天天科普 | 為什么手機(jī)攝像頭越來(lái)越多？廠商不覺(jué)得“丑”嗎？

手機(jī)

發(fā)展速度越來(lái)越快

除了不斷提高的硬件配置

還有一個(gè)現(xiàn)象讓很多人不能理解

那就是攝像頭越來(lái)越多

以前的手機(jī)，背后只有一個(gè)攝像頭，而現(xiàn)在的手機(jī)，“二餅” “三筒”甚至“浴霸”層出不窮。手機(jī)攝像頭大部分情況是用來(lái)拍照的，那么拍攝一張照片，有必要設(shè)計(jì)這么多鏡頭嗎？

今天我們來(lái)研究一下：

手機(jī)是如何完成拍照的？

那么多手機(jī)攝像頭都有什么用？

關(guān)于手機(jī)攝像頭還有哪些小知識(shí)？

手機(jī)拍照

一部手機(jī)其實(shí)就相當(dāng)于一部縮小版的數(shù)碼相機(jī)，由光學(xué)鏡片、感光元件、處理器以及相應(yīng)的軟件組成。

首先，光線穿過(guò)手機(jī)的鏡頭會(huì)進(jìn)入到手機(jī)內(nèi)部的光學(xué)系統(tǒng)，光學(xué)系統(tǒng)其實(shí)就是一系列的透鏡，這些透鏡能把從物體發(fā)出的光線匯聚到感光元件上。感光元件緊接著會(huì)把接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，并將這些電信號(hào)編碼成手機(jī)芯片可以看懂的一串?dāng)?shù)字信號(hào)。

當(dāng)芯片接收到這些數(shù)字信號(hào)后，會(huì)將它們存儲(chǔ)起來(lái)，經(jīng)過(guò)一系列的處理后，把它們變成一串指令，然后“告訴”顯示屏上的每個(gè)像素點(diǎn)應(yīng)該發(fā)出怎樣的光。最后，屏幕上每個(gè)像素點(diǎn)發(fā)出的光匯聚到一起，就形成了一張完整的照片。

上面這些看似復(fù)雜的過(guò)程其實(shí)可以簡(jiǎn)單地看成三個(gè)過(guò)程：光學(xué)系統(tǒng)接收并處理光線→感光元件把光信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)→手機(jī)芯片記錄這些信號(hào)并將其呈現(xiàn)在屏幕上。

這個(gè)過(guò)程看似完美，但是卻潛藏著一個(gè)很大的問(wèn)題，那就是要想拍出一張完美的照片就要保證進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)的光足夠多、光學(xué)系統(tǒng)足夠復(fù)雜，這就需要一套盡可能大的光學(xué)系統(tǒng)和盡可能大的感光芯片，這與手機(jī)越做越輕、越做越薄的理念是背道而馳的。

而且，當(dāng)我們拍攝較遠(yuǎn)的物體時(shí)往往需要變焦的功能，過(guò)于薄的光學(xué)系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)光學(xué)變焦，只能通過(guò)放大像素的方法來(lái)將圖像放大，這會(huì)導(dǎo)致圖像清晰度的下降。

那么怎樣才能在不增加攝像頭厚度的情況下繼續(xù)提升手機(jī)的拍攝能力，讓畫面更清晰更明亮呢？增加攝像頭數(shù)量就是一種不錯(cuò)的方法。

手機(jī)攝像頭

隨著技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)智能手機(jī)攝影功能的需求越來(lái)越高，包括高清的細(xì)節(jié)、光學(xué)變焦、定制化的散景效果等。但手機(jī)內(nèi)部的空間有限，不能像專業(yè)相機(jī)一樣，安裝一個(gè)巨大的變焦鏡頭，于是采用多攝像頭的技術(shù)來(lái)解決這些問(wèn)題。

首先，每部手機(jī)有一個(gè)主攝像頭，主要功能是采集拍攝畫面。其實(shí)主攝像頭拍攝畫面的清晰度完全是足夠的，但拍出的畫面可能無(wú)法足夠突出主體，也可能色彩不夠鮮艷，夜景模式下拍攝的物體輪廓也容易不清晰，尤其在拍攝遠(yuǎn)景時(shí)，無(wú)法滿足拍攝需要。

于是開(kāi)始出現(xiàn)了雙攝像頭手機(jī)，一個(gè)是彩色攝像頭，負(fù)責(zé)拍攝彩照，一個(gè)是黑白攝像頭，負(fù)責(zé)拍攝黑白照。而彩色攝像頭+黑白攝像頭，就能實(shí)現(xiàn)更清晰的夜景拍照。

