鏡頭演化史:哪個它,更能拍出你的美? 讓人著迷的三種 雙鏡頭

本篇文章為業界資深前輩 彭明義 先生在臉書所發表的「相機冷知識」貼文,由於是難得一見的優質乾貨,在獲得授權後轉載至電腦王阿達,特此感謝!
這幾週手機廠紛紛端出他們下半年的重量級牛肉, 雙鏡頭 似乎是各家旗艦機種都十分著重的焦點,作為一個攝影愛好者、手機廠前員工、晶片設計公司的現職工作者,趁著週末的零碎空檔,花點心思將手機與相機拍照上的熱科技與冷知識一併整理一下。
雙鏡頭
▲搭載聯發科晶片,台灣沒上市的雙鏡頭手機 Meizu Pro 7

智慧型手機對相機銷量的影響

智慧型手機對相機總體的銷量影響已經是不爭的事實,不過最大的銷量變化是發生在隨身數位相機(俗稱卡片機)這個領域,卡片機主打的數位化、輕巧、便於攜帶,在智慧型手機的相機模組功能不斷提升下,在實拍照片上幾乎已看不出顯著差異,再加上使用「照片」的「最後一哩」從印出相片的實體收藏,轉變成數位收藏(電腦內檔案)與展示(數位相框),直至今日的社交分享和雲端儲存,拍完即能上傳/分享的手機,完勝需要再透過電腦轉介或處理的數位相機。智慧型手機的普及,不單單侵蝕了數位相機的市場,更重要的是,人人都成為視覺內容的製造者 (UGC: User Generated Content),或者是說,它讓具有「相機」功能的硬體設備,達到了史上數量最高峰且總數仍在持續增加中。
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▲數位社群的年代,人人都是UGC,圖片引用出處。

數位相機與手機上的相機模組結構差異

這樣講來,不能直接連上 Internet 的數位相機窮途末路似乎已近在眼前。但個人覺得也不盡然,主要的差異在於成像品質與構圖限制。我們先來看看數位相機與手機上的相機模組結構為何,再來分析其中的不同。
相機的最前緣是鏡頭,它是由多組鏡片所組成,這些鏡片扮演的角色就好像眼睛裡的水晶體,讓光線透過經過精密計算的折射,導入底層的影像感測器 (Image Sensor,也稱為圖像傳感器),影像感測器的功能相當於眼睛的視網膜,它轉化投射在感測器感光部位上「瞬間/照片」或「連續/影片」的光線成為 RGB 分色的類比訊號,這些訊號後送到影像訊號處理器 (ISP: Image Signal Processor) ,透過演算法將類比轉為數位信號,並重新組合成一張數位照片或一段影像,影像訊號處理器對應的就是大腦枕葉距狀裂兩側的視覺中樞,讓你真正能「看」到世界,最後再透過記憶卡暫時儲存(如同大腦裡的海馬體)這個檔案。

圖片出處

我們上面提到的鏡頭、影像感測器、影像訊號處理器都是重要的「硬體元件」,他們都有各自的規格,當然性能的差異也全數反映在成本上。
鏡頭的主要規格在焦段(可見視野)與最大光圈(進光量),其他影響鏡頭成像品質的元素還包括鏡片的變形控制、抗耀光能力、成像銳利度等等。焦段的表示方法是多少 mm,光圈的表示方法則是 f/ 多少,這兩個數字都要和影像感測器的規格搭配才有互相比較的意義。

焦段的數字越大,表示將遠方的物件拉得越近成像,即是「望遠」的效果,相反的焦段的數字越小,就表示視野內看到的東西越多,就是「廣角」的效果。一般而言,對應一張傳統底片大小尺寸影像感應器(Full Frame / 全片幅)的鏡頭,在 24mm 以下的焦段會稱作廣角鏡,35mm 的焦段最接近人類雙眼疊加的正常視野(一隻眼睛對應到約 50mm 的視角,這也是在相機上 35mm /50mm 被定義成標準鏡頭原因),50mm 以上會被統稱為望遠鏡(又可以再細分為中望遠、高望遠、超望遠等等)。由於手機內部空間非常的有限,手機鏡頭都採固定焦段的設計,而大部分的數位相機則是採可變焦段的設計,透過手動轉動鏡身或電動調整鏡片組內鏡片間的距離,以達到變換視野的目的,也就是一般所謂的「光學變焦」,如果廣角端設定在 24mm,望遠端設在 72mm,這樣的組合就稱為 72 / 24 = 3「三倍光學變焦」 。在手機上,因為是固定焦段,所以一般廠商都會選擇偏廣角端的焦段,譬如三星的 Galaxy S8,就是採用全片幅等效的 26mm 定焦鏡頭。
Samsung Galaxy S8+ 開箱 - 25

