如何光學變焦手機雙攝像頭背后的秘密

光學變焦在智能手機領域不是什么新鮮事物，遠有三星Galaxy Zoom，近有華碩Zenfone Zoom。可惜，此類支持光學變焦的手機普遍非常厚實，并不符合時下手機纖薄化設計的發展潮流。而iPhone 7 Plus的出現，則讓輕薄手機首次擁有了光學變焦能力。那么，它是如何實現的？

光變手機厚就一個字

光學變焦在手機領域并不是什么新鮮的感念。早在諾基亞塞班系統一統江湖的時代，N93/N93i手機就通過“內伸縮式”攝像頭獲得了3倍光學變焦功能（圖1）。Android系統崛起后，三星Galaxy S5 Zoom和Galaxy K Zoom也通過“外伸縮式”攝像頭實現了光學變焦（圖2）?？上?，伸縮式攝像頭需要非常厚的相機模組，讓手機變得和卡片DC沒什么差別，非常影響便攜性。于是，一種名為“潛望式”的攝像頭技術便出現了。

華碩在2016年初推出的Zenfone Zoom手機，就是“潛望式”攝像頭的代表。簡單來說，如果“內伸縮式”和“外伸縮式”變焦鏡頭占用的是縱向空間（圖3），那“潛望式”攝像頭占用的就是橫向空間，利用反射原理，在更薄的相機模組中實現了3倍光學變焦的能力（圖4）。

問題來了，即便ZenFone Zoom大幅壓縮了光學變焦相機模組的厚度，但手機依然偏厚（11.95mm），在智能手機普遍只有7mm～8mm纖薄身材的大環境下，相對厚實的ZenFone Zoom依舊屬于“小眾”風格。因此，它并沒能在智能手機領域掀起太大波瀾，屬于叫好不叫座的典型代表。

作為智能手機領域的標桿產品，蘋果旗下的iPhone素以拍照效果強悍著稱。然而，在Android手機普遍以雙攝像頭加持的大環境下，iPhone領先的拍照優勢正在逐漸稀釋，這顯然不是蘋果想看到的結果。于是，蘋果在iPhone 7 Plus身上也引入了雙攝像頭技術，并首次在7.3mm厚的機身里實現了光學變焦！雖然只是2倍的光變，那也算是開創了歷史。

iPhone 7 Plus的“兩只眼睛”

iPhone 7 Plus的兩顆攝像頭雖然都是1200萬像素，但它們的參數和作用卻有著云泥之別。以圖5為例，iPhone 7 Plus左邊的攝像頭為1200萬像素廣角鏡頭，擁有f/1.8光圈和28mm的等效焦距，而且支持光學防抖技術。iPhone 7 Plus右邊的攝像頭為1200萬像素長焦鏡頭，它的光圈大小為f/2.8，等效焦距為56mm且不支持光學防抖。

之所以在這里強調“光學防抖”是有原因的。以華為P9、榮耀V8、酷派Cool1、紅米Pro為代表的雙攝像頭手機（包括黑白+彩色傳感器組合和普通+景深傳感器組合）都因雙鏡頭結構和技術的限制，無法加入光學防抖功能。更深層次的因素就是它們的雙攝像頭需要“協同作戰”，所以很難給單一的攝像頭賦予光學防抖的能力。

而iPhone 7 Plus的雙攝像頭和LG G5/G5 SE很像。雖然LG的這兩款手機是雙攝像頭（由1600萬像素普通鏡頭和800萬像素廣角鏡頭構成），但它們只能獨立工作，同一時間只能選擇其中一顆攝像頭拍照。因此，LG可以輕松地為其中的1600萬主攝像頭集成光學防抖功能。iPhone 7 Plus和LG G5/G5 SE最大的差別在于，兩顆鏡頭可以獨立工作，也能攜手作戰。

“有損”的2X光學變焦

雖然蘋果將iPhone 7 Plus身上的那顆56mm焦距攝像頭稱為“長焦鏡頭”，但它其實還達不到真正意義上的長焦，只是放大倍數比28mm廣角鏡頭高了1倍而已。iPhone 7 Plus的28mm廣角鏡頭拍攝風景非常完美（圖6），但若拍攝人像就需要拉近鏡頭與人物之間的距離。而56mm鏡頭則在同等距離可以放大畫面中的人物（圖7），特別是在拍攝肖像時可有效避免照片變形問題。

iPhone 7 Plus進入2X光學變焦拍照模式非常簡單，打開相機APP后，點擊一下取景框下面圓形的1X圖標就能切換到2X模式（圖8）。如果還需進一步變焦（光學變焦），只需按住這個圓圈作個順時針半圓的滑動即可。

