1+1更好？ 由华为P9看双镜头设计发展史

　　双镜头设计，这个早在胶片时代就已经被渐渐淘汰的设计在如今的数码时代再次被大家想起，并应用到了新一代手机的影像输出方案中。这种设计是不是能达到1+1>2的效果呢?这次，我们就来跟大家好好聊一聊双摄像头设计的发展史。

　　双镜头(甚至是多镜头)设计，可以说是影像拍摄系统发展史中很独特的一个分支。这种独特的双镜头设计在相机领域经历了一番兴衰后，如今借着智能手机的发展又获得了新生。为何双镜头如今又成为新宠了呢?咱们就从双镜头的历史开始聊一聊。

　　新一轮手机拍照性能大展，双摄像头设计成为一大趋势

　　最著名 双反相机 成像取景分别使用

　　双镜头这种设计，如今在相机领域几乎已经绝迹了。但说到双镜头设计最著名的一种“形态”，要数我们非常熟悉的一种经典相机机型——双反。各位如果家里有老相机的朋友，相信都见过类似海鸥双反这样的产品。这种双镜头相机，算得上是我们最为熟悉的一种双镜头设计相机。

　　最早的双反雏形，可以追溯到1880年

　　但 实际上，双反和我们现在说的双镜头结构有着很大的不同，双反的两颗镜头并非都用于成像(双反的镜头一个用于成像，一个用于取景)。双反的双镜头设计实际上 是为了解决早期相机最大的难题——取景。早年相机的一大瓶颈是取景，没法取景和确认对焦也就谈不上精准的拍摄。而双镜头的设计最早就是为了解决这一问题， 相机用户终于可以利用与镜头光轴平行的光路进行取景拍摄，在早年单反设计非常不成熟的时期(两种结构诞生时间接近，但早期的单反结构是非常不靠谱的，是后 期慢慢完善后才成为一种成熟的机型)，双反结构设计可谓是取得了巨大的成功。

　　从结构图中可以看到，双反的双镜头并非都用于成像，其中一个是用于取景的

　　禄来可以说是双反中最具代表性的品牌，其2.8F上的80mm镜头有着极高的素质

　　当 然了，这种设计随着单反系统的日益成熟而逐渐衰落，双反结构在体积方面的劣势使得其在小型化方面有着明显的劣势。在大量单反相机快熟成熟，以及135胶卷 的快速普及后。双反结构渐渐成为一种落后的设计，其性能优势主要变成了镜头优势(如，禄来2.8F那颗铭镜蔡司Planar 1:2.8 /80mm，这 颗可谓是中画幅中的标头之王了)和相对其他中幅机型的体积优势。作为一种设计结构而言，可以说双反结构在胶片时代后期就已经渐渐退出历史舞台了。

　　最传统 立体相机 3D镜头是延伸

　　而除了上面我们提到的双反外，双镜头设计在早期相机的发展中还有另一种存在方式，这就是我们接下来要说到的立体相机。立体相机，顾名思义，其拍摄的照片最终呈现效果是立体照片。而这种双镜头设计，实际上是为了模拟双眼视差，从而形成立体化的效果。

　　实际上，最早我们见到的双镜头设计是这种立体相机，用以拍摄立体照片

　　可以看到相机的片仓，每次按下快门会同时拍摄两张稍有视角差的照片

　　那 么这种立体相机长得什么样呢?如笔者在这里给大家展示了一些立体相机的照片，可以看到，相机的镜头是位于机身正面，各置一侧，两镜头相互平行，中间相隔一 段距离。拍摄是，相机在按下快门时会形成两张针对同一场景有一定视差的两张照片。至于观看，这种相机拍摄后的照片需要使用专用的观片器来观看，而其拍摄的 效果，我们通过下面的照片简单地向大家展示一下。

　　相机拍摄的成片类似我们看到的上图(图片引自海外网站)

