手机有双镜头，为什么相机还是单镜头

晨枫

猫帅问：为什么手机有双镜头，而相机只有单镜头？答案很简单：相机只需要单镜头。手机由于天然局限，单镜头做不到相机能做到的，所以用双镜头“作假”。没错，手机的双镜头是作假用的。当然，作假效果不错，使得很多人都满意了。只是假的毕竟是假的。

镜头是成像用的，但成像不一定需要镜头。针孔相机就没有镜头，用细小的针孔成像。针孔相机不需要对焦，因此具有无穷大的景深，也不存在光学畸变、色差、色散等问题。但针孔在理论上要求无穷小，边缘无穷圆整光滑。这已经很难做到了。针孔相机最大的问题是成像非常暗淡。只有那么小一个洞透过光来，怎么可能不暗淡呢？既然如此，那就扩大针孔，让更多的光进来，但结果是图像越来越模糊，最后根本不成像了。想想也是，打开窗户，房间里很亮了，但墙上有图像吗？肯定没有，只有一大片光照。


针孔相机形成的图像，景深无穷大，但曝光时间也是巨长


四周有暗角也是针孔相机的特征

要扩大针孔，就需要镜片，一般是玻璃的，也可以用光学塑料或者其他透明物体。中学物理里用水形成透镜，这是一样的道理。镜片就有聚焦问题，还有光学畸变、色差、色散等问题，但毕竟可以在“正常”条件下获得足够的亮度，能够成像了。自然，镜片越大，透光越多，画面越明亮，或者说，可以在越暗的条件下依然正常成像。

在胶卷时代，胶片的感光度有限，镜头是低光条件下正常成像的主要手段，f2.8都不算大，f1.4、f1.0才真是大。在数码时代，调高ISO很容易。胶卷时代ISO 100是标准速度，400就是“快片”了，2400是不可思议的快片，好像没有更快的了。在数码时代，尤其是数码但凡，6400都是10年前的水平了，现在动辄50000以上。只要有一丝光亮，就能拍出大体可用的图像来。

但低光时推高ISO是有代价的，代价就是噪点。用大光圈，可以降低对高ISO的要求，降低噪点。说到大光圈，手机相机的镜头光圈是不可调的。换句话说，永远是最大光圈，也没有这个空间安装机械光圈。一般说来，光圈越大，景深越小。手机镜头动辄f1.8、f2.2，数码单反要是永远用这样的光圈，那就经常会出现鼻子清楚了、耳朵就模糊了的事情。但手机相机没有这样的问题。相反，手机相机常见的问题是不管拍什么，统统是前景后景都清楚。对于到此一游或者自拍照来说，这很好。但要想有一点表现力，突出主题，尤其是后景适当模糊，这就纠结了。这牵涉到另一个问题，景深不仅取决于光圈，还取决于成像大小。以全幅数码单反为基准，在同样的光圈下，1.6倍APS-C（对角线长度为全幅的1/1.6）的景深增加1.6倍。高档数码卡片机用一英寸成像芯片就算大的了，那就是2.7倍等效；更常见的1/2.5英寸成像芯片的低档卡片机则是6倍等效。三星S7也是1/2.5英寸，iPhone 6S是1/3英寸，索尼Xperia Z5是1/2.3英寸，都大体在低档卡片机等级。

换句话说，手机相机的景天然就很长，大约是全幅相机的6倍，要那种背景糊化的效果就难了。当当当，第一种双镜头应用出现。主镜头还是拍照用的，辅助镜头不拍照，但用于测距和标定主要对象，并用大幅度脱焦的第二张照片与原照片合成，用脱焦模仿大光圈效果。问题是大光圈的景深效果是渐进的，可以由近而远逐步增加模糊度；而脱焦的效果是跳跃的，中间无法过渡。如果画面没有中间距离的东西，这作假可以以假乱真；但要是有中间距离的东西，就容易穿帮，看着假。



