雙攝像頭都是噱頭嗎？聊聊 iPhone 的雙攝 by DxOMark
引用本文轉自週三科技，編譯作者歐陽洋葱，原文鏈接：雙攝像頭都是噱頭嗎？聊聊 iPhone 的雙攝 by DxOMark。
説真的，在編譯 DxOMark 的這篇文章之前，我還是想説一説。雖然雙攝被很多不明所以的人稱作是營銷產物，但實際上雙攝，乃至多攝仍在新生階段，所以並未產生應有的收效。而在此之前，對於關注移動成像領域的愛好者而言，我們應該去了解如今的手機制造商，和雙攝方案提供商在前期做 “奠基人” 的問題上究竟扮演了什麼樣的角色。
普通消費用户知道雙攝解決方案的突破口應該是前不久魅藍 Note 6 發佈的時候，魅藍告訴各位，其雙攝解決方案來自虹軟。實際上為國內手機制造商提供雙攝解決方案更有名的是 Corephotonics，這家來自以色列的 vendor 為小米、OPPO、一加都提供過 ISP 算法方案（包括今年 MWC 大會上 OPPO 的 5 倍變焦相機）。對雙攝圖像融合算法的一些理論常識感興趣的同學可以去看看他們前不久公佈的圖像融合白皮書：IMAGE FUSION – Corephotonics
（Light L16）
其實無論是深度地圖（depth map）的構建，還是焦外彌散圓的表現方式，抑或雙攝所做的抑噪和消除視差的 “遮蔽” 修正等等，雙攝現如今的發展都還的確比較初期。多攝方案上的極致應該是 2015 年名為 Light L16 的相機（呃… 話説光場相機不能算多攝吧），那款相機有 16 顆鏡頭，總共分成三組（35mm、70mm 和 150mm 焦距），合成 5200 萬像素照片，拍完的照片可調整景深、焦點，拍攝也支持變焦——變焦方案其實和現如今很多手機地廣角 + 長焦雙攝方案是差不多的，只不過在圖像融合算法上可能會更復雜。
這類形態相機的本質，包括雙攝手機，都是為了在保持機身輕薄的基礎上，提升畫質，甚至模擬單反能夠做到的某些特性，比如淺景深、變焦。我覺得就算很多人看不起雙攝，或認為它就是個噱頭，也不應該否認雙攝的這種目標，也不要因為市場上存在一些劣質的雙攝手機就對其失去信心——雙攝市場的每個參與者其實都在積極地進行技術改良，不光是圖像傳感器製造商、算法解決方案，還包括芯片製造商其實也越來越傾向於集成雙攝方案支持，高通和聯發科都已經這麼做了。現在連影像評測機構也開始這麼做了，比如 DxOMark，所以雙攝的這種趨勢幾乎已經板上釘釘。
下面這篇文章實際上是 DxOMark 為了闡述自己針對 Mobile 類設備做評測和打分的新標準而寫的。這次新標準的出現其實就是為了適應現如今的雙攝手機，所以 DxOMark Mobile 評分的子項多了 “變焦（Zoom）” 和 “焦外（Bokeh）” 兩項。而對雙攝的評判標準也不像很多人想象得那麼簡單。
其實如果你對成像比較了解的話，那麼這篇文章能夠給出的乾貨不算多，
- 比如説 iPhone 對焦外高光位置的虛化呈現方式還不夠真（或者説模擬得不夠傳神）；
- 比如 iPhone 7 Plus 雙攝模擬的虛化程度大約相當於全幅單反之上的 f/3.5 光圈；
- 再比如你可能不知道，在 100 lux 略暗但不是很暗的照度下，如果用 iPhone 7 Plus 進行 2 倍變焦，則手機會對兩顆攝像頭拍下的照片進行融合；
- 還有，你可能知道暗光環境下用人像模式拍照，噪點多到無法接受，但更不能接受的是照片前後景的噪聲分佈是不均的；
- 雙攝模擬的虛化效果，只虛化了後景，卻並未虛化前景。
- 一個冷知識：808Pureview 在 DxOMark Mobile 評分中，“變焦” 項目的得分為 42 分，只比 iPhone 7 Plus 低了 4 分，卻比 iPhone 7 高了 7 分。
