Warum Ihr Smartphone mehrere Kameras hat

In den letzten Jahren hat sich die Fotografie mit dem Smartphone rasant entwickelt. Was einst als nette Zusatzfunktion begann, ist heute für viele Nutzer ein entscheidendes Kriterium beim Kauf eines neuen Geräts. Hersteller investieren massiv in die Verbesserung der Kameraqualität und das Hinzufügen neuer Funktionen. Doch moderne Smartphones sind auch extrem dünn, was die Größe einzelner Kameramodule stark einschränkt. Die geringe Bauhöhe (in der Industrie als Z-Höhe bezeichnet) hat die Designer dazu veranlasst, die größere Breite und Höhe der Telefone zu nutzen, indem sie zusätzliche Kameras integrieren. Diese Entwicklung hin zu Multi-Kamera-Systemen hat eine Vielzahl neuer Möglichkeiten eröffnet und die Art und Weise, wie wir mit unseren Handys fotografieren, grundlegend verändert.

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Mehrere Kameras auf der Rückseite des Telefons sind heute Standard. Sie ermöglichen eine Reihe neuer Funktionen, die mit einer einzelnen Kamera nur schwer oder gar nicht umsetzbar wären. Dazu gehören verbesserter Zoom, bessere HDR-Aufnahmen, spezielle Porträtmodi mit unscharfem Hintergrund (Bokeh), potenziell 3D-Funktionen und eine deutlich verbesserte Leistung bei schlechten Lichtverhältnissen. Allerdings stellen diese Multi-Kamera-Systeme auch neue Herausforderungen an die Bildverarbeitung und Software. Es ist wichtig zu bedenken, dass die Entwicklung von Smartphones mit mehreren Kameras noch relativ jung ist. Daher können wir in den kommenden Jahren noch erhebliche Fortschritte bei dieser Technologie und den daraus resultierenden Funktionen erwarten.

Die Evolution des Zooms: Von Digital zu Optisch

Bis zur Einführung und dem Markterfolg des Apple iPhone 7 Plus im Jahr 2016 war das Zoomen auf einem Smartphone fast ausschließlich digital. Einige wenige Spezialmodelle wie das Samsung Galaxy S4 und S5 Zoom boten einen echten optischer Zoom, was jedoch durch ein deutlich klobigeres Design erkauft wurde. Die meisten gängigen Modelle boten lediglich einen digitalen Zoom von begrenzter Qualität, der im Wesentlichen auf einer Kombination aus Zuschneiden (Cropping) und nachträglicher Skalierung des Bildes basierte.

Die physikalischen Gesetze des Objektivdesigns machen es äußerst schwierig, ein Zoomobjektiv in das dünne Gehäuse eines High-End-Smartphones zu integrieren. Aus diesem Grund sind in den letzten Jahren fast alle Flaggschiff-Telefone auf ein Design mit zwei Linsen und Sensoren für ihre rückseitige Kamera umgestiegen, anstatt zu versuchen, einen optischen Zoom zu implementieren. Die meisten Modelle – darunter von Apple, OnePlus, HTC, Xiaomi, Motorola, Nokia und Vivo – verwenden ein traditionelles Kameramodul in Kombination mit einem 2-fach-Teleobjektiv-Modul. Modelle wie das Huawei Mate 20 Pro und P20 Pro nutzen sogar ein 3-fach-Teleobjektiv.

Der offensichtlichste Vorteil einer dedizierten Teleobjektivkamera ist die bessere Bildqualität bei längeren Brennweiten. Bei der nativen Brennweite der Telekamera durchläuft das Bild den normalen Verarbeitungsprozess und wird in der nativen Auflösung des Sensors gerendert. Dies liefert ein deutlich besseres Ergebnis als das Zuschneiden und Skalieren eines Bildes von der Hauptkamera.