　　立体照片需要使用观片器来观看，这种立体照片在动态影像(电影)诞生前相当受欢迎

　　这种立体相机拍摄的立体照片曾经风靡一时，后来，随着电视等动态影像的兴起，这种立体照片也渐渐失去了往日的光辉。

　　松下曾推出过12.5mm f/12 3D镜头配合M4/3机身使用

　　而随着进入数码时代，这种双镜头的立体相机演变成了可换镜头相机上的立体镜头。以一种全新的姿态出现在我们眼前，这就是3D镜头。在数码时代我们较为熟悉的3D镜头，一款是松下推出的3D M4/3镜头，另一款则是三星推出的3D镜头。

　　三星的45mm f/1.8 3D镜头，能看出虽然是单一镜头，实际上镜头内部也是分光结构，已经是独立成像的两部分了。

　　从光学原理上讲，实际上3D镜头的功能类似于早期的立体相机的双镜头设计。我们从一些3D镜头的照片中可以看出，实际上3D镜头是在一个传感器成像的像场范围内，使用了两枚镜头进行拍摄。而后进行后期合成，最终形成可以使用3D影像观看设备观看的3D照片。

　　数码相机可以通过3D镜头合成立体照片来观看(图为：youtube红绿立体视频截图)

　　但 实际上无论是胶片时代的立体相机还是后来数码时代的3D镜头。这些设备最初以其新奇获得了大家的关注。但随着动态影像技术的发展、3D显示设备本身的局限 性问题等等使得这些产品都已经渐渐退出了我们的视野。3D镜头如今已经基本淡出普通民用领域，这种双镜头设计可以说在相机领域已经逐渐成为绝唱了。

　　获新生 手机双摄像头 经历3代渐成熟

　　就 在双镜头设计在民用相机领域渐渐消失之时，这种双镜头设计如今又在手机领域以一个全新的姿态出现在我们的面前。而手机的双镜头设计，最早也是从3D立体摄 影开始的。有些朋友可能会想起“火腿肠”HTC的G17，但早于HTC，LG推出的LG Optimus 3D才是第一款采用双摄像头设计的智能手机产 品。

　　最早一代双镜头手机是LG的Optimus 3D和HTC的G17，目的是为了3D拍摄

　　早 年的手机双摄像头设计目的很简单，是为了实现裸眼3D效果。从拍摄镜头角度来看，其实现方式类似于我们上边提到的立体相机，同样是利用双镜头见的视角不同 形成的时差来制造3D效果。但这种3D效果有着很多的限制，首先是观看，由于裸眼3D手机的3D实现效果是基于Parallax Barrier(视差屏 障技术，或者叫光屏障式)，因此拍摄时必需是横向拍摄(屏幕本身的限制)，此外观看也需要从固定角度来观看。再加上其显示亮度、显示分辨率的限制。这种 3D效果渐渐成为一个单纯的噱头而非技术优势而存在了。

　　第二代双摄像头手机产品如HTC ONE M8，是为了模拟浅景深

　　当年的这个浅景深模拟效果的确是不敢恭维，合成效果差强人意

　　之 后手机的双镜头发展到了模拟浅景深效果上，这里我们就要提到当年的一款另类手机HTC ONE M8。这款采用双摄像头的手机其双摄像头是为了模拟浅景深 效果。而在其官方公布的介绍中，称手机的双摄像头是一个用于采集景深数据，另一个镜头用于成像。但从最终的成片效果来看……基本就是一个镜头拍摄纯虚化照 片，一张拍摄合焦照片后的合成……从最终成像效果来看，其离技术成熟还有相当的距离。

　　华为P9采用彩色+黑白双摄像头的方案来提升画质

　　经 过了一段时间的发展，手机的双摄像头设计开始回归到画质提升上。最新一代的双摄像头设计可以说是从华为的荣誉6Plus开始的。这一代智能手机的双摄像头 开始以双摄像头获取图像信息后，合成单张的更高质量的单张照片。而之后的奇酷和华为P9则可以称之为是这一代双摄像头产品的后续，比较独特的地方在于，手 机采用了彩色+黑白双摄像头的设计，用以提升手机的画质(尤其是高感)表现。