光圈是指調節進光量多或少的機構,光圈的數值越低,表示光圈開幅越「大」,反之光圈的數值越高,表示光圈縮的越小。在同樣的快門速度下,每擴大一級的光圈,進光量是上一級的一倍,譬如說 f/2.8 的光圈是 f/4 光圈進光量的一倍,而 f/4 的光圈又是 f/5.6 光圈進光量的一倍。光圈進光量大時,快門(控制曝光時間的機制)的速度就可以更快(縮短時間),高速的快門可以有效減少曝光時因為手的晃動而導致的影像模糊,一般而言快於 1/30 秒的快門速度是手持攝影的相對安全速度(當然還是因人不同),在夜間、室內、沒有閃光燈等場合,開上大光圈有較高的機會可以讓 1/30 秒的快門取得沒有晃動且足夠完整成像的進光量,進而提升拍攝清晰相片的成功率。光圈開啟的幅度,除了影響進光量外,也影響合焦區域的範圍以及合焦範圍外影像的清晰程度,也就是現在大家都掛在嘴邊的「景深」。開啟較大光圈時,合焦範圍較窄,合焦區域內的影像是清晰的,合焦區域外的影像會變得相對模糊,結果使主題(通常是對焦點附近)能在模糊的背景下特別突出,因為對焦處的主題抓住了觀賞者的視線,而模糊的背景讓四週更佳的襯托主體,大家都會說這張照片拍得好,這就是「淺景深」的視覺優勢。一般的光學變焦相機會將最大光圈配置在 f/2.4 – f/4 之間,定焦相機會配上 f/1.8 – f/2.4 的鏡頭,而旗艦手機上則會搭配在 f/1.7 – f/2.2 間的主鏡頭。
OPPO R11 澳門之旅 - 24

除了大光圈,光學影像穩定器 (OIS: Optical Image Stabilizer) 是另一種方法來克服因為手震而導致的模糊影像。工作原理基本上是透過馬達來穩住鏡片,反抗因手持不穩造成的晃動,在釋放快門曝光的過程中,儘可能 hold 住鏡片保持不動。它可以代替放大光圈,在 1/15 秒甚至是更長的快門時間內,幫助鏡頭穩定的擷取畫面。影像穩定器也可以直接設置在影像感測器上,藉由穩定感光元件達到類似的目的,對於拍照或攝影而言,反正沒有晃動、沒有傷害。裝設在影像感測器上的穩定器又有分三軸、五軸的差異,三軸能處理中心點不動,XYZ 三個維度軸面內旋轉的晃動,五軸則是多了針對中心點本身上下左右移動的消除,五軸防手震對於移動或搖動中的拍攝有更佳的穩定效果,今年手機的旗艦機種的主鏡頭幾乎都有搭配光學防手震功能。


▲圖片來源小米

影像感測器上的規格差異主要在尺寸、解析度與 ISO 動態範圍,越大的影像感測器能擷取(與需要)的光線資料量自然越多,在同樣尺寸的感光元件上,解析度越高的感測器所能「編譯」數位照片的解析度也越高,ISO 範圍越廣,越能在低光源的環境下拍出成功的照片。其他的差異還包括對焦方式、對焦點數、測光區域數等等。

手機主相機用的影像感測器尺寸多在 1/3 或 1/2.3 吋之間,解析度則落在 1,200 萬到 2,300 萬之間,Sony Exmor RS for Mobile 是多家旗艦手機最愛採用的影像感測器。在數位相機上,為了做出與智慧型手機的成像品質差異,目前多採用 1″, 4/3″ (13.4mm x 7.8mm / M43 系統), APS-C (22.5mm x 15mm / Canon), APS (36mm x 24mm, Full Frame / 全片幅) 等規格的影像感測器。影像感應器尺寸越大,所擷取與需要的進光量也越大,因此同焦段、同光圈值的鏡頭通常也相應變得更為巨大,當然結果是產生照片的畫質更好、光學景深效果也更明顯。同樣是 24mm, f/2.8 的廣角定焦鏡頭,對應到 full frame, APS-C, 43, 1″, 1/3″ 影像感測器的鏡頭尺寸(與重量)就會依次大幅度的縮小。

