「三隻眼」的手機照片拍攝質量真的就比「兩隻眼」的手機強嗎？

在雙鏡頭智能手機越來越普及的同時，華為(Huawei)最新推出的P20 Pro揭示三鏡頭手機時代的來臨…三個鏡頭真的比兩個鏡頭厲害嗎？

在過去兩年，我們已經見證到在大眾市場上的大多數智能手機對雙鏡頭技術之採用，而且幾乎是跨所有手機業者；雙鏡頭出現在前置或後置攝像頭，有不同的配置以及終極目標。

根據市場研究機構的報告指出，2018年有30%的智能手機將採用雙鏡頭，明年該比例將成長至50%。而雖然智能手機市場花了超過十年時間才添加第二個鏡頭，看來第三個鏡頭也馬上要登場了──在雙鏡頭方案被採納的兩年之內。

本文將探討智能手機影像系統添加第三個鏡頭的一些動機、所帶來的挑戰，以及一些可能的解決方案。

雙鏡頭髮展回顧

智能手機的厚度一直是移動攝影技術的挑戰；隨著技術演進，攝像頭光圈尺寸可以非常迷你，像素(pixel)尺寸也越來越小，此外自動對焦與影像穩定也仍然需要能放進去。而最近，智能手機廠競相實現不錯的低光線拍照性能、高解析度、低SNR，甚至還能以僅6mm的攝像頭高度來變焦。

雙鏡頭技術的誕生，除了為相機模塊製造商與智能手機業者帶來救贖，同時也帶來挑戰；它提出的方案是：如果單支攝像頭已經充分發揮潛力，為何不合成兩支攝像頭的輸出，好讓它們能各自貢獻其特殊優勢？

最早搭載雙鏡頭的智能手機是HTC One (M8)，應用於後置攝像頭；其唯一目的是提供景深與對焦效果。而雙鏡頭手機發展的第一階段持續至2016年中，當時有多家智能手機業者都在旗艦機種嘗試採用雙鏡頭技術，利用不同的設定，包括僅支持景深、RGB-單色(Mono)，以及廣角-超廣角(Wide-Wider)等組合。不過並沒有出現「殺手級拍照應用程序」，也沒有任何一種配置方法勝出。

2016年9月，Apple發表配備後置雙攝像頭的iPhone 7 Plus，以「廣角+望遠」(Wide+Tele)的高階雙鏡頭配置，強調支持兩種消費者最想要的功能：光學變焦(optical zoom)與數位散景(digital bokeh；或稱「人像模式」)。從那時候起，雙鏡頭智能手機市場地位確立，各家高階與旗艦機種都採用了與Apple類似的配置，中低階手機則仍僅支持景深功能。

然後是三鏡頭！

雖然雙鏡頭智能手機已經在高階市場普及，在近期內仍將會有許多新的雙鏡頭拓樸亮相，以強化今日的雙鏡頭方案性能；一個下一代雙鏡頭進化的案例即將發生，即是可折迭攝像頭架構的應用，不只能大幅改善變焦倍數以及低光線拍攝性能，也能實現更低的攝像頭模塊高度以適應更薄的手機機身。OPPO在2017年MWC就曾發表過採用這類技術的初期原型──配備5倍變焦鏡頭的智能手機攝像頭技術。

另一個智能手機攝像頭的有趣變化，會是利用三鏡頭組合；不過說比做容易得多，添加第三個攝像頭鏡頭會帶來明顯的挑戰(以及獎賞)，也為智能手機製造商開啟了更廣泛的可能性與配置選項。

三鏡頭智能手機可以有很多不同配置

接下來讓我們來看看三鏡頭相機系統面臨的三大挑戰：

挑戰一：「坪數」與成本

三鏡頭解決方案不但增加了攝像頭系統物料列表(BoM)成本，也會因為其他可能整合到手機內的技術(例如紅外線感測、近接感測器、結構光、更大的電池…等等)，而在機體內部空間佔據更多「坪數」。這種「懲罰」幾乎是不可避免的，但廠商必須要以整體金錢價值來衡量，有部分取決於其目標受眾的優先性。