真正的大光圈下的景深效果


手机（这里是新的谷歌手机）的模仿效果


但这样的就看不出差别了

但卡片机的最大光圈再4.5-5.6级，远远大于手机的1.8-2.2级，而卡片机镜头的直径显然远远大于手机。这是由于焦距的差别。三星S7的焦距为4.2毫米（35毫米等效为26毫米），这在过去就是超广角了。F1.7意味着镜头有效直径约2.5毫米。广角镜头是扫街利器，35毫米和28毫米是最常见的扫街焦距，所以市面上固定焦距的高级数码卡片机（如辅以X100系列）大多是35或者28毫米固定镜头。这也是自拍最有用的焦距/视角。问题是，人们也喜欢拍特写，这就需要长焦了。从适合拍人像的75-85毫米的小长焦，但万金油100-200的中长焦，到打鸟、狗仔专用的300毫米以上超长焦，不一而足。

过去长焦就是另一个镜头，现在可以用变焦，一镜走天下。但手机镜头连机械光圈都没有地方，变焦镜组就免谈了。怎么办？用数码剪裁。把图像的中间部分抠出来，不就等效于长焦的视角了吗？没错，但代价是画质。手机相机像素再多，也经不起这么抠。三倍是对光学质量要求特别高的变焦的极限，像人们津津乐道的“大三元”（16-35毫米/f2.8、24-70毫米/f2.8、70-200毫米/f2.8），基本上没有画质损失，或者说画质在任何焦距都与同等焦距的定焦镜头相当。但业余级的要求没有那么高，10倍、15倍也时有所见，像18-300的“通用变焦”。一般认为，10倍变焦的光学质量不好，但从广角图像里抠的数码变焦就可怕了。3倍变焦相当于只用中央10%的芯片面积，10倍就相当于只用中央1%的面积了。也就是说，22MP变成0.2MP了，就等着看马赛克吧。再糟糕的光学变焦也比这强一万倍。


较长的焦距等效于较小的视角




用中心剪裁也可以得到相当于变焦的效果，问题是周围的像素就丢失了，放大到同样尺寸，必然损失画质


这是10倍变焦的剪裁等效，看看只有多少原画面还剩下了


10毫米到300毫米的不同视角效果



光学变焦（中）与数码变焦（右）的差别，左为原图


另一个问题是透视。走上前、退后可以得到同样的物象大小，但前景与后景的相对关系就变了，尤其是长焦的“景深压缩”效果就没了。


还有一个问题是“广角变形”，对于一样大小的人头像，用广角镜头拍，容易出现变形，好像脸被打肿了一样，鼻子尤其大；而长焦拍出来的图像更加悦目。所以日本有人专用300毫米的超长焦拍人像，这当然是有点变态了，超过70-85毫米效果就不明显了。比较也能看出，长焦也容易得出更加悦目的“脱焦背景”，为了可比，光圈都设在f5.6

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另一个例子








长焦的另一个用法是“景深压缩”，好像前景与后景的距离拉近了一样


广角本来是挺适合拍风光的


但地平不平的话，也特别容易出现这样的“透视变形”，房子向中间倒


广角对这个人人自拍的时代也很重要，不广角把脸装进去都不容易，但广角变形也是不可避免的，看这鼻子

当当当，第二种双镜头一个广角，另一个长焦。广角和常规手机一样，在28毫米级，长焦由于光学限制，其实也没多长，也就70-80毫米级，再长，就只有回到数码变焦了。在这两个焦距之间，则用数字内插来作假。画质嘛，能觉得数码变焦管用的，自然不会太在乎。以为手机像素足够，不怕造，那是想多了。

说到手机的像素，这又是另一个问题了。手机的成像芯片尺寸不超过低档卡片机，同样像素的话，每个像素的尺寸就要成倍小于数码单反。集成电路可以做得集成度越来越高，但光学规律不跟着摩尔定律走。每一个像素实际上有一个微镜头，这是Bayer滤色镜，把自然图像分解成三原色，三个像素各自对三原色敏感，然后三个像素的信息合成起来还原成一个彩色的“实际像素”。在给定芯片尺寸的条件下，为了提高像素数，只有缩小像素，缩小Bayer滤色镜。但光学透镜的缩小是有限制的，过小的透镜导致衍射，可以理解为棱镜把白光分解成七色光，不仅颜色上分解了，光束也散开了，导致聚焦失效。所以手机像素的提高已经差不多到物理极限了。另一方面，越小的透镜透光量越小，需要像素本身的感光度提高，增加了噪点，低光画面尤其明显。良好光线画面放大到大尺寸后也会明显。