像Galaxy Zoom和ZenFone Zoom一類的光學變焦手機，在從1X光變切換到2X時，都是通過鏡頭內鏡片模組的移動實現的，從而可以獲得被拉近（放大）的“無損”照片。

而iPhone 7 Plus從1X切換到2X變焦則沒有上述的物理位移，它只是當相機APP進入2X拍照模式時，瞬間屏蔽廣角鏡頭并啟動長焦鏡頭，也就是當廣角鏡頭變焦達到最遠時，由長焦鏡頭接過變焦的任務（圖9），給人的感覺則是取景框內的畫面被拉近了一樣。

換句話說，iPhone 7 Plus的廣角鏡頭只負責2X以內的拍攝任務，而2X或更高的變焦，則通過長焦鏡頭完成。沒錯，iPhone 7 Plus并非我們預想的那般是通過雙攝像頭合成實現連續的光學變焦，只是兩個攝像頭之間的交接班而已。

因此，在2X光學變焦模式下，雖然可以獲得被放大的畫面，但由于iPhone 7 Plus的廣角鏡頭光圈小且不支持光學防抖，所以在2X下拍照時手抖對成像的影響非常明顯，而且照片亮度和細節也會有所損失。

總之，iPhone 7 Plus只是帶來了類似2X光學變焦的體驗，但2X模式下拍出的照片是“有損”的（相對于廣角鏡頭1X拍照而言）。

值得期待的攜手作戰

此時可能有讀者會提出疑問，如此一來iPhone 7 Plus不就變成了LG G5系列一樣的“偽雙攝像頭”了嗎？攝像頭只能非A即B地工作，完全沒有發揮出雙鏡頭應有的合成優化效果。

實際上，蘋果早就做好了讓iPhone 7 Plus的雙攝像頭攜手作戰的計劃，也就是讓它拍攝出具有強烈景深效果的照片（圖10）?？上?，受限于軟件優化和調試的拖累，這項功能需要下次系統更新才能夠真真切切地使用上。

簡單來說，iPhone 7 Plus的景深效果原理就與其他雙攝像頭技術很像了。根據蘋果提供的資料來看，iPhone 7 Plus在拍攝景深時，會由廣角鏡頭拍攝主要物體，而長焦鏡頭采集背景畫面和距離信息，最終將兩張照片合成。

在合成的過程中就輪到A10 Fusion（iPhone 7系列搭載的四核處理器）里面集成的ISP（Image Signal Processor）圖像處理器接管了（圖11）。這個ISP擁有先進的機器學習技術，它可以對照片中的面部和人體進行識別，可在25毫秒內完成1000億次運算，從而輕松搞定自動曝光、白平衡、廣色域捕獲、色調映射、圖像降噪等參數的微調，并對兩個攝像頭采集的圖像和景深信息進行處理，合成一張最能令用戶滿意的照片。據悉，iPhone 7 Plus的景深效果可以在屏幕上實時看到，為了緩解2張1200萬像素照片合成計算時所需要的龐大數據處理壓力，蘋果才會給iPhone 7 Plus配備了更大的3GB內存。

小結

看到這里，相信你已經對iPhone 7 Plus的雙攝像頭技術和背后的光學變焦原理有了初步的認識。在蘋果放出支持景深拍照功能的系統更新以前，iPhone 7 Plus除了可以拍攝2X光學變焦的“有損”照片以外，正常拍攝時的效果和iPhone 7沒有分別（圖12）。至于和配備雙攝像頭的Android陣營手機相比，iPhone 7 Plus雙鏡頭的可玩性還有很大的提升空間。畢竟幾乎所有的雙鏡頭Android手機都支持景深效果拍照，采用黑白彩色組合的手機更可明顯提升暗光下的畫面細節。反觀iPhone 7 Plus，暗光效果全靠廣角鏡頭。如何讓長焦與廣角鏡頭攜手配合實現更多拍照特效？這個問題值得所有廠商思考的問題。