以下是此文的全文編譯，所有圖片均可點擊放大查看。原文題為《Shoot-out: Apple iPhone 7 versus the Apple iPhone 7 Plus using our new test protocol – DxOMark》
我們現在已經開始採用最新的 DxOMark Mobile 協議。新版評測標準可用於測試蘋果 iPhone 7 Plus 的雙攝像頭系統，並將之與 iPhone 7 和其他旗艦機型進行更為公平的比較。我們先前已經採用新標準對 iPhone 7 Plus 進行了評測，並且也對 iPhone 7 進行了重新測試。這篇文章將展示，我們是如何測試 iPhone 7 Plus 的長焦攝像頭和人像拍攝功能的，以及這些項目對於總分的影響。
iPhone 7 家族：兩款機型的共性
相較前代產品，iPhone 7 和 iPhone 7 Plus 對攝像頭進行了又一次提升，而且還增加了一些新特性——蘋果期望以這種方式讓 iPhone 再度成為最受歡迎的拍照設備。雖然部分新特性僅針對 iPhone 7 Plus，但兩款設備的升級都是比較充足的——包括更大的光圈、更出色的圖像處理能力、四顆閃光燈，以及光學防抖（OIS）。iPhone 7 和 7 Plus 的主攝像頭都採用 1/3 英寸 1200 萬像素圖像傳感器、廣角（等效 28mm）f/1.8 鏡頭——支持光學防抖。兩款機型拍照時都支持全新的廣色域，用蘋果或者其他支持 DCI-P3 色域的高端顯示器查看照片，可以獲得更豐富的色彩。蘋果在新版圖像處理器上還採用全新的算法，以每次按下快門拍攝多張照片的方式來獲得最佳成像。在我們的測試中，我們將展示這些新技術是怎麼發揮作用的。
在室外明亮日光條件下，iPhone 7 和 7 Plus 拍照不僅曝光準確，而且動態範圍廣、自動白平衡表現出眾、色彩渲染和細節呈現都不錯。所以兩款設備的子項評分都很棒，暗光環境拍攝是唯一短板——相對精細的細節存在缺失，在各種光照條件下對焦都不算太穩定，另外還有些可見的明度噪點。
視頻拍攝時穩定性表現佳，快速平穩的自動對焦、出色的細節呈現、光照充足時色彩生動，所以兩款機型的視頻拍攝子項得分也都達到了 76 分。
iPhone 7 Plus：雙攝是差異所在
iPhone 7 Plus 由於採用雙攝結構，所以增加了一些新特性。其第二顆攝像頭支持 2 倍光學變焦，可用於計算深度信息。所謂的人像模式，就是通過分析兩顆攝像頭來獲取深度信息，以此進行背景虛化，並保持被攝主體清晰鋭利。人像模式實際上就是為了模擬淺景深，一般濃重的背景虛化效果需要高端相機才能做到。
iPhone 7 和 7 Plus 攝像頭的主要差異就在於後者有顆長焦攝像頭（譯者注：長焦原則上只可用於形容鏡頭，但本文不對 “長焦攝像頭” 和 “長焦鏡頭” 兩個詞作區分），這顆攝像頭不僅可用於遠攝（變焦），還能用於獲得背景虛化效果。所以我們的評測也會對這顆長焦攝像頭做研究，包括其優勢和缺點。
iPhone 7 Plus 的雙攝規格
iPhone 7 Plus 的第二顆攝像頭和主攝像頭還是存在較大區別的，雖然分辨率都是 1200 萬像素，但這顆攝像頭的鏡頭採用更長的焦距（等效 56mm 焦距），因此光圈也相對更小（f/2.8），並且為了讓 iPhone 7 Plus 與 iPhone 7 保持差不多的厚度，這顆長焦攝像頭的圖像傳感器也更小。更小的圖像傳感器尺寸也就意味着其單個像素尺寸也更小（1μm，主攝像頭的單個像素尺寸為 1.22μm），信噪比可能會更低。
這樣一來，iPhone 7 Plus 有了第二顆攝像頭，不僅可以做到 2 倍焦距拍攝（光學變焦的依據），而且在採用人像模式拍攝的時候，相機還能模擬淺景深，也就是背景虛化效果。