Bilder von den beiden Kameramodulen können auch kombiniert werden, um bessere Ergebnisse zu erzielen, selbst bei nicht-nativen Brennweiten. Dies stellt jedoch einzigartige Herausforderungen für die Bildverarbeitung dar. Zum Beispiel wird das dem Benutzer angezeigte Vorschaubild von einem der beiden Module aufgenommen, muss aber beim Zoomen oder Herauszoomen nahtlos zwischen den Modulen wechseln. Damit dies funktioniert, müssen die Bilder beider Module ähnliche Belichtung, Weißabgleich und Fokussierungsentfernung aufweisen. Da die beiden Module leicht versetzt voneinander angeordnet sind, muss das Vorschaubild neu ausgerichtet werden, um den Bildsprung beim Umschalten zwischen den Kameras zu minimieren. Die Ergebnisse sind definitiv nicht so nahtlos wie bei der Verwendung eines dedizierten Zoomobjektivs an einer eigenständigen Kamera, aber es ist erstaunlich, dass dies bei einem so kleinen Gerät überhaupt möglich ist.

Der nächste Schritt beim Zoom: Gefaltete Optik

Ähnlich wie es schwierig ist, ein Zoomobjektiv in die Dicke eines Telefons zu integrieren, erfordern die längeren Brennweiten von Teleobjektiven eine Kombination aus cleverem Linsendesign und kleineren Sensoren, um zu passen. Das bedeutet, dass die Dicke des Telefons auch die Brennweiten begrenzt, wenn die Linsen in der üblichen Weise ausgerichtet sind – das heißt, von der Oberfläche des Telefons nach außen gerichtet. Aus diesem Grund konnten Telefonhersteller mit der traditionellen Sensor-Linsen-Ausrichtung in einem Smartphone bisher nur einen 2-fach oder 3-fach optischen Zoom erreichen.

Das Hinzufügen eines Teleobjektivs bedeutet normalerweise entweder ein dickeres Telefon, einen kleineren Sensor oder die Verwendung von gefalteter Optik.

Die gefaltete Optik ist eine Methode, um die durch die Dicke des Telefons auferlegte Brennweitenbegrenzung zu überwinden. Der Sensor des Kameramoduls wird vertikal im Telefon platziert und auf eine Linse ausgerichtet, deren optische Achse entlang des Telefongehäuses verläuft. Ein Spiegel oder Prisma wird im richtigen Winkel platziert, um Licht von der Szene in die Linse und zum Sensor zu reflektieren. Erste Designs verwenden einen festen Spiegel, der für Dual-Linsen-Systeme geeignet ist, die eine traditionelle Kamera mit einem gefalteten Teleobjektiv-Design in einem einzigen Modul kombinieren. Aber auch Designs von Unternehmen, die bewegliche Spiegel verwenden, um Bilder von mehreren Kameras zu synthetisieren, kommen allmählich auf den Markt.

Zoom out: Die Weitwinkel-Fähigkeit

Obwohl die Nachfrage nicht ganz so hoch ist wie nach Teleobjektiven, vermissten Fotografen, die von eigenständigen Kameras umstiegen, auch die Möglichkeit, Weitwinkelaufnahmen zu machen. LG war ein Pionier bei der Integration einer zweiten, Ultraweitwinkelkamera in Telefone, beginnend mit dem LG G5 im Jahr 2016. Asus folgte diesem Beispiel mit einer Ultraweitwinkelkamera im Zenphone 5. In jüngerer Zeit haben LG und Huawei Modelle mit einer dreifachen Rückkamera auf den Markt gebracht, die eine traditionelle Linse, ein Teleobjektiv und ein Ultraweitwinkelobjektiv umfasst.

Bessere Tele- und Weitwinkelbilder sind jedoch nur der Anfang dessen, was Smartphone-Hersteller durch das Hinzufügen eines zweiten Kameramoduls erreicht haben.