圖片來源

解析度是影像感測器的另一個規格維度,在早些時候,解析度越高被視為越高檔,在相同感測器大小下,高解析度帶來大尺寸數位照片的優勢(大圖輸出、有寬容的裁切餘裕等),可是也帶來每一個畫素感光面積下降的劣勢(感光不足、噪點過多、對於輕微晃動較敏感),同時因為每張高畫素照片的資料量很大,所以亦間接影響高速連拍(每秒可拍攝幾張/fps: frame per second)的速率,以及增加後期處理的困難度(每張圖檔檔案太大)。因此尺寸與解析度的規格「平衡」變得比一昧追求較高的畫素更顯重要。以現在最高解析度的 4K 螢幕,總畫素數目約是 885 萬 (4,096 x 2,160 = 8,847,360),其實都低於動輒 1~2 千萬畫素影像感測器的解析度,在不放大或裁切的狀況下,像素總數對應螢幕早就綽綽有餘。今年的旗艦手機手機多會強調單一像素的尺寸,像是小米 Mi 6 的 1.25μm,或是三星 S8 的 1.4μm,就是希望透過這個參數,來溝通更好的「畫質」或「暗光拍攝能力」。FireShot Capture 1 - 相機 - 雙鏡頭與雙OIS防手震 _ - http___www.samsung.com_tw_smartphones_galaxy-note8_camera_
圖片來源

ISO(感光度)範圍又是另一個不同的方向檢視影像感測器的差異,ISO 值原來是描述底片對於光的靈敏程度 (film speed),在數位相機的定義則為影像感測器對於光線的敏銳程度,ISO 值越設的低 (ISO 50 / ISO 100),需要較長的曝光時間,但也會得到越純淨的畫面,ISO 值設越高 (ISO 3200 / ISO 6400 或更高),越能在短時間內成像,但可能躁點(實景相同顏色下卻在相片裡表現出不同的顏色或深淺)就會越多。ISO 範圍越廣,相對就能在更為極端的光源環境下拍攝。「可用 ISO」則是一個主觀標準,主要是看在設定高 ISO 感光度時,是否還能解譯出對拍攝者而言相對純淨、躁點程度可以接受的數位相片。
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圖片來源

影像訊號處理器 (ISP) 在相機裡是單獨存在的,例如 Canon 的 DIGIC 系列,Sony 的 BIONZ 系列,而在高階手機中,大多已經整合到系統集成晶片中 (SoC: System on Chip),除了將來自影像感測器的類比轉換到數位訊號,組合出一張相片,ISP 還被賦予了很多前置、拍攝與後製的工作,包括了偵測環境、人物的特徵,實際對焦、追焦,各種變形、顏色、光線、噪點的事後修正,為了進一步提高手機相機的功能,現在還有 VPU (Visual Processing Unit) 加入戰局,VPU 本身就是一顆 DSP (Digital Signal Processor),它可以針對客製化的功能提供硬體加速的運算,不只可以減低 CPU 或 GPU 的負擔,也因為專職專用,所以不僅算得快,而且更省電。
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高級的影像感測器搭配影像訊號處理器可以在同尺寸下,平衡地達成對焦更快、追焦準確、擷取更多的畫素與延展更高的可用 ISO 的複雜任務。Sony A7II、A7SII、A7RII 與 Sony A9 是目前「平衡但取向不同」下最好解釋分流發展的範例:這四款數位相機都具備全片幅的影像感測器(均配備 BIONZ Image Processor 與五軸防抖),解析度與最高 ISO/連拍速度各為:
– A7II: 2,430 萬畫素/ISO 25,600/5 fps
– A7SII: 1,220 萬畫素/ISO 409,600/5 fps
– A7RII: 4,240 萬畫素/ISO 102,400/5 fps
– A9: 2,420 萬畫素/ISO 204,800/20 fps
以單機身的價格而言,目前 A9 >> A7RII > A7SII >> A7II,A7II 屬於入門級全片幅相機,A7SII 適合低光源拍攝與高畫質 4K 錄影,A7RII 提供精準的對焦與超高的畫素,而 A9 則是適合職業攝影師需要的快速對焦與高速連拍(運動賽事或抓拍)。
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▲圖片來源:Sony官網