理解 iPhone 7 Plus 的光學變焦
手機攝像頭的一大短板在於無法實現真正的光學變焦，幾乎所有智能手機攝像頭都採用定焦廣角鏡頭，也就是説如果你要拍個特寫，唯有改變拍攝距離，即與被攝對象靠得更近才行，或者也可以用數碼變焦。而 iPhone 7 Plus 採用一種合理的方式，用户就能在不影響體驗的情況下，從廣角鏡頭無縫切換到長焦鏡頭，實現所謂的變焦。
雖然這顆長焦鏡頭也不支持變焦，但更長的焦距令 iPhone 7 Plus 可以拍攝相較主攝像頭放大 2 倍的畫面。這種方案有幾個好處。長焦鏡頭拍攝到放大 2 倍的畫面（譯者注：實際上是被攝物放大兩倍，而視野變窄）比數字變焦更清晰，細節也明顯更多，後者其實只是截取畫面的一部分暴力放大而已。另外，有了更長的焦距，攝影師就可以離被攝對象更遠，拍攝畫面的透視效果也不會太誇張——比如用廣角鏡頭拍人像，如果靠的太近，人像的鼻子可能就會看起來很大。
（譯者注：所以説 35-50mm 是拍攝人像的黃金焦距，太短或太長的焦距拍人像都充滿了惡意。）
下面這兩張照片就是用 iPhone 7 Plus 拍攝的，分別是 1 倍焦距和 2 倍焦距（譯者注：也就是分別用主攝像頭和第二顆攝像頭拍的）：
如果採用 2 倍數碼變焦（比如 iPhone 7 如果像上面這麼拍，第二張就只能數碼變焦了），那麼效果肯定不會像 iPhone 7 Plus 的長焦鏡頭拍的那麼鋭利。在光照充足的環境下，採用 iPhone 7 Plus 的 2 倍變焦拍照，拍到的畫面細節都比 iPhone 7 或者 Google Pixel 更為豐富。
給 iPhone 7 和 7 Plus 的變焦打分
上面已經談到，在光照條件比較好的情況下，iPhone 7 Plus 的長焦鏡頭在拍照的時候，相比一般手機攝像頭的數碼變焦效果更好。不過蘋果的雙攝方案也存在侷限性，由於第二顆攝像頭相比主攝像頭，圖像傳感器更小，而且採用更慢的鏡頭（也就是更小的光圈），鏡頭也不支持光學防抖——這些妥協實際上也是為了配合 iPhone 的機身厚度。
在暗光環境下，即便用 2 倍焦距拍攝，iPhone 7 Plus 仍然只用主攝像頭，所以暗光環境下 2 倍焦距拍攝的照片和 iPhone 7 是差不多的。
（譯者注：上圖橫軸是照度，縱軸是鋭度；淺藍色柱狀條代表數碼變焦，深藍色柱狀條代表光學 + 數碼變焦；柱狀條上方標註的 W 代表採用廣角攝像頭拍攝；T 代表採用長焦攝像頭拍攝；三組柱狀圖分別列出 20 lux、100 lux 和 700 lux 照度下 iPhone 7 和 iPhone 7 Plus 拍攝照片的鋭度情況。）
為了評估這種妥協究竟帶來了什麼樣的後果，我們採用全新的 “變焦（Zoom）” 評測方式，來測試兩台設備。我們的測試模擬了各種光照條件，從極低照度到明亮光照環境，以此來了解這些拍照設備的實際表現究竟如何。我們發現，在光照條件充足的情況下，iPhone 7 Plus 攝像頭有較大的領先優勢；而在稍暗的光照條件下（如上圖中的 100 lux 照度下），iPhone 7 Plus 在細節呈現方面的領銜優勢就變小了；在暗光環境下（如上圖的 20 lux 照度），雙攝的優勢就不復存在了。這是因為在暗光環境下，iPhone 7 Plus 會完全採用廣角攝像頭（而不再啟用長焦攝像頭），所以其成像素質就和 iPhone 7 差不多了，此時 Google Pixel 拍到的細節更多。
（點擊放大，觀察原圖的解析力表現）
光學變焦帶來更多的噪點
長焦鏡頭雖然帶來更多的細節，但由於單個像素尺寸更小，所以成像噪聲有所增加。
（2 倍焦距下拍到的噪點稍多，仔細看天空部分就能夠發現）