　　LG G5的双摄像头则为了实现光学变焦而不损失照片分辨率

　　之 后不久，又出现了LG G5这样的双摄像头设计，通过双摄像头实现光学变焦，从而达到变焦而不影响照片输出分辨率的效果。可见，双摄像头设计从手机上出现 的这短短5年时间，也已经可以说是有了相当大的进步和完善，双摄像头也从最开始的广告价值渐渐成为真正意义上的成像价值。

　　黑白辅助 真实CMOS 提升画质是目的

　　那么如今这种手机的双摄像头设计是否能带来真正意义上的画质提升呢?这里咱们还是从最近华为P9开始聊起。华为的双摄像头设计很独特，其采用了彩色+黑白双摄像头的设计。为何会加入黑白传感器呢?原因很简单，黑白传感器的灵敏度更高，能更好的感知拍摄画面的细节。

　　常规图像传感器本身是都是黑白的，彩色是依靠传感器上增加的一层色彩滤镜

　　真实色彩的传感器，现阶段只有适马的FOVEON X3传感器

　　这 里笔者也来普及下现阶段CMOS图像传感器的一些基础概念。首先，除非特殊设计(如适马的FOVEON X3)，其他相机/手机的CMOS传感器都是黑白 传感器，之所以能够拍摄出彩色照片，是因为传感器前增加了马赛克排列色彩滤镜(也叫拜耳滤镜)，从而让传感器猜出拍摄的色彩，并最终还原在输出的画面上。 当然，这一层色彩滤镜，必然会降低传感器本身的进光量，此外也会在一定程度上影响传感器的细节记录能力(毕竟传感器前面多了一层滤光层)。因此，在相机领 域也有为了追求更好的高感和细节表现力而去掉色彩滤镜的机型，而那款相机就是鼎鼎大名的徕卡M Monochrom。

　　如果你技术够好，可以擦除传感器上的色彩滤镜来获得一个黑白传感器

　　徕 卡的M Monochrom可以说是我们见到的最早采用黑白传感器的相机类成像方案。其做法其实解释起来很简单，就是将徕卡M9的CCD传感器上的色彩滤 镜去掉。很明显，去掉色彩滤镜后，传感器的灵敏度、高感表现都有了很大程度的提升。这相当于让传感器直接接受光线讯息，显然要比隔着一层滤镜要来的好。

　　消费级影像产品中第一款使用黑白传感器的是徕卡M Monochrom，其高感和解析力相较于原先的M9-P都有很大提升，原因就在于去除了色彩滤镜。

　　华为双摄像头的意图在于利用黑白传感器记录更多图像讯息，从而获得更高质量的照片

　　那 么像华为P9这样的手机其双摄像头的目的又何在呢?这也算是双摄像头的一个野心之所在。其目的在于既能获得去掉色彩滤镜后黑白传感器的细节表现和更好的灵 敏度(更好的暗光拍摄能力)，同时还能获得彩色的照片。也就是一个传感器用于记录色彩信息，一个传感器用于记录光影和细节信息。最终合成成一张拥有更多讯 息的照片。从技术发展的角度来看，无论现阶段的产品性能表现究竟如何，这的确是一种不错的解决思路。

　　究缘由 体积受限 提升画质新手段

　　从相机发展的历史来看，双镜头已经成为一种过时的设计。那么这种设计为何如今成为了手机拍照解决方案的新宠呢?说起来，其最大价值反而在于其在相机上的短板——体积控制上。真可谓是败也双镜头，成也双镜头。

　　手机双摄像头的设计，可以说是一种体积限制下的画质提升方案，也可以说是一种另类的超采样　　不同于相机的发展，手机拍照系统的画质提升面临一个最大瓶颈——摄像头体积。这里与其说是体积，其实更准确地说应该是传感器+镜头的厚度总和。智能手机受限于便携性和消费者的选购趋势，其整体厚度有着相当苛刻的限制。这就造成了手机的成像发展必然会受其制约。

