2024年2月28日发(作者：红米k20)

浅谈手机双摄像头技术徐仁东(富智康(南京)通讯有限公司，江苏南京，210000

)摘要：随着智能手机市场的兴起，手机代替了许多数码产品，人们对手机的要求越来越高。各大手机厂商在手机市场中的较量，早已进入

了用户体验的较量环节。而在系统优化外，拍照水平的较量渐渐变成手机的卖点，于是大部分手机厂商加入了摄像头战争中。各大厂商为

了更好的拍照效果，引入了多摄像头拍照技术。双摄像头是最近比较热门的技术名词。关键词：手机；双摄像头；背景虚化；夜景暗光增强；光学变焦0引言手机双摄头指的不是前置后置双摄像头，双摄手机是指

一个智能手机背面或者正面上有两个并排(横排或者竖排)

的摄像头。当前手机双摄通过不同的组合可以实现背景虚化

功能，提升夜景模式拍摄图片的质量，实现光学变焦[1],

以及三维重建等应用。1常见的几种双摄搭配■

1.1彩色摄像头(RGB)

+彩色摄像头(RGB)主要用于计算景深，实现背景虚化和重对焦。单反相机

让人为之着迷的一点便是通过调整不同光圈值，拍出如梦似

换的背景虚化效果。我们知道，单反相机通过增大镜头光圈

可以缩小拍照时的合焦范围。■

1.2彩色相机侃GB)

+黑白相机(Mono)提高夜景模式拍摄图片的质量主要有三种办法：曝光时

间延长、感光度ISO提高、光圈F增大。曝光的时间延长

会带来抖动的问题，于是手机厂商与camera模组厂设计了

光学防抖；感光度ISO提高，同时也会带了更多的噪点，

影响了画面清晰度，手机体积很小，厚度很小的限制下，也

不能把传感器尺寸继续加大；手机光圈是固定值，在设计阶

段已经确定，无法调整。厂商的算法工程师们，进行创新，

想要借助黑白世界的强大力量。■

1.3广角镜头(Wide)

+长焦镜头(Tele)主要用于实现光学变焦。在拍照时手机图像处理器会通

过广角和长焦镜头组合搭配和融合算法来实现平滑的变焦,

长焦镜头拥有高像素的特点弥补广角镜头因变焦或畸变而

损失的部分细节图像信息，实现了优于单摄像头很多的图像

变焦效果和图片成像质量。■

1.4彩色相机(RGB)