我們對比攝像頭變焦表現的方法，是將攝像頭調整到等效 50mm 和 85mm 兩個焦距之上拍攝樣張，不管攝像頭的變焦機制是怎麼做的（包括光學、數碼和混合式）。隨後我們再評估畫面的特定區域表現如何，以鋭度為衡量標準。攝影師是站在固定距離下拍攝的，我們對拍攝對象細節進行評估。
不難想見，iPhone 7 Plus 的雙攝方案由於帶一顆長焦鏡頭，所以在 “變焦” 這個項目上會有更高的得分。不過因為在較暗的光照條件下，iPhone 7 Plus 會對兩顆攝像頭拍下的畫面進行合成，或者只採用主攝像頭進行數碼變焦，所以 iPhone 7 Plus 在這一項的得分也只比 iPhone 7 高出 9 分，前者與後者的得分分別為 46 分和 35 分。雖然還是存在一定優勢，但和某些機型比起來就毫無優勢了，比如諾基亞 808Pureview “變焦” 項目的得分是 42 分，而 808Pureview 採用的無損變焦方案，實際是對 4100 萬像素圖像傳感器資源做充分利用，這台設備也是不支持光學變焦的。
所以如果和相機比起來，手機攝像頭的 “變焦” 能力還是有很大的提升空間，如下圖這三張從 “變焦” 測試樣張中截取的畫面對比。
給 iPhone 7 Plus 的虛化打分（人像模式）
現如今像單反一類高端相機，和手機攝像頭之間的最大差異即在於，前者很容易創作出被攝主體清晰鋭利，而背景則像奶油般模糊的照片，也就是所謂的 “刀鋭奶化”。唯有較大的圖像傳感器，配合大光圈鏡頭才能營造出這種淺景深效果。
而手機的圖像傳感器要小得多，所以即便光圈 f 值看起來比較大，也是不大可能創作出 “刀鋭奶化” 的作品的。某些後期桌面軟件可用於模擬這種效果，不過還是需要較多的手動操作，去選中被攝對象，並確定背景的模糊程度。而蘋果的 “人像模式”，就是以自動的方式來達到這樣的背景虛化效果，向單反看齊。
虛化效果：部分模擬了淺景深
以 iPhone 7 Plus 的光學設計和條件，要真的拍出景深比較淺的照片是不現實的，因為其圖像傳感器較小，且鏡頭焦距也短。不過利用雙攝拍下的照片，卻能實時模擬出這樣的效果。iPhone 首先會預估場景中每個被攝物的距離，並計算圖像每部分要進行何種程度的虛化，越遠的地方虛化越多，同時保證被攝主體及靠近被攝主體的部分是清晰鋭利的。蘋果似乎刻意減少了對前景的虛化，可能是為了防止穿幫和不自然。
（譯者注：這段話需要對 “景深” 這個概念有一定的理解才能明白，如果你對於為何越遠的位置虛化越多，以及為何前景也需要虛化感到困惑，歡迎看我的另一篇回答：歐陽洋葱：用算法合成的背景虛化效果與用大光圈鏡頭拍出的效果相比差距有多大，主要區別在哪裏？
譯者注：另外提一點，國內很多泛科技媒體早在 HTC One M8 時代就説，這款手機的第二顆攝像頭 “用於記錄景深信息”，這是種完全錯誤的表達，這裏的 “景深信息” 指的應該是深度信息，而且也沒有單顆攝像頭能 “記錄” 深度信息這樣的黑科技存在，雙攝虛化的根本就是通過兩顆攝像頭拍攝照片的視差——或者可能應該説成是位差，來大致推斷被攝主體的邊界，現在可能還會配合深度學習（Deep Learning）算法來識別被攝物，以最終構建的 depth map 深度地圖為依據進行不同程度的虛化。）
註解：軟件模擬淺景深的方法有很多種，有些軟件是通過估算場景中被攝物的距離來構建深度地圖。由於兩顆攝像頭的位置是不一樣的，每顆攝像頭拍到的場景視角會有差異，iPhone 7 Plus 也就能夠利用兩者間的差異來估算攝像頭和場景中被攝物的遠近。iPhone 7 Plus 開啟人像模式時，就會模擬背景虛化效果。
iPhone 7 Plus 的背景模糊程度，大約相當於全畫幅單反，配合 f/3.5 光圈鏡頭拍攝，如下圖所示：
（左圖 iPhone 7 Plus 拍攝，右圖全畫幅單反 + 50mm f/3.5 鏡頭拍攝）