这是小芯片的天然局限。Hasselblad HD5“只有”50MP，比典型手机只多一倍，但画质是不能相比的。Hassy的图像放大到橱窗广告尺寸一点问题都没有，甚至可以放大到马路广告牌的尺寸。手机图像就只能嘿嘿了，放大到11x14英寸也就差不多到头了。像素多总是好的，但像素和像素也是绝对不一样的。有一句话：“最新手机的画质已经超过了几年前的数码单反”。我有一张放大到48x32英寸的桑托里尼旅游风光照，这是当年我用佳能40D拍的。40D是2007年8月推出的，只有10MP，在当时都不是顶级数码相机。放大的这样的尺度，画面的分辨力当然不足以数头发，但依然没有看得出来的马赛克。还没有见到过任何手机能做到这一点。

为了弥补手机相机低光噪点的问题，第三种双镜头隆重登场。主镜头还是原来的，辅助镜头只产生黑白图像。芯片只能感受灰度，而不能感受色彩。所以彩色画面被分解为三原色，当作黑白一样感受灰度，然后三个通道合成还原为彩色图像。但落到每一个色彩通道上，灰度都要打折扣。另外弄一个独立的黑白通道的话，没有这些损失，建立灰度底调，图像就“立”起来了。灰度丰富、干净，主管清晰度也提高了。光线充足、色彩丰富的话，差别不大；低光条件下，本来色彩就缺乏，灰度显不出来，这样通过黑白通道建立基调就特别重要。彩色实际上好像在黑白的灰度上染色一样，本来低光时色彩就不丰富。这是富士胶卷和东芝彩电当年也用过的花招，另加一层黑白层。

第四种双镜头是用两个镜头拍3D图像，但看3D图像需要特殊装置，现在越来越少用，3D电视、3D蓝光这些都在淡出市场了。

但手机“裸露”的简单镜头现在还看不出什么办法可以抑制眩光。这对逆光拍照很重要。


这是眩光控制失败的例子


这是眩光控制成功的例子



再加两张眩光控制成功的例子，这些都是手机几乎不可能达到的效果


这张其实眩光不是太大的问题，但对焦点是问题，用手机的话，就看双镜头是否能有效隔离主题，但前景、后景的渐变过渡还是没有办法解决

有了双镜头，可以弥补一些定焦超广角的光学局限，画质肯定可以满足到此一游和家庭团聚之类的要求。加上美图（手机自带美图是时间问题）什么的，而且看图多数是在手机上的微信里，反正只有邮票大小的图，手机照片对于很多人的一般使用确实是“足够好”了。加上方便，再好的照片也要相机在手才有可能。出门不一定带相机，但谁出门都带着手机，这就是一个大优点。但人最大的问题就是喜欢攀比。都依赖自动化的话，拍出来照片同质化是不可避免的。看上去样样正确，但就是平淡。那什么样的照片才能“镇住”朋友圈里的人呢？







坏天气、恶劣光线









高调






低调

这些照片是用各种相机拍出来的，但只要掌握正确技巧，在正确的时候碰到正确的画面，任何最入门级的数码单反都能拍出这样的照片，而不需要顶级相机。而这是手机相机几乎不可能做到的。

但手机能拍出好照片吗？绝对的。这些是iPhone拍出来的。




















这些都是iPhone拍出来的，不乏历年得奖作品。必须承认，都是好照片。但他们的照片之所以好，不是因为iPhone相机好，而是拍照的技术好。要是那是手头上正好有“正规”相机，拍出的照片更好，应该是没有悬念的。

liuqing098

晨大专业的不像话，就是专业。

方恨少

看来手机拍照只能靠构图了

togo

单反机和镜头的最大问题是体积和重量。如果光学原理等基础科学没有突破，单反机就只能这个样子了。

hotmen

转朋友圈了。
有几张照片打不开。

晨枫

方恨少 发表于 2017-11-25 19:24
看来手机拍照只能靠构图了

什么相机都得靠构图，只是正规相机构图好之后，还有大得多的潜力。

晨枫

togo 发表于 2017-11-25 19:47
单反机和镜头的最大问题是体积和重量。如果光学原理等基础科学没有突破，单反机就只能这个样子了。 ...