+深度相机(Depth)主要用于三维重建当中深度摄像头使用的最多是TOF

相机。TOF通过给对应场景中的目标发送光脉冲，然后反

射回来，通过探测光脉冲的往返时间来计算物体距离获得具

体物体的深度信息。76

I电子制作2021年01月2手机双摄的关键技术■

2.1背景虚化单反相机吸引了很多摄影爱好者，其中让人为之着迷的

一点便是通过调整不同数值的光圈值，拍出梦境般的背景虚

化效果。正如我们知道，单反相机通过机械的增大镜头光圈

可以缩小拍照时的合焦范围。光圈实际上是一直打开的，当

你按下快门时，光圈的大小会自动收缩至你在相机上设定的

数值大小。我们在拍照时经常听到说开大光圈和小光圈。我

们以应用在35mm相机的50mm焦距人像镜头为例，最大

光圈可以做到F1.4,此时相机的进光量最大，最小光圈为

F22,此时相机的进光量最小。大光圈代表着光圈的f值最

小，小光圈的f值最大，光圈的大小调节和设置的f值的大

小是相反的，大光圈是小数值，小光圈是大数值。我们在单

反相机或者手机上调节时，将相机模式设置成手动模式。图

1是人像进光量与光圈F示意图。光圈越大，背景越模糊，

光圈越小，背景越清晰。OOOOOOOOO©F1.4

F2

FZ.8

F4

F5.6

F8

FU

F16 F22

F32图1人像进光量与光圈F示意图为了模拟这种虚化效果，双摄手机利用人眼三角定位原

理来计算被摄物体距离摄像头的距离Zo如图2所示。T-{Xx-XJ

_T

一」得到需要拍照场景中每一个像素点距离相机感光

sensor的远近后，通过虚化算法保留对焦平面内人像或景

物的清晰度，将其余部分根据其相对于手机摄像头远近距离

进行不同等级的模糊处理，就可以模拟出光圈虚化效果。■

2.2光学变焦光学变焦是用两个摄像头配合组成，这两个摄像头拥有

不同的可视角（FOV）,两个摄像头看到的角度不同，会导

致取景的范围不同。如果用户需要更广视角的图片信息，就

可以使用视角大的摄像头拍照，取得广角效果。当用户需要

拍摄远点的图像信息，则需要用长焦摄像头，虽然视角小，

但是分辨率高，可以获得长焦效果。光学变焦镜头通常是由

多组独立的凸/凹透镜组成的，有的透镜是固定的，有的是

可以沿光轴前后滑动的。复杂的变焦镜头可以包含多达三+

多个独立的透镜以及多个移动部件。变焦的功能主要通过改

变无焦变焦系统来实现，它由多个固定的和可移动的透镜组

合而成，但是并不进行聚焦，它通过改变光束穿过透镜的位

置来达到变焦的目的。现在绝大多手机对于变焦（或者说远距离拍摄）的需求,

很多都是通过严重压缩图像画质的数字变焦。在这种市场

大环境下，厂商在接到用户对手机拍照功能的主要诉求后。

提出了这种光学变焦方案。但是如前面描述的，变焦镜头

结构复杂，非常依赖于各种光学透镜的复杂组合，因此想

用单摄像头就实现光学变焦功能，对于厂商手机摄像头的模

组厚度、复杂度以及整体外观设计，都带来了很大的挑战。

限于手机机身厚度，想做出不伸出机身外的变焦摄像头几乎

不可能。如果单镜头既然不行，有的厂商尝试用两个镜头来

实现。双摄像头技术的理论基础，就是把原本需要纵向分布的

空间光学体系，在横向空间里相对宽裕的机身平面里铺开。

现在手机厚度已经越来越薄，有的薄到7mm,甚至向更薄

发展，但是横向看机背面上与屏幕平行平面的空间是足够

的。讲白了，就是比起把镜头做得不突出机身，在机背面上

多放几个镜头明显要更容易做到。目前camera模组厂商和变焦相关算法提供商的研发和

测试，这种广角+长焦的双摄像头组合的变焦方案已经被

业界厂商接纳。一个广角镜头和一个长焦镜头的搭配，在用

户拍照后，系统会获得两个镜头的不同图片，通过算法，会

将镜头获取的图片，消除切换差异，并且融合两种图片，实

现相对平滑的变焦功能。因为长焦镜头拥有很高的像素，能

保证广角镜头因变焦或畸变而丢失的图像RAW信息远远低

于单摄像头用数字变焦实现的假变焦，进而大幅提升手机的

变焦功能的性能。这种组合方式已经验证会得到非常好的光

学变焦体验。■

2.3夜景模式增强很多手机都有夜景模式，如果用单摄实现这个功能，通

常是用类似于HDR或者多帧的方式来实现，具体讲就是夜

景模式下，取连续的5-7帧图像，进行图像融合，从而为了

达到细节更加丰富的目的。但是这种方法有弊端，由于黑暗

处物体的进光量有限，即使多次叠加，效果仍然有限。那

么为了带来更好的用户体验，厂商使用双摄技术来实现弥补

这个功能的不足。做夜景模式增强就是摄像头一个用RGBG

的拜耳阵列标准摄像头，另外一个去掉RGBG滤波片只保

留Y方向的黑白摄像头。标准拜耳阵列的用来获得物体的

色彩信息，而Mono摄像头专门用来获取进光量，用来判

断被拍摄物体的亮度信息。然后将两个图片获得的信息通过

算法融合起来，就会使原本的照片新增更好的亮度。■

2.4深度相机深度相机是一种可以直接获取场景中物体与摄像机之

间的物理距离的相机。手机中新增的深度相机一般就是

TOFo TOF的原理与3D激光传感器基本相同。不同的是三

维激光传感器是逐点扫描，而TOF相机可以同时获得一张

完整图像的深度信息。本文介绍了一种高度简化的测距原理Q]