Porträts, Tiefenschätzung und Bokeh

Die längere effektive Brennweite der Telekamera führt auch zu weniger verzerrten Gesichtern bei Porträtaufnahmen, da Sie das Motiv für denselben Bildausschnitt aus doppelt so großer Entfernung fotografieren können. Dies eliminiert einige der unangenehmen Effekte, die beim Fotografieren von Personen aus nächster Nähe mit einem Weitwinkelobjektiv auftreten.

Durch zwei leicht versetzte Kameras ist das Telefon auch in der Lage, die Tiefe von Objekten in der Szene abzuschätzen. Dieser Prozess beginnt mit der Messung, wie weit Objekte in den Bildern der beiden Kameras voneinander entfernt sind – ein Effekt, der als Parallaxe bezeichnet wird. Objekte, die sich nahe an den Kameras befinden, erscheinen in den beiden Bildern relativ weit voneinander entfernt, während weiter entfernte Objekte viel näher beieinander erscheinen. Sie können dies selbst beobachten, indem Sie einen Finger vor Ihr Gesicht halten und bemerken, wie stark er sich zu bewegen scheint, wenn Sie ihn abwechselnd mit einem Auge und dann mit dem anderen betrachten, verglichen mit einem entfernten Objekt, das sich kaum zu bewegen scheint.

Die Fähigkeit, die Tiefenschätzung von Objekten in einer Szene zu ermöglichen, führte zur Einführung spezieller Porträtmodi in Multi-Kamera-Telefonen. Diese Modi halten das Motiv scharf, während der Hintergrund eine angenehme Unschärfe erhält. Eigenständige Kameras mit weit geöffneten Blenden erzielen diesen Effekt aufgrund der optischen Eigenschaften automatisch, aber die kleineren Sensoren von Smartphones erfordern eine interne Nachbearbeitung der Bilder, um einen ähnlichen Effekt zu erzielen.

Obwohl der Porträtmodus beeindruckend ist, mussten Smartphone-Hersteller mehrere große Herausforderungen lösen, um glaubwürdige Ergebnisse zu erzielen. Erstens kann die einfache Methode zur Tiefenmessung die Kamera täuschen, was zu unbeabsichtigter Unschärfe des Motivs oder dazu führt, dass Objekte im Hintergrund scharf bleiben. Zweitens ist Bokeh – die natürliche Unschärfe, die durch weit geöffnete Optiken erzielt wird – überraschend schwer rechnerisch zu replizieren. Dies macht es schwierig, eine ästhetisch ansprechende Unschärfe für den Hintergrund zu erzeugen. Drittens hat jede der mehreren Kameras eine leicht unterschiedliche Perspektive und möglicherweise unterschiedliche Belichtungszeiten, sodass die sorgfältige Ausrichtung der Bilder und die Entfernung von Geisterbildartefakten ein fortlaufendes Problem darstellen. Schließlich müssen, wie bei den meisten Anwendungen für mehrere Kameras, die beiden Kameras sorgfältig synchronisiert werden, um sicherzustellen, dass beide Bilder im selben Moment aufgenommen werden. Dies minimiert Bewegungsartefakte.

Obwohl zwei vollständige Kameras der beste Weg sein mögen, diese Effekte in einem Smartphone zu erzielen, ist es nicht der einzige Weg. Google Pixel 2 und Pixel 3 Telefone zum Beispiel nutzen die Dual-Pixel auf ihren Sony-Sensoren, um Bilder sowohl von der linken als auch von der rechten Hälfte ihrer Pixel separat auszulesen. Dadurch entstehen im Wesentlichen zwei virtuelle Kameras, die leicht versetzt sind. Das aus der linken Seite der Pixel erzeugte Bild ist in der Perspektive nur um einen Millimeter von dem der rechten Seite verschoben, aber das reicht aus, damit Google die Unterschiede zwischen den beiden als erste Schätzung der Tiefe nutzen kann. Die Telefone kombinieren dann eine Serie von Bildern mit cleverer KI, um eine genauere Tiefenkarte zu erstellen und schließlich den Hintergrund unscharf zu machen.