第三支攝像頭添加的成本會與其配置直接相關，這點筆者在接下來會進一步解釋；其金額估計在10美元至30美元之間。

挑戰二：校準

為了要達到在視頻/影像預覽的無縫用戶體驗，並避免在影像融合或散景時出現殘影或過長的處理時間，必須要在此三鏡頭成像系統的內部與外部屬性上仔細校準，而且要在攝像頭的生產在線進行，必須一絲不苟甚至可能以連續、自動化的執行方式來補償物理性動態變化，例如溫度變化與設備掉落衝擊等。

攝像頭系統的校準以及訊框同步(frame-to-frame synchronization)，為攝像頭模塊製造商以及這種更複雜攝像頭系統供貨商帶來挑戰；因為如果三個鏡頭每一個都需要完美校準，組裝程序必須要謹慎設計，而良率預期會較低，如此可能會直接影響整體攝像頭成本。

挑戰三：固件、演算法與功耗

三鏡頭攝影系統在固件方面也會更複雜，新架構會必須能像是只運作一支攝像頭那樣搞定三支攝像頭；處理程序例如電源管理、訊框要求(frame request)、內存管理，以及其他攝像頭管理員程序內部的狀態機(state-machines)，會需要處理更多的邏輯、更多數據並允許在流水線內更多的平行處理，同時以更有效率的方式支持應用層以因應實時性能。

在另一方面，演算法也面臨相同挑戰，包括確保合理的處理運作時間，以及避免來自多個鏡頭的多輸入影像而導致的殘影；同時還要處理三鏡頭在訊框同步、遮蔽(occlusions)方面的不精準，以及三鏡頭校準數據中的缺陷。因為這些複雜性，這種配置的整體系統(包括攝影鏡頭與處理平台)功耗會大大受影響。

接著讓我們來討論幾種三鏡頭配置方法，這些案例各有優缺點，當然也可能還有其他的配置…

支持低光線拍攝的三鏡頭配置

三鏡頭攝像頭能讓使用者在光線相對較暗的場景中拍攝照片，而且變焦功能也不會打折扣。在演唱會現場拍攝舞台上的畫面就是一個很好的例子，這種場景不但需要變焦，而且需要能支持低光線拍攝。

支持低光線拍攝的三鏡頭配置

連續變焦功能源自於以下幾點：

單色攝像頭(Camera I)因為沒有使用通常會配置在彩色攝像頭感測器像素中的拜爾濾色鏡數組(Bayer filter array)，而能提供更高的對角線解析度(diagonal resolution)；在這種系統中，能使用彩色攝像頭(Camera II與Camera III)來實現色彩重現。

單色廣角攝像頭與彩色廣角攝像頭(Camera I與Camera II)不同的空間取樣尺寸(例如像素尺寸)，也有助於此雙鏡頭子系統的整體放大倍率性能。

第三個攝像頭還能支持來自望遠鏡頭之更高的中央解析度(center resolution)。

強化低光線拍攝性能，源自於與三鏡頭都有相關的、相對較低的焦比(f/#；鏡頭光圈設定)。將彩色攝像頭(Camera II)輸出訊框與單色攝像頭(Camera I)輸出訊框融合，會取得是前者兩倍的光線，如此也能大幅改善SNR。

兩倍曝光的效益是不採用彩色濾光片數組的結果，因為在彩色濾光片中，每個像素會被過濾為只記錄三種色彩中的一種，以犧牲整體潛在可吸收光線為代價。

RGB/單色(Mono)/望遠(Tele)三鏡頭能支持更佳的光線敏感度以及光學變焦

另一個這種三鏡頭配置方案勝過現有雙鏡頭變焦攝像頭的顯著優勢，是在Camera I與Camera II之間有較大的重迭視野(field of view，FoV)；這種功能可以在擴增實境(AR)以及數字散景(淺化背景深度的效果)等多種應用中，支持整體寬廣FoV中的立體深度感測，而此種配置的一個顯著缺點是在靜態影像擷取時的快門延遲相對較高，而且在視頻錄像時的低光線拍攝性能就沒有改善；此外很重要的是，這類攝像頭系統的功耗必須小心監控，以避免當三鏡頭同時運作時發生懸崖式掉電。

