手机相机:三镜头如何超越双镜头?(上)

支持低光线拍摄的三镜头配置

三镜头相机能让使用者在光线相对较暗的场景中拍摄照片,而且变焦功能也不会打折扣。在演唱会现场拍摄舞台上的画面就是一个很好的例子,这种场景不但需要变焦,而且需要能支持低光线拍摄。

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图1:支持低光线拍摄的三镜头配置。(来源:Corephotonics)

连续变焦功能源自于以下几点:

1.单色相机(Camera I)因为没有使用通常会配置在彩色相机传感器画素中的拜尔滤色镜数组(Bayer filter array),而能提供更高的对角线分辨率(diagonal resolution);在这种系统中,能使用彩色相机(Camera II与Camera III)来实现色彩重现。

2.单色广角相机与彩色广角相机(Camera I与Camera II)不同的空间取样尺寸(例如画素尺寸),也有助于此双镜头子系统的整体放大倍率性能。

3.第三个相机还能支持来自望远镜头之更高的中央分辨率(center resolution)。

强化低光线拍摄性能,源自于与三镜头都有相关的、相对较低的焦比(f/#;镜头光圈设定)。将彩色相机(Camera II)输出讯框与单色相机(Camera I)输出讯框融合,会取得是前者两倍的光线,如此也能大幅改善SNR。

两倍曝光的效益是不采用彩色滤光片数组的结果,因为在彩色滤光片中,每个画素会被过滤为只记录三种色彩中的一种,以牺牲整体潜在可吸收光线为代价。

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图2:RGB/单色(Mono)/望远(Tele)三镜头能支持更佳的光线敏感度以及光学变焦。(来源:Corephotonics)

另一个这种三镜头配置方案胜过现有双镜头变焦相机的显著优势,是在Camera I与Camera II之间有较大的重迭视野(field of view,FoV);这种功能可以在扩增实境(AR)以及数字散景(浅化背景深度的效果)等多种应用中,支持整体宽广FoV中的立体深度感测,而此种配置的一个显著缺点是在静态影像撷取时的快门延迟相对较高,而且在视讯录像时的低光线拍摄性能就没有改善;此外很重要的是,这类相机系统的功耗必须小心监控,以避免当三镜头同时运作时发生悬崖式掉电。

支持广角拍摄的三镜头配置

镜头排列顺序对系统性能会有影响;举例来说,将广角彩色相机放在中间,能在视讯拍摄时支持较顺畅的广角镜头到望远镜头过渡,同时简化两相邻相机(彩色与单色)之间的融合程序。但这种配置的代价是牺牲立体深度感测精确度,不过能透过将广角彩色相机与广角单色相机放在相对两端来改善。

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图3:鱼眼变焦相机配置。(来源:Corephotonics)

这种相机配置会非常适合旅游爱好者;举例来说,在拍摄开阔的景观时,超广角镜头能避免一般采用影像拼接的拍摄模式。同时非常有助于在变焦时撷取精细的影像细节;现在的智能手机只能让用户在影像质量较佳的光学变焦或是超广角画面中二选一,但三镜头配置就不需要做出这种抉择。

相较于前一种三镜头配置,这种配置能以更经济的方式处理功耗,因为大多数时间只有一个镜头启动,依据用户的变焦倍数;此外此相机数组顺序背后的逻辑会更直接,因为依据相机放大性能,相邻的两相机之间会一直以连续模式无缝切换。

这类系统的挑战在于超广角镜头会有相对较高的影像失真,特别是在视讯平滑过渡、融合两个影像甚或是工厂校准程序时;不过热爱摄影的手机使用者,会非常欣赏望远镜头较长的焦距,能让他们从远处拍摄到效果更好的目标物特写。

支持折迭式望远相机的三镜头配置

这种三镜头配置也能让用户享受前所未有的真正5倍光学变焦,不需要妥协于今日的智能手机外观(也就是能与无边框全屏幕显示器共存的5mm高度相机)。而尽管F/#相对较高(例如f/2.8),望远镜头的低光线拍摄性能也很出色,因为折迭式望远镜头强化了入摄瞳(pupil),比起标准RGB广角镜,能撷取五倍以上的光线;比起前面提到的这种配置中的广角相机,光线撷取量则是超过2.5倍。

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图4:采用先进折迭光学技术的三镜头配置。(来源:Corephotonics)

这种超级变焦三镜头配置,从1到5倍变焦都能提供无缝、连续的变焦体验,无论是拍摄静态影像或是4K视讯录像;结合多讯框(multi-frame)技术、影像融合以及多阶影像(multi-scaling),这种相机最高能提供25倍变焦。结合可折迭变焦光学组件与OIS技术,这种先进的三镜头系统能改善今日智能手机相机的两大缺陷:低光线拍摄性能以及光学变焦倍数不足。

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图5:广角/2倍望远/5倍望远拍摄。(来源:Corephotonics)

报酬递减原则

我们在这篇文章中探讨了三镜头摄影系统的关键挑战,以及可能很快会被业者采用的三种不同相机配置方法。

一般来说,报酬递减原则(Law of Diminishing Returns)也适用于多镜头技术,在双镜头配置中的第二个相机在提升使用者体验上提供了最高的报酬,但任何一种三镜头配置中的第三个相机,可能需要为整体使用者体验带来很明显的价值,才能抵销其添加的额外成本、占位面积以及复杂度。

无论如何,三镜头配置能充分解决低光线拍摄时的限制(包括静态影像与动态视讯撷取),同时提供适当的光学变焦能力(3倍以上),这在近期之内会成为对手机业者来说最具说服力的解决方案。

(本文授权翻译自EDN姊妹网站EETimes,参考原文: Triple Cameras: Are Three Better Than Two?,由Judith Cheng编译)

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