Verbesserte Bilddetails und Low-Light-Performance

Da Kamerasensoren von sich aus keine Farben aufzeichnen, benötigen sie ein Array von pixeldicken Farbfiltern darüber. Infolgedessen zeichnet jedes Pixel (auch Photosensor genannt) nur in einer Farbe auf – normalerweise Rot, Grün oder Blau. Die Pixelausgaben werden in einem Prozess namens Demosaicing kombiniert, um ein verwendbares RGB-Bild zu erstellen. Dieses Design bringt jedoch einige Kompromisse mit sich. Erstens gibt es einen Auflösungsverlust, der durch das Farbarray verursacht wird; und zweitens ist die Kamera, da jedes Pixel nur einen Teil des Lichts empfängt, nicht so empfindlich wie eine ohne Farbliterarray. Aus diesem Grund verfügen einige Smartphone-Modelle, wie das Huawei Mate 10 Pro und P20 Pro, über einen zweiten Monochrom-Sensor, der das gesamte verfügbare Licht in voller Auflösung erfassen und aufzeichnen kann. Durch die Kombination des Bildes von der Monochromkamera mit dem Bild von der Haupt-RGB-Kamera entsteht ein detailreicheres Endbild.

Obwohl ein zweiter Monochrom-Sensor für diese Anwendung ideal ist, ist er nicht die einzige Alternative. Archos macht etwas Ähnliches, verwendet aber einen zweiten RGB-Sensor mit höherer Auflösung. Bei beiden Designs ist der Prozess der Ausrichtung und Kombination der beiden Bilder komplex, da die beiden Kameras versetzt sind. Daher ist das Ausgabebild typischerweise nicht so detailreich wie die höher auflösende Monochromversion, aber es ist eine Verbesserung gegenüber einem Bild, das mit einem einzelnen Kameramodul aufgenommen wurde.

Eine weitere Möglichkeit, ein zusätzliches Kameramodul zu nutzen, besteht darin, das Bild der lichtempfindlicheren Monochromkamera mit dem Vollfarbbild der RGB-Kamera zu kombinieren, um bessere Bilder in Szenen mit wenig Licht und hohem Kontrast zu liefern. Auch hier schaffen Artefakte, die aus den Ausrichtungsproblemen zwischen den beiden Bildern resultieren, Herausforderungen bei der Implementierung dieser Bildpipeline. Betrachtet man begleitende Beispielbilder (hier im Text nicht verfügbar, aber gedanklich vorstellen), kann man erkennen, dass die Hinzufügung des Monochrom-Sensors das Bild unter allen Lichtbedingungen verbessert, der Unterschied jedoch bei wenig Licht deutlicher ist.

Augmented Reality (AR) Anwendungen

Sobald ein Telefon die Unterschiede in den Bildern seiner Kameras genutzt hat, um eine Karte zu erstellen, wie weit Objekte in einer Szene von ihm entfernt sind (allgemein als Tiefenkarte bezeichnet), kann es diese Karte verwenden, um verschiedene Augmented Reality (AR)-Anwendungen zu verbessern. Zum Beispiel könnte eine App die Tiefenkarte verwenden, um synthetische Objekte auf Oberflächen in der Szene zu platzieren und anzuzeigen. Wenn dies in Echtzeit geschieht, können sich die Objekte bewegen und lebendig erscheinen. Sowohl Apple mit ARKit als auch Android mit ARCore haben AR-Plattformen für Telefone mit mehreren Kameras (oder im Fall von Pixel-Telefonen, Geräte, die Tiefenkarten mithilfe von Dual-Pixeln erstellen können) bereitgestellt.

Eine zweite fotografische Sensor ist jedoch nicht die einzige Möglichkeit, mehrere Kameramodule zur Tiefenmessung zu verwenden: Bereits 2014 brachte HTC ein Modell mit einem dedizierten Tiefensensor auf den Markt. Mit der Zeit könnten sich dedizierte Tiefensensoren, die Time of Flight (TOF) oder andere Technologien verwenden, als effizientere Methode zur Generierung der relativ grobkörnigen Tiefenkarten erweisen, die für AR benötigt werden. Aber auch das wäre ein weiteres Beispiel für die Verwendung mehrerer Kameramodule zur Bewältigung einer aufkommenden Anwendung für Smartphones.