　　松下CM1虽然拥有傲人的1英寸传感器，但是其可怕的机身厚度让其很难成为市场的主流

　　正是这种厚度上的限制，一方面限制了镜头的光学设计，另一方面实际上也限制了手机可以使用的图像传感器画幅尺寸(传感器画幅越大，镜头体积越大。同理，镜头体积的限制也带来了传感器画幅的限制)。 在如今常规尺寸的手机上，使用1/2.3"的传感器已经可以说是一个极限了(松下的CM1是一个特例，但是其厚度也已经远远超过普通智能手机了,拿 iPhone来对比，其机身厚度是iPhone的2倍，镜头部分更是达到了3倍……)，大图像传感器带来的手机厚度增加已经让不少人望而却步，因此很难让 手机采用更大的传感器来提升画质。

　　在镜头尺寸已经限定的前提下，多摄像头成为提升画质的手段

　　因此，手机的图像解决方案想到了摄像头1+1的方案。双摄像头同时记录同一区域的场景信息，显然要比一个摄像头记录的讯息要更多(例如黑白+彩色的双摄像头设计，分工更明确)。采用水平横置双摄像头的设计，可以在不改变机身厚度的同时来增强拍摄画质。

　　这点手机就不同于相机设计，因为手机使用的传感器尺寸小，手机有一整个机背空间可以用于放置更多的摄像头而不会造成整体体积的增加。而相机则因为成像像场大的原因，不可能在同一机身上放置双镜头。可见不同的设计条件，也造就了不同的设计模式。

　　甚至还有更极端的16摄像头版本Light 16

　　那么多摄像头能带来什么好处呢?笔者认为，在相同技术工艺和画幅相同的前提下，更多摄像头拍摄后合成的照片显然质量要比单摄像头画质来的要更好。双摄像头记录了更多讯息，其可以理解为一种另类的超采样模式，多次的图像采样显然要比一次采样来的更好。

　　多镜头设计对于相机领域而言已经是过时的设计了，面对越来越大的传感器画幅，解决单一传感器所需镜头的体积都是个大问题，更不用说多个镜头了。

　　相机如今完全无需考虑多镜头设计，画幅面积的巨大差距使得手机即便有再多的摄像头其画质也是被更大画幅的相机吊打的命。可见：多传感器优势仅限于同级别传感器，面对更大画幅是没什么效果的。

　　那么为何相机并未采用这一设计呢?原因也很简单，更大更好这一原则在画质表现上无论如何还是会秒杀小传感器的数量优势(可以理解为质变大于量变)。 如全画幅传感器的性能优势使得其在成像画质方面可以轻松战胜1英寸或者更小尺寸传感器的性能表现。就更不用说更大尺寸的中画幅传感器在性能上的优势了。此 外，也如我们之前所说，相机的大尺寸传感器需要更大像场的镜头来适配，从如今无反/微单发展的瓶就可以看到，单镜头尺寸都是个大问题，更不用说更多的镜头 了。而手机则是在限定了传感器尺寸上限的情况下寻求提升画质的解决办法，这时多镜头设计就成了一种很好的选择。

　　笔者相信，未来双镜头设计会是高端手机的拍照解决方案主流趋势，尤其是解决变焦画质损失方面，双镜头的确是很好的解决办法。

　　最后我们来简单总结下双镜头设计的发展，就相机领域而言，由于双镜头设计就大尺寸传感器而言体积增加过于庞大，相对于其他结构也缺乏性能优势，因此可以说从胶片时代单反结构崛起后，就已经宣告了双镜头结构退出了历史舞台。对于现在的数码影像设备而言，其只能在专业的3D拍摄领域稍有发挥，对普通消费级用户而言意义不大。

　　而 对于手机的拍照系统而言，体积的限制正巧成为了双镜头(准确说是双摄像头)发展的契机。如今各大手机厂商也在寻求更好的画质表现，除了ISP优化，使用更 好的传感器外，多镜头的设计的确带来了一种新选择。双镜头会否成为未来手机摄像头的一个发展趋势呢?笔者认为，在旗舰级智能手机上，我们很可能见到越来越 多这样的设计。双镜头的两条发展方向都有潜力可挖，一种是类似华为P9的双摄像头设计，以一种另类超采样的方式来获得更高的画质；另一种类似LG G5这样的双焦距设计，很可能成为手机在保持轻薄化的同时解决光学变焦的最好途径。未来手机的画质水平能提升到怎样的水平，也的确是值得让人期待。