夜景條件下因?yàn)楣饩€太暗，我們拍出來(lái)的照片經(jīng)常是黑乎乎的一片，想讓夜景條件下拍攝的照片更加清晰，就需要增加進(jìn)光量，增加進(jìn)光量的方式有三種：增大光圈、延長(zhǎng)曝光時(shí)間、提高ISO感光度。

目前絕大多數(shù)手機(jī)上的光圈都是不可調(diào)節(jié)的。延長(zhǎng)曝光時(shí)間雖然能增加進(jìn)光量但會(huì)帶來(lái)抖動(dòng)的問(wèn)題，即便目前大多數(shù)手機(jī)廠商都配備了光學(xué)防抖功能，但光學(xué)防抖的能力畢竟是有限度的。

數(shù)碼相機(jī)本質(zhì)上是光電轉(zhuǎn)換，提高感光度，相當(dāng)于在光信號(hào)變成電信號(hào)時(shí)乘一個(gè)倍數(shù)，電子噪音也可能會(huì)被當(dāng)做正常信號(hào)記錄下來(lái)，這樣會(huì)增加照片上的噪點(diǎn)，使照片不清晰。

當(dāng)物理性增加進(jìn)光量的方法在手機(jī)上遇到了“瓶頸”，就需要請(qǐng)出算法的力量了。在這里要引出一個(gè)概念：拜爾濾色鏡（Bayer Filter）。目前數(shù)碼相機(jī)、掃描儀等設(shè)備的圖像傳感器大多使用它來(lái)制作彩色圖像。

我們使用彩色攝像頭拍照時(shí)，自然光會(huì)被拜爾濾色鏡過(guò)濾，經(jīng)過(guò)一系列復(fù)雜的排列和算法，最終生成彩色圖像。在這個(gè)過(guò)程中，光線是有損耗的。而黑白攝像頭沒(méi)有配備拜爾濾色鏡，會(huì)讓所有的光線都通過(guò)，獲得更高的進(jìn)光量，拍攝出來(lái)的圖像更加清晰，細(xì)節(jié)保留的更多。

當(dāng)手機(jī)擁有黑白和彩色兩種攝像頭時(shí)，就可以同時(shí)拍到一張色彩鮮艷但有些許噪點(diǎn)的圖像和一張更加清晰、噪點(diǎn)更少的黑白照片。手機(jī)芯片會(huì)將兩張照片中的信息匯總，通過(guò)算法合成出一張既清晰，色彩又絢麗的照片，兩全其美。

此外，人們進(jìn)一步希望手機(jī)能具有背景虛化、光學(xué)變焦、廣角等功能。于是在雙攝像頭之后，又繼續(xù)增加了多個(gè)輔助攝像頭。手機(jī)可以自動(dòng)比較不同攝像頭拍攝的照片，利用算法識(shí)別出畫面中哪個(gè)物體離我們近，哪個(gè)物體離我們遠(yuǎn)，然后利用設(shè)定的程序，將離我們較近的物體盡可能清晰地顯示出來(lái)，從而達(dá)到良好的拍攝效果。

總之，手機(jī)上的每個(gè)攝像頭，它們合理分工，各司其職，將不同物體的輪廓、顏色、遠(yuǎn)近等信息一一記錄下來(lái)，再通過(guò)手機(jī)芯片，合成圖像，展現(xiàn)在我們的眼前，充分滿足我們的攝像需求。

攝像頭小知識(shí)

小伙伴們有沒(méi)有發(fā)現(xiàn)，不管手機(jī)做得多薄，總會(huì)有一個(gè)“凸”出來(lái)的攝像頭。

為什么越來(lái)越薄的手機(jī)上還要搭載如此厚重的攝像頭呢？其實(shí)這主要由于光學(xué)結(jié)構(gòu)的限制。任何透鏡都不是理想的，由于各種因素的限制，不同光線經(jīng)過(guò)透鏡后無(wú)法完美聚焦，使得畫面出現(xiàn)變形、模糊、色差等問(wèn)題。

無(wú)奈之下，人們?cè)谟糜诔上竦耐哥R前后增加了一套光學(xué)修正系統(tǒng)，來(lái)彌補(bǔ)透鏡的不足。但光學(xué)修正系統(tǒng)本身也是由各種各樣的鏡片構(gòu)成，鏡片越多，鏡頭模組越厚，也就難以避免地增加了攝像頭的厚度。

除了成像和修正系統(tǒng)外，攝像頭里還包括了各種濾光、保護(hù)、固定等作用的構(gòu)件，這些都會(huì)增加攝像頭的厚度。前文提到的光學(xué)防抖功能也會(huì)進(jìn)一步加大、加厚鏡頭模組，攝像頭自然會(huì)更“凸出”。