虛化的短板：噪聲分佈不一、前後景過渡不自然
因為深度地圖實際上並不精準，所以畫面不同區域的過渡很多時候還是不自然的，下面這張圖就是全畫幅單反真正的背景虛化，和 iPhone 7 Plus 模擬背景虛化效果的差異：
全畫幅單反採用 50mm 鏡頭，f/3.5 光圈拍攝；中間這張圖是單反及其鏡頭呈現出的效果，而第三張圖則是 iPhone 7 Plus 拍攝的，注意觀察兩張圖小星星邊緣位置與背景過渡時的差別，iPhone 7 Plus 拍下的畫面存在一定程度的邊界誤判和過渡不自然。
iPhone 7 Plus 採用人像模式拍攝，在暗光環境下也會有問題。iPhone 7 Plus 第二顆攝像頭的光圈相比主攝像頭更小，這就需要更慢的快門速度作為補償，但問題是這顆攝像頭不支持光學防抖，所以又無法採用太慢的快門，這樣一來在暗光場景下，iPhone 7 Plus 的長焦攝像頭很難獲得充足的曝光量。
所以如果在暗光環境下使用人像模式拍攝，畫面被攝主體的噪聲會顯得比較嚴重，而焦外部分的噪點控制相對更好，因為虛化相對降低了這部分的噪聲——這讓整個畫面看起來不夠自然。
和單反真正拍到的淺景深不一樣，iPhone 的人像模式拍下的照片，前後景的信噪比水平存在差異。在光照充足時，噪聲沒這麼明顯，但暗光時這種噪聲分佈的不均衡，實際上是比較詭異的，如下圖所示。
衡量 “焦外” 的準確性
評估虛化表現的另一個要點在於被攝主體是否突出。真正的淺景深是光學屬性使然，而不是模擬出來的。iPhone 7 Plus 在開啟人像模式之後可以模擬淺景深。但問題在於，iPhone 7 Plus 對前景的虛化程度，比背景弱得多。蘋果這麼做可能是有原因的，可能是為了避免前景看起來不夠自然。
為了表現這一點，下面這張測試板和相機採用 45° 角放置。測試板右邊離相機更近，對焦位置選擇在測試板中央。不難發現，下面這張圖，全畫幅單反 + 50mm 焦距鏡頭拍下的照片，近處和遠處都有虛化；而 iPhone 7 Plus 只虛化了遠處。
藍色部分表示焦內區域（譯者注：也就是景深範圍）。iPhone 7 Plus 只虛化了後景，而蔡司鏡頭拍下的照片前後景都有虛化。如果要讓 iPhone 7 Plus 也對前景做虛化，則需要前景離被攝主體非常遠才行。
測試虛化表現
除了需要評判照片背景虛化程度，焦外高光部分的形狀、亮度其實都有講究（這些也是評測標準）。相機鏡頭拍下的照片，如果虛化的部分是討喜的，我們就説其焦外成像很出色。如果用軟件來模擬虛化效果，像 iPhone 7 Plus 這樣，我們就需要評估其模擬虛化的表現如何了，畢竟相機鏡頭是靠真正的淺景深呈現出的虛化，那才是真是的虛化。我們在實驗室裏也對比了 iPhone 7 Plus 和全畫幅單反 + 高端鏡頭的焦外成像，如下圖所示：
全畫幅單反加鏡頭，呈現出了更為傳統和自然的焦外成像，即便採用 f/4 光圈也是如此。
焦外高光處的形狀，看起來是否討喜對攝影師來講很重要，輪廓內部呈現也很重要。出色的焦外虛化應該是邊緣一圈稍亮，同時邊緣較鋭。
（譯者注：維基百科針對 Bokeh 的描述中有這樣兩段話：
引用Bokeh is often most visible around small background highlights, such as specular reflections and light sources, which is why it is often associated with such areas. However, bokeh is not limited to highlights; blur occurs in all out-of-focus regions of the image.