Stereo- und Lichtfeld-Aufnahmen

So wie unsere beiden Augen uns ein Stereo-Bild von dem liefern, was vor uns liegt, und es uns ermöglichen, ein 3D-Modell der Szene zu erstellen, kann ein Telefon mit zwei ausgerichteten Kameras diese verwenden, um ein Stereo-Bild zu erstellen. Telefone mit Stereokameras reichen bis ins Jahr 2007 zurück. HTC, LG, Sharp und ZTE haben ebenfalls Modelle produziert. Diese Telefone und einige andere wurden mit stereoskopischen (3D) Displays geliefert, um die resultierenden 3D-Bilder anzuzeigen.

Um gut zu funktionieren, muss die Stereo-Aufnahme mit einer Smartphone-Kamera die Komplikationen angehen, die sich aus dem kleinen Formfaktor des Telefons ergeben. Im Gegensatz zu dedizierten Stereo-Aufnahmegeräten, die ihre Kameras in einem Abstand ähnlich dem zwischen unseren Augen trennen, sind die beiden Kameramodule, die in einem Smartphone verwendet werden, typischerweise sehr nahe beieinander, was ihnen eine sehr kleine Basislinie gibt. Daher stellt die Erstellung glaubwürdiger Bilder, die die Art und Weise nachahmen, wie unsere beiden Augen sie aufgenommen hätten, eine zusätzliche Herausforderung für diese Unternehmen dar. Die beiden Kameras müssen auch sorgfältig synchronisiert werden, damit sie keine sichtbaren Artefakte erzeugen, die daraus resultieren, dass die beiden Bilder zu leicht unterschiedlichen Zeiten aufgenommen werden.

Herausforderungen bei der Verarbeitung

Platz und Kosten sind nicht die einzigen Einschränkungen dafür, wie viele Kameras in ein Smartphone gepackt werden können. Auch die Rechenleistung ist ein limitierender Faktor. Die Verarbeitung mehrerer Bildströme ist wesentlich komplexer als die Arbeit mit Aufnahmen von einer einzelnen Kamera. Nicht nur müssen alle Bilder wie gewohnt verarbeitet werden, sondern es ist auch zusätzliche Arbeit erforderlich, um sie richtig auszurichten, sie so zusammenzuführen, dass Artefakte minimiert werden, und dann alle erforderlichen spezialisierten Aktionen durchzuführen, wie z. B. das Erstellen von Bokeh oder Tone-Mapping für wenig Licht, um das endgültige Foto zur Anzeige zu erstellen.

Modulhersteller erleichtern es Telefonherstellern erheblich, Multi-Kamera-Lösungen in ihre Designs zu integrieren. Neben Technologieanbietern bieten auch Kameramodulhersteller eine Reihe von Lösungen für verschiedene Kombinationen mehrerer Kameras in einem einzigen Modul an, komplett mit Bildverarbeitungsbibliotheken. Daher ist zu erwarten, dass in Zukunft immer mehr neue Telefone Multi-Kamera-Module enthalten werden.

Die Zukunft: Mehr Kameras auf zukünftigen Telefonen erwarten

Da Smartphone-Hersteller miteinander konkurrieren, um sich mit zusätzlichen fotografischen Fähigkeiten zu übertreffen und die Leistungsfähigkeit ihrer Kameras in neue Bereiche wie AR auszudehnen, werden wir wahrscheinlich zusätzliche Kameramodule sowohl auf der Vorder- als auch auf der Rückseite zukünftiger Geräte sehen. Fortschritte in der Software machen es zunehmend möglich, dass mehrere kleinere Kameras die Arbeit einer größeren Kamera erledigen. Die geringe Größe und dünne Form von Smartphones (und mobilen Geräten im Allgemeinen) machen die Verwendung kleiner Module zu einer Notwendigkeit.