綜合以上,相對於手機上的相機模組,數位相機的優勢就是較佳的構圖可能性與更好的畫質。透過光學變焦鏡頭或更換鏡頭調整視野,可以取得接近無損畫質的遠距拍攝,而較大尺寸的影像感測器,則擷取了更多的影像細節,讓拍出來的照片層次更豐富、更立體。不過有一好沒兩好,專業的攝影器材不僅單價高、體積大、重量重,對於想要輕便出行的人而言,帶不出門的器材再優秀也是無用。智慧型手機的節節進逼,的確讓相機廠傷透腦筋,不過這也促成了更多種類的相機支流應運而生,從單反、無反、定焦全畫幅、緊湊高倍率、一寸隨身、中片幅無反、運動相機、360 全景相機、光場、多鏡頭、空拍機,廠商們無不想方設法的讓手機用戶有足夠的理由再多買一個相機,事實上,這樣的細化,也的確開拓了許多過去不曾存在的攝影長尾 (long tail) 市場。
米家全景相機 開箱 - 02

 

當前主流 — 雙鏡頭

手機相機今年下半年的潮流是 雙鏡頭  (dual camera),自然我們也該來了解一下其中的工作原理。
首先,為什麼要做雙鏡頭呢?一個鏡頭只有一個焦段,對於不想以「數位變焦」硬生生將圖檔拉大裁切的用戶,要取得比較好的望遠拍攝的效果,塞進第二個長焦鏡頭似乎是個不錯的主意。另外,多一個鏡頭就多一個影像感測器,當然就會搜集到更豐富的圖像資料,把兩個相機模組裡面同時拍攝的資訊做比對分析,還可以透過後製達到強化最終照片品質的目的。當然,多一個鏡頭就是「看得到、摸得著」的硬體規格升級,有些不明究理的消費者看到雙鏡頭就高潮了,廠商也樂得將這個功能當作話題強力行銷。要知道年年季季出新機,怎麼樣才能讓客戶「有了新人忘舊人」,永遠是手機廠商必須要優先處理的議題。
小米 A1 開箱 評測 -16
▲連不到7000元的入門機小米A1都有雙鏡頭。

雖然表面上看起來都是雙鏡頭,但是這兩個鏡頭的組合方式卻可以大有不同,目前的三種主流是:
1. 彩色廣角鏡頭(高畫素)+ 彩色望遠鏡頭(高畫素)
2. 彩色廣角鏡頭(高畫素)+ 黑白廣角鏡頭(高畫素)
3. 彩色廣角主鏡頭(高畫素)+ 彩色附鏡頭(較低畫素)

第一類的代表作是 Apple iPhone 7 Plus 上搭載的雙攝,Oppo R11 與最近發表的 Samsung Galaxy Note 8 都是採用這類配置,以廣角鏡頭搭配 1.6 至 2 倍焦段的望遠鏡頭,或是以超廣角鏡頭搭配廣角鏡頭 (Asus ZenFone 4),達成近似「2x」的光學變焦,無論拍攝全景與拍攝人像,都各有十分傑出的成像表現。透過兩個鏡頭的遠近視角差,還可以做背景虛化的後製處理,模擬在單眼上才能完美呈現的「景深」效果。在技術上這種搭配最需要克服的是「數位變焦+光學變焦」以及「廣角+望遠」的無縫銜接,因為是採用不同焦段的兩個鏡頭,所以功能上不像一般數位相機是透過調整一個鏡頭內鏡片距離產生「連續」的光學變焦,以 iPhone 7 Plus 的 28mm 廣角搭配 56mm 望遠為例,在一倍與二倍間的非整數倍率放大與大於二倍的遠距,其實還是以數位變焦模擬而非真正的光學變焦,1.0x ~ 2.0x 中間是以廣角鏡的視野數位放大,2.0x 時跳接望遠鏡頭光學視野,2.0x 之後以望遠鏡的視野繼續數位放大。這裡最難處理的就是放大至 1.99x 到 2.00x 到 2.01x 間的預覽銜接,因為這裡從廣角數位放大跳接到望遠光學然後再轉到望遠數位,手機在螢幕預覽時上怎樣消弭「跳」的不平滑感覺就需要工程師大量的嘗試與調整。再加上因為本來就是兩個「主」鏡頭,兩個鏡頭拍出來的照片顏色、風格、感光不應該有過大的差異,所以讓兩個鏡頭成像效果盡量一致,是工程師必須解決的另一個技術難題。
ASUS ZenFone4 Pro 開箱 -18
▲iPhone 7 Plus、ASUS ZenFone 4 Pro、GALAXY Note8、OPPO R11小米 6/A1…都是標準的廣角+望遠配置,也是市面上最多的雙攝配套方案。