o照明光源通

常釆用方波脉冲调制，因为数字电路比较容易实现。深度相

机的每个像素由一个光敏单元（如光电二极管）组成，可以

将入射光信号转换成电流信号。光敏单元与多个高频转换开

关相连，可将电流导入不同可以储存电荷的电容器中。相机上的控制单元先打开光源，然后关闭光源，发出一

个光脉冲信号。同时，控制单元打开和关闭芯片上的每个像

素点电子快门。用这种方式将光脉冲产生的电荷SO存储在

传感器上。然后，控制单元再次打开和关闭光源。这次快门稍后打

开，即在光源关闭时。产生的电荷S1也存储在传感器上。

因为一个光脉冲的持续时间很短，这个过程会重复数千次，

直到达到曝光时间为止。然后读取传感器中的值，并根据这

些值计算实际距离。计光速为c,

tp为光脉冲的持续时间，SO为先前快门

收集的电荷，S1为延迟快门收集的电荷，则距离d可通过

以下公式计算：iZ

=

2

X <

p

X

S°+Sio'。最小可测量距离是，在较早的快门周期期间SO中收集

了完整的电荷，而在延迟快门周期期S1中完全没有收集到

电荷，即S1

=

Oo代入公式计算，可以得到最小可测量距

离d=0。最大的可测量的距离是所有的电荷都集中在S1中，（下转第90页）

|

77

哪个组的人群属于抑郁症人群，哪个组的人群属于焦虑症人

群。在利用心理预警系统进行检验时，还要和人群的真实数

据挖掘算法和神经网络得到的World

Net面部数据，根据这

些情感数据,系统便可对被测者的情绪波动情况及心理状况

做出准确、实时的判断，进而及时发出心理预警。通过该系

据进行结果对比，以此分析心理预警系统的识别结果是否正

确。具体的对比结果如图1所示，并由此能够充分体现出

统的设计，可有效弥补传统心理预警系统所存在的不足，提

高心理状况检测结果的准确度和可信度，并进一步缩短数据

的采样周期，可节约大量的人力成本。心理预警系统是否有效。■抑郁

■躁郁

■正常参考文献*

［1］董薇.基于3D面部数据及人工智能算法的情感数据采集分

析与心理预警系统［J］.电子设计工程,2020,28(05):152-156.*

［2］帅学倩，梅广，李莉，吴怖，赵旭东.大学生抑郁筛查及预警

系统的研究进展［J/OL］,同济大学学报(医学版):1-6.图1心理预警系统的有效性验证结果*⑶杨利.基于大数据的数据挖掘算法在大学生心理危机预警中

通过观察图1中的识别结果可以了解到，本文所构建

的心理预警系统能够成功识别出患有焦虑症，也就是心情处

于烦躁、郁闷状态的躁郁人群，究其原因在于这类人群在患

的研究［J］.数字技术与应用,2017(03):147-14&*

［4］梁娟，罗海据.大数据挖掘方法在大学生心理预警系统中的

应用［J］,中国学校卫生,2018,39(12):1821-1824.*

［5］朱焰，林爽.大数据视域下大学生心理预警系统的构建［J］.煤

有焦虑症以后，其表情变化会产生比较明显的非正常特征，

而对于正常人群的识别则是最高的。炭高等教育,2020,38(01):60-67.*

［6］梁伟刚.员工安全心理预警管理系统技术研究与应用［J］.中

5结语综上所述，本文中构建系统所采集的情感数据是通过数

州煤炭,2016(12):42-46.(上接第77页)而不是在S0中。然后，由公式得出d=0.5XcXtpo因此，

激动人心的应用场景。(4)三维扫描/重建。例如，如果你看到一个你非常喜

最大可测距离由光脉冲宽度决定的。例如，tp=50ns,代入

上式，得到最大的测量距离d=7.5m。欢的雕塑，你可以用手机上的彩色相机和深度相机扫描一

周。结合相应的算法，可以生成雕塑的三维模型数据，并使

深度相机的应用主要包括以下几个方面：(1)

手势识别。TOF深度相机可以将人脸、身体、手臂

用3D打印机轻松打印出三维雕塑副本。和手指从背景中分离出来，分割可信度高，不受自然光变化

的影响。同时，它可以实时处理，在智能交互领域有着广泛

的应用前景。华为Mate30、Mate40系列的隔空操作功能，

就是这个技术进入消费电子产品领域的最好代表。3结语手机双摄技术已经得到了市场的充分的认可，硬件的条

件已经具备。未来基于双摄像头技术的更多应用，会给我们

的生活带来各种变化。当然手机厂商也会在手机上添加更多

的摄像头，普通用户的摄像体验会越来越好，笨重的单反也

(2) 近乎真实的AR游戏体验。由于二维图像中包含了

实时的深度信息，AR游戏的用户体验更加真实。例如，一

只虚拟出来的猫可以通过实时的空间深度感知空间的相对

会离我们越来越远。位置。到了桌子的边缘，会很自然跳到地上，这在以往的

AR游戏中是很难实现的。参考文献*

［1］陈宏宇.智能手机配置双摄影系统趋势的奥秘［jj.数字通信

(3)

三维空间的测量。由于深度信息可以实时获取，三

维空间测量的实现是自然的。比如在室内装饰领域，各种虚

拟家具可以方便地放置在真实尺寸的真实环境中，用户可以

用手机在室内体验到360°的家居真实效果，这无疑是一个

世界,2017(12):109+221.*

［2］林怀德，罗毅初.—种利用深度图像进行电缆弯曲度测量方

法［J］.电力大数据,2018,21(11):88-92.90

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