Vergleich der Kameratypen in Multi-Kamera-Systemen

Um die Vielfalt der Kameras in modernen Smartphones besser zu verstehen, hier eine Übersicht der gängigsten Typen und ihrer Hauptfunktionen:

Diese Tabelle zeigt, wie verschiedene Kameratypen zusammenarbeiten, um die Vielseitigkeit und Qualität der Smartphone-Fotografie zu erhöhen.

Häufig gestellte Fragen (FAQs)

Bedeutet mehr Kameras immer bessere Fotos?

Nicht unbedingt. Während mehr Kameras die Möglichkeiten erweitern (Zoom, Weitwinkel etc.), hängt die endgültige Bildqualität stark von der Qualität der einzelnen Sensoren und Objektive sowie der Bildverarbeitungssoftware ab. Ein Telefon mit zwei sehr guten Kameras und exzellenter Software kann bessere Fotos machen als ein Telefon mit vier mittelmäßigen Kameras.

Was genau ist Bokeh?

Bokeh ist die ästhetische Qualität der Unschärfe in den unscharfen Teilen eines Bildes, die durch die Verwendung einer weit geöffneten Blende oder in Smartphones durch softwarebasierte Simulation erzeugt wird. Es lässt das Hauptmotiv scharf hervorstechen und erzeugt einen angenehmen, weichen Hintergrund, oft gewünscht bei Porträts.

Wie funktioniert die Tiefenschätzung mit zwei Kameras?

Das Prinzip basiert auf der Parallaxe. Da die beiden Kameras leicht versetzt sind, sehen sie Objekte in unterschiedlichen Positionen im Bild. Objekte, die näher sind, verschieben sich zwischen den beiden Ansichten stärker als weiter entfernte Objekte. Software misst diese Verschiebung, um eine Tiefenkarte zu erstellen, die angibt, wie weit jedes Pixel vom Telefon entfernt ist.

Was ist gefaltete Optik?

Gefaltete Optik ist eine Technik, bei der das Licht durch ein Prisma oder einen Spiegel gelenkt wird, um es entlang des Telefongehäuses zu leiten, bevor es den Sensor erreicht. Dies ermöglicht die Verwendung längerer Linsen (wie bei Teleobjektiven), ohne das Telefon dicker machen zu müssen, da die optische Achse nicht mehr direkt durch die Rückseite des Telefons verläuft, sondern im Inneren abknickt.

Wie schaltet das Telefon zwischen den Kameras um?

Das Umschalten erfolgt meist automatisch, wenn Sie zoomen oder einen speziellen Modus (wie Porträt- oder Weitwinkelmodus) auswählen. Die Software entscheidet basierend auf der gewünschten Brennweite oder Funktion, welche Kamera oder welche Kombination von Kameras verwendet werden soll. Die Herausforderung besteht darin, dies nahtlos zu gestalten und Unterschiede in Belichtung, Farbe und Perspektive zwischen den Kameras auszugleichen.

Warum haben manche Handys eine Monochromkamera?

Ein Monochrom-Sensor hat keine Farbfilter und kann daher mehr Licht einfangen. Dies führt zu detailreicheren Bildern, insbesondere bei wenig Licht, und kann auch zur Verbesserung der Bildqualität von Farbfotos verwendet werden, indem die detaillierte Monochrom-Information mit den Farbinformationen des RGB-Sensors kombiniert wird.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Integration mehrerer Kameras auf der Rückseite von Smartphones eine direkte Antwort auf die physikalischen Einschränkungen dünner Designs ist und gleichzeitig eine Fülle neuer kreativer und funktionaler Möglichkeiten für die mobile Fotografie eröffnet hat. Die Entwicklung geht weiter, und es ist spannend zu sehen, welche Innovationen uns in Zukunft noch erwarten.

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