……
Bokeh characteristics may be quantified by examining the image’s circle of confusion. In out-of-focus areas, each point of light becomes an image of the aperture, generally a more or less round disc. Depending on how a lens is corrected for spherical aberration, the disc may be uniformly illuminated, brighter near the edge, or brighter near the center.
供對焦外成像感興趣的同學參考，至少反射高光部分，以及小光源的焦外成像，會是 Bokeh 好或不好的重要評價標準。這裏的 circle of confusion 就是彌散圓的意思。依據鏡頭對於相差的修正，焦外小光點可能在亮度上並不均勻，或光點邊緣位置會更亮。
我感覺 DxOMark 最後評價焦外的這個説法還是值得商榷的，但鑑於 DxOMark 在鏡頭評測方面宗師級的地位，可能是我對焦外的理解太膚淺造成的。不過在我先前那篇回答中也談到過，鏡頭的焦外虛化往往是不完美的，或者虛化的好看與否是很主觀的，比如光圈收縮後彌散圓形狀就不會是個圓形——不過這也不會成為影響焦外好看與否判斷的標準，且鏡頭由於工藝限制在焦外呈現上也會表現出不同的特性。而雙攝模擬的背景虛化則很單一，讓畫面看起來很假。）
iPhone 7 Plus 的虛化表現
iPhone 7 Plus 虛化平滑，這和光學虛化更鋭的邊緣相比，就不大符合預期。而且如果要產生虛化效果，蘋果建議用户保持被攝主體離手機 2.5 米以內，在此範圍之外，兩顆攝像頭無法識別出足夠的位差，也就不能進行相對準確的虛化了。
iPhone 7 Plus 的長焦鏡頭能幫助減少畸變
更長的焦距有個優勢，就是能夠減少畸變（foreshortening distortion，譯者注：這裏主要應該就是指桶形畸變，另外也有誇張的透視關係），在比較近的距離，以廣角鏡頭拍攝的時候就會有這個問題——比如拍人像特寫。下面的樣張就表現出了廣角鏡頭呈現出的臉部變形，是用 iPhone 7 之上的廣角鏡頭拍攝的大頭照（或者一般傳統手機拍出來的也是這樣）。
把手機拿的離人臉遠一點，那麼就能緩解這個問題——但拿遠的話拍不了特寫——如果同時又期望拍攝臉部特寫，對一般的手機攝像頭來説就只能用數碼變焦了。就像前文所説的那樣，數碼變焦對畫質是有損的。所以 iPhone 7 Plus 的長焦鏡頭就不存在這一問題：一方面基本能夠解決變形的問題，同時細節捕捉也到位。結合上述原因，iPhone 7 Plus 在 “焦外（Bokeh）” 項目的得分為 50 分，是我們測試過移動設備中的最高分——iPhone 7 在這一項的得分是 25 分。
對背景的虛化能力、焦外成像表現、被攝主體輪廓的合理呈現，這幾點綜合構成了 “焦外（Bokeh）” 評分項。
總結：iPhone 7 Plus 的雙攝物有所值，尤其是人像拍攝
雖然在照片和視頻拍攝的 “曝光與對比度”“色彩”“自動對焦”“Texture”“抑噪”“Artifacts” 和 “閃光燈” 各項目的得分方面，iPhone 7 和 iPhone 7 Plus 差不多，但在最新的 “變焦（Zoom）” 和 “焦外（Bokeh）” 兩個項目上，iPhone 7 Plus 卻領銜很多。亮光環境下長焦鏡頭更好的成像質量，加上減少即便、產生虛化效果，都讓 iPhone 7 Plus 在人像、微距和運動攝影等維度上領先 iPhone 7。下表就是兩款手機 DxOMark Mobile 得分的差異。
資料來源：愛範兒（ifanr）