支持廣角拍攝的三鏡頭配置

鏡頭排列順序對系統性能會有影響；舉例來說，將廣角彩色攝像頭放在中間，能在視頻拍攝時支持較順暢的廣角鏡頭到望遠鏡頭過渡，同時簡化兩相鄰攝像頭(彩色與單色)之間的融合程序。但這種配置的代價是犧牲立體深度感測精確度，不過能透過將廣角彩色攝像頭與廣角單色攝像頭放在相對兩端來改善。

魚眼變焦攝像頭配置

這種攝像頭配置會非常適合旅遊愛好者；舉例來說，在拍攝開闊的景觀時，超廣角鏡頭能避免一般採用影像拼接的拍攝模式。同時非常有助於在變焦時擷取精細的影像細節；現在的智能手機只能讓用戶在影像質量較佳的光學變焦或是超廣角畫面中二選一，但三鏡頭配置就不需要做出這種抉擇。

相較於前一種三鏡頭配置，這種配置能以更經濟的方式處理功耗，因為大多數時間只有一個鏡頭啟動，依據用戶的變焦倍數；此外此攝像頭數組順序背後的邏輯會更直接，因為依據攝像頭放大性能，相鄰的兩攝像頭之間會一直以連續模式無縫切換。

這類系統的挑戰在於超廣角鏡頭會有相對較高的影像失真，特別是在視頻平滑過渡、融合兩個影像甚或是工廠校準程序時；不過熱愛攝影的手機使用者，會非常欣賞望遠鏡頭較長的焦距，能讓他們從遠處拍攝到效果更好的目標物特寫。

支持折迭式望遠攝像頭的三鏡頭配置

這種三鏡頭配置也能讓用戶享受前所未有的真正5倍光學變焦，不需要妥協於今日的智能手機外觀(也就是能與無邊框全屏幕顯示器共存的5mm高度攝像頭)。而儘管F/#相對較高(例如f/2.8)，望遠鏡頭的低光線拍攝性能也很出色，因為折迭式望遠鏡頭強化了入攝瞳(pupil)，比起標準RGB廣角鏡，能擷取五倍以上的光線；比起前面提到的這種配置中的廣角攝像頭，光線擷取量則是超過2.5倍。

採用先進折迭光學技術的三鏡頭配置

這種超級變焦三鏡頭配置，從1到5倍變焦都能提供無縫、連續的變焦體驗，無論是拍攝靜態影像或是4K視頻錄像；結合多訊框(multi-frame)技術、影像融合以及多階影像(multi-scaling)，這種攝像頭最高能提供25倍變焦。結合可折迭變焦光學組件與OIS技術，這種先進的三鏡頭系統能改善今日智能手機攝像頭的兩大缺陷：低光線拍攝性能以及光學變焦倍數不足。

廣角/2倍望遠/5倍望遠拍攝

報酬遞減原則

我們在這篇文章中探討了三鏡頭攝影系統的關鍵挑戰，以及可能很快會被業者採用的三種不同攝像頭配置方法。

一般來說，報酬遞減原則(Law of Diminishing Returns)也適用於多鏡頭技術，在雙鏡頭配置中的第二個攝像頭在提升使用者體驗上提供了最高的報酬，但任何一種三鏡頭配置中的第三個攝像頭，可能需要為整體使用者體驗帶來很明顯的價值，才能抵銷其添加的額外成本、佔位面積以及複雜度。

無論如何，三鏡頭配置能充分解決低光線拍攝時的限制(包括靜態影像與動態視頻擷取)，同時提供適當的光學變焦能力(3倍以上)，這在近期之內會成為對手機業者來說最具說服力的解決方案。

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