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“高像素即正义”热潮下,手机拍照能超过单反?

2019-12-05 07:38:07

【文/科工力量专栏作者 陈兴华】

在市场竞争如火如荼同时,智能手机厂商的“像素大战”不断升级。2019年初,华为、小米抢发4800 万像素摄像头手机;年中,vivo、OPPO、三星、红米等争先恐后发布6400 万像素手机;如今,继联想之后,小米在三星的加持下,一亿像素手机也实现了量产上市。

有趣的是,手机摄像头在像素数量上已经赶超中画幅相机,而前两年飞思发布的1亿像素中画幅相机价格近32万,但拥有一亿像素的小米CC9 pro售价仅为2799元。在“像素即正义”的伪概念时代,高像素智能手机不断收割着友商乃至相机行业的市场。

目前,手机厂商正利用AI算法将夜拍、防抖、虚化、变焦等一些在相机上的功能逐一攻克并应用在智能手机上,潜望式、TOF、超广角、长焦镜头也随之在手机上出现。由此,围绕手机和相机拍照孰优孰劣的争逐渐成为焦点。那么,手机拍照真的能取代相机乃至单反吗?

相同像素,“底大一级压死人”

11月5日,小米在北京发布了1亿像素手机小米CC9 Pro。这款手机的相机是小米手机的巅峰之作,总计1亿像素,拥有10倍混合光学变焦、50倍数码变焦、1200万人像、2000万超广角和1.5CM超微距镜头,最终与华为Mate 30 Pro并驾齐驱,拿下了DxOMark相机排名的第一名。

有趣的是,小米在发布会上以“像素之名”用小米手机和一系列相机做了比较。显然,1亿像素成为小米手机的营销卖点。然而,2019年初,小米手机相机的另一种逻辑似乎更为真实。雷军彼时发微博强调:相机最核心的是感光元器件的面积,俗称“底”,就是分辨度*每个点大小。底大画质就会好。

那么,且来看看到底是“底大一级压死人”还是“高像素即正义”。众所周知,像素数量与最终成像的解析力密切相关,在理想情况下,我们可以认为像素数量越多,照片解析力就会越好。然而,像素越高就一定越好吗?并非如此,因为在相同数量的像素下,它们的像素面积可能不一样。

如果每个像素面积够大,捕捉到的光线足够多,就可以记录下更多的信息,照片的画质也会更好,反之亦然。一个CMOS图像传感器(CIS)上有多少个像素,可以简单理解为将这颗传感器切分成多少份。在同一块传感器上可以分割出6400万个小方块作为感光点,也可以分割出 1亿个小方块作为感光点。

虽然感光点从数量上增多了,对应的像素也从6400万上升到了1亿,但每个像素的感光面积却在变小。雷军说的“底大一级压死人”,就是这个道理:当它们的像素一样,单位像素的感光面积越大,进光量越高,宽容度、暗光等表现会更好。由此,单位像素的感光面积,才是真正决定照片画质的关键。

图源:富士数码官方微博

在同是1亿像素的手机和相机情况下,由于相机的传感器更大,感光元件接收到的光线更多,拍出来的照片细节更多、噪点更少、画质更好。值得一提,小米宣布发布1亿徐像素镜头之后,富士数码的官方微博发了一张图片,把小米CC9 Pro的传感器 P 到了相机上,一时间迎来了不少网友调侃。

不过,将像素做小或者将CMOS图像传感器做大,也是近十多年来的总体技术趋势。研究机构TechInsights统计了近20年手机图像传感器、像素尺寸趋势。很容易发现,像素正变得越来越小。但无论是索尼的4800万像素,还是三星的6400万/1亿像素传感器,其像素尺寸都在0.8μm这个节点上。

可以说,基于0.8μm尺寸的1亿像素CMOS图像传感器,在博取眼球同时,也是对下一代技术的一个扩张。为了容纳这么多的像素,CIS的总尺寸在逐渐变大。索尼IMX586 4800万像素CIS尺寸为1/2英寸,三星GW1 6400万像素CIS尺寸为1/1.72英寸,而三星的1亿像素CIS尺寸是1/1.33英寸。

图/电子工程专辑

由此,小米CC9 Pro的1亿像素意义尽管不小,但它 1/1.33 的大底CMOS才是这款手机比其它手机厉害的地方。1/1.33英寸和单反/微单还存在量级差距,但在手机领域,可以认为几乎是绝无仅有的,而且正靠拢1英寸小DC。当然,将CIS做大也意味着光学结构成本、技术难度大幅增加。

镜头、快门、处理器等硬件天然重要

按照相机成像的逻辑顺序,依次是镜头——测光/快门——传感器——处理器(ISP)——操控。虽然大小悬殊,但无论是单反上的巨型镜头还是手机上的镜头组,其“基本结构”都一样:靠着多片透镜的前后组合,实现对镜头外光线的捕捉,并且经过多次折射,确保其垂直射入到快门/传感器表面。