第二類的代表作應該是 Huawei P9, 之後發表的 Mate 9, P10 也採用類似的配置,基本上這也是「雙主鏡頭」的概念,拍攝彩色照片時以彩色鏡頭為主成像,黑白鏡頭提供不具色彩的圖像資訊,透過即時後製幫助彩色照片減低躁點與增加暗區的亮度。當選擇拍攝黑白照片時,便改為以黑白鏡頭為主成像鏡頭,彩色鏡頭的資料成為輔助後製運算的內容。因為左右視角些微的不同(有點類似左眼和右眼),這樣的組合依然可以做有效的「景深」模擬,同時因為黑白鏡頭擷取的資料是相對純淨的(只有亮暗、沒有惱人色差),所以在處理彩色相片降噪時,可以發揮出更好的運算輔助效果。當然對於想耍文青的用戶而言,一個特調的黑白模式(如果又像華為一樣套上 Leica 的大名),更是專業、復古、頹廢、特立獨行風不可或缺的重要創意元素。因為兩個鏡頭間的互動都在後製,並沒有太多彼此直接銜接的問題,在工程開發難度上,就不會像第一類般要花很多額外的雙鏡調適功夫。
HUAWEI P10 Plus 開箱 -21

第三類的組合就是屬於相對入門的雙鏡設置,基本上只有一顆廣角主鏡頭,另一顆鏡頭就是扮演「幫手」的角色,所有的成像都以高畫素的鏡頭為主,第二顆的較低畫素的鏡頭擷取的資訊,皆是提供 ISP 後製的「額外」素材。畢竟多了一顆鏡頭的資訊,不論畫素多寡、感光度如何,這些資訊都能讓後期的演算更為豐富,且因為左右視角的不同,景深計算依然可以進行。這樣的配置所需要的工程調校最少,很多時候 SoC 裡的 ISP 也都自帶了完整的演算法,所以對於快速想要跟上雙鏡頭潮流的手機廠商,或是將雙鏡頭設置在自拍側的廠商,這都是個好用且成本較為低廉的方案。
SHARP AQUOS S2  開箱 -22
SHARP AQUOS S2或以前的 HTC M8 都是這類主副鏡頭配置。

最後我們談一下雙鏡頭裝設位置的問題,目前部分的雙鏡頭景深演算法,是為類似由左右眼視角所取得不同的資料進行最佳化,所以在 Huawei P9, Mate 9, P10 這類手機上,最佳的景深計算結果會是採取直握手機拍攝 (Portrait) 模式,而在像是 Apple iPhone X, Sharp Aquos S2 這樣的垂直排列雙鏡鏡頭時,橫拍 (Landscape) 可能會取得不同的雙鏡運算結果。雖然直拍橫拍的運算差異在每款機型、每張照片上可能不見得都相同,但是當景深即時預覽結果不如人意時,轉個方向說不定可以立刻有效改善呢!

 

結語

相機的世界不只有淺景深,也是「錢井深」,不論器材的優劣,其實最厲害還是鏡頭後面的那顆主導拍什麼、如何拍的腦袋。科技不是一切,好的作品也不是只有最昂貴的器材才能拍攝的出來,照片也好,錄影也罷,都是擷取生命中那美好的一刻,這一個瞬間可能永遠都不會再發生,希望透過科技的演進與普及,我們都能很容易的紀錄下「此時此刻」,與更多人分享你我的心情與視野。

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感恩 seafood,讚嘆 seafood,終於寫完了,全文看完的臉友,亦請受小弟一拜!
[廣告植入一下] 前段文字中提到的系統集成晶片 SoC,就是現在智慧型手機的大腦,將 CPU, GPU, VPU, ISP, Modem, WiFi, 記憶體與聲音 I/O 等功能全部整合到一個晶片之上,將這樣的準系統,接上螢幕、相機模組與閃燈、天線、電池、記憶體(運算和儲存)、耳機喇叭、各式各樣的 sensor,配上外殼,一個手機就已經完成了大部分。聯發科技 MediaTek Helio X30, P30, P25, P23 都是這類可以支持不同雙鏡頭搭配的準系統集成晶片。

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