没办法，单反机的重量和体积小不了，而且有越来越大的趋势，不是好事。

晨枫

hotmen 发表于 2017-11-25 19:47
转朋友圈了。
有几张照片打不开。

哪几张图打不开？

晨枫

hotmen 发表于 2017-11-25 19:47
转朋友圈了。
有几张照片打不开。

帖子怎么转微信圈？我还不会呢。

hotmen

晨枫 发表于 2017-11-26 12:05
帖子怎么转微信圈？我还不会呢。

浏览器中打开贴子,复制地址,微信中找个好友(自己也行),粘贴地址,点击打开,右上角出现三个点,点击转朋友圈.

最简单的是让管理员转"爱坛编辑部".

togo

脑洞大开照相法
1. 改变光学原理，光速增至无限大，曝光时间无限短仍然不会有曝光不足问题，ISO噪点问题彻底解决
2. 大数据照相法，根本不用带相机出门。地球上所有位置，每一片树叶，甚至每一个原子都存在大数据数据库中，每到一个地方，晨大说，这里来一张。大数据就根据周围的物质存在排列方式，在晨大电脑中合成一张相片
3. 量子纠缠照相法，晨大也不用带照相机了。

hotmen

1.针孔相机形成的图像，景深无穷大，但曝光时间也是巨长
2.光学变焦（中）与数码变焦（右）的差别，左为原图 (瀑布三点式下面那张)
3.但地平不平的话，也特别容易出现这样的“透视变形”，房子向中间倒
4.这是眩光控制成功的例子
5.“坏天气、恶劣光线“到“高调"之间只有长发露肩女子和马鹿 可见
6.低调 夜猫下面一张
7.iPhone拍出来的 神牛下面一张

hotmen

晨枫 发表于 2017-11-26 11:43
哪几张图打不开？

1.针孔相机形成的图像，景深无穷大，但曝光时间也是巨长
2.光学变焦（中）与数码变焦（右）的差别，左为原图 (瀑布三点式下面那张)
3.但地平不平的话，也特别容易出现这样的“透视变形”，房子向中间倒
4.这是眩光控制成功的例子
5.“坏天气、恶劣光线“到“高调"之间只有长发露肩女子和马鹿 可见
6.低调 夜猫下面一张
7.iPhone拍出来的 神牛下面一张

hotmen

以前的120相机,也是双镜头的,这个能说说吗?

晨枫

hotmen 发表于 2017-11-25 22:28
1.针孔相机形成的图像，景深无穷大，但曝光时间也是巨长
2.光学变焦（中）与数码变焦（右）的差别，左为 ...

哇，这么多，修起来可要费点功夫。

晨枫

hotmen 发表于 2017-11-25 22:33
以前的120相机,也是双镜头的,这个能说说吗?

这是完全不同的两回事。120双反光的上镜头专管对焦，下镜头专管成像，两者联动。好处是对焦屏明亮，WYSIWYG，坏处是两者之间有固有的parallax误差。单反流行后，双反就消失了。

晨枫

hotmen 发表于 2017-11-25 22:28
1.针孔相机形成的图像，景深无穷大，但曝光时间也是巨长
2.光学变焦（中）与数码变焦（右）的差别，左为 ...

现在能看见了吗？

看客

方恨少 发表于 2017-11-26 09:24
看来手机拍照只能靠构图了

你看着好的那几张手机照片可不是靠构图就能得到那个效果的。

删除失败

谷歌的浅景深模拟得像P的一样

晨枫

删除失败 发表于 2017-11-26 08:18
谷歌的浅景深模拟得像P的一样

所以说假的就是假的。