡頭是用兩個鏡頭拍3D圖像,但看3D圖像需要特殊裝置,現在越來越少用,3D電視、3D藍光這些都在淡出市場了。
但手機“裸露”的簡單鏡頭現在還看不出有什麼辦法可以抑制眩光。這對逆光拍照很重要。

這是眩光控制失敗的例子

這是眩光控制成功的例子


再加兩張眩光控制成功的例子,這些都是手機幾乎不可能達到的效果

這張其實眩光不是太大的問題,但對焦點是問題,用手機的話,就看雙鏡頭是否能有效隔離主體、鎖定主體,但前景、後景的漸變過渡還是沒有辦法解決
有了雙鏡頭,可以彌補一些定焦超廣角的光學侷限,畫質肯定可以滿足到此一遊和家庭團聚之類的要求。加上美圖什麼的,而且看圖多數是在手機上的微信裏,反正只有比證件照大不了多少的圖,手機照片對於很多人的一般使用確實是“足夠好”了。加上方便,再好的照片也要相機在手才有可能。出門不一定帶相機,但誰出門都帶着手機,這就是一個大優點。但人最大的問題就是喜歡攀比。都依賴自動化的話,拍出來照片同質化是不可避免的。看上去樣樣正確,但就是平淡。在這個連肥皂都要追求手工的時代,同質化是炫耀的大敵,那什麼樣的照片才能“鎮住”朋友圈裏的人呢?






壞天氣、特異光線






高調




低調
這些照片是用各種相機拍出來的,但只要掌握正確技巧,在正確的時候抓住正確的畫面,任何最入門級的數碼單反都能拍出這樣的照片,而不需要頂級相機。而這是手機相機幾乎不可能做到的。
但手機能拍出好照片嗎?絕對的。這些是iPhone拍出來的。










這些都是iPhone拍出來的,不乏歷年得獎作品。必須承認,這些都是佳作。但他們的照片之所以好,不是因為iPhone相機好,而是對畫面的感覺和拍照的技術好。要是那時手頭上正好有“正規”相機,拍出的照片更好,應該是沒有懸念的。