另一个镜头的重要光学参数就是光圈,也叫做光圈系数。光圈系数= 镜头焦距/光圈孔径。光圈系数越小,进光量就越大,而光圈系数每一级之间,实际的进光量就有一倍的差异。另外,为了保证一张图片曝光完美,光圈越大,快门就可以更快;反之,光圈越小,快门也就越慢,从而保障照片的进光量充足。

可以看出,在摄像中,手机和相机镜头、光圈等方面通常有着几个数量等级的天然硬件构造差距。而且,这些核心器件的差距在空间狭小的手机局限中几乎无法弥补。另外,如果说镜头的光圈、焦距参数不直接影响成像画质。那么,镜头部分的什么因素才会直接影响到画质?这便是镜头的结构(模组),或者说用料。

据了解,几乎所有的高级卡片机,或者单反、微单镜头,都具有复杂的光学结构、超多片的玻璃光学镜片、价格不菲的特殊材质镜片以及成本高昂的镀膜。这些重磅材料的使用,保证了光线在镜头内部反复折射时,最大程度地减小损失。

然而,没有高级镜片材质、没有精密的多片非球面镜片、没有优质的光学镀膜,甚至就连一向被认为“优质优价”的iPhone也可以被曝出镜头外层的蓝宝石玻璃含有杂质而导致强度下降。可以得知,其他厂商也多数在手机镜头不算用心。一款手机的镜头模组成本通常在区区几十元。

不过,手机用户们也不必过分悲观。在如今的智能机阵营中,也有华为和莱卡合作改善手机镜头模组、Moto联合哈苏研发相机模块、华硕直接和华硕与日本著名的镜片品牌---HOYA光学合作等等,他们已将10枚包含非球面、低色散等元件的精密HOYA镜片装备于手机,实现10倍光学变焦和50倍总变焦等。

在单反相机上,当物理快门钮被按下开启时,光线才能从镜头真正射入到感光元件上。而快门关闭感光也就因此终止。但对于整个手机照相组件来说,因为不存在能够遮挡光路的物理快门,拍摄过程传感器其实是一直在工作——把光信号转换成电信号。而电子快门的本质,是传感器的一次“自我截图”,这和物理快门产生的作用也有着差异。

另外,为什么手机ISP(图形信号处理)和相机图像主控的性能上也存在差距?一方面是因为手机主控寸土寸金,ISP在其中只是“相对不太重要”的组件,手机厂商为了功耗和成本因素做出妥协;而相机的主要功用就是拍照,整个主控绝大多数的面积和能耗都可以使用在ISP部分,自然性能更强,更为实际真实。

但手机有一个相对相机很大的优势——制程工艺。主流手机主控的制程目前已经进化到了7nm,已经超越了现有的PC处理器标准。反观相机主控呢?以好几个大牌相机厂都青睐的富士通Milbeaut芯片为例:最新的一代刚刚升级了低电压制程,但仅仅是45nm,差不多就是2010年前后PC处理器的水平。

高像素背后的技术、芯片升级

在CMOS图像传感器上,相机相对手机是“底大一级压死人”,但手机厂商也在不断改善这种状况。据电子工程网的介绍,在拍摄过程中,像素收集光子的过程,类似于在某片空地上放满盆子,下雨时雨点落进盆里。可以将一个像素集满光子的能力定义为“满阱容量”,也就是盆子能盛多少雨水。

图/电子工程专辑,下同

目前,在像素尺寸已经如此小并在进一步趋小的情况下,增加满阱容量的方案就是增加“阱深”。据了解,针对像素阱的设计都是需要厂商花重金去试错,更早1.0μm像素时代的active Si厚度为2.5-2.7μm,现在则加深到了3.9μm。

实际上,即便是一些不喜欢采用高像素摄像头的手机制造商,像素阱加深也是趋势。不过一旦像素阱变深了,那么临近像素之间就更容易产生串扰。目前手机CIS解决串扰问题的技术焦点就在深槽隔离技术(DTI)上,即在每个像素阱之间加入隔断、避免串扰。今年的MWC 2019上海展会上,三星着力展示的就是这种DTI技术,并市场宣传中称其为ISOCELL。

上图的索尼和三星最新的0.8μm像素,可以看到两者的像素隔断差别还比较大。索尼采用的是B-DTI,三星所用的F-DTI方案要求必须采用VTG,所以其隔断会比较完整。这似乎也是目前三星着力的宣传点。另外,索尼所用的氧化物填充B-DTI隔断为150nm宽度,三星则为110nm。

随着像素变小、active Si厚度变大,DTI结构本身也在持续进化中。DTI以及相应的钝化技术是目前像素越做越小的关键所在。如果说高像素真的只是噱头并且会让画质变差的话,那么三星、索尼、OmniVision这些厂商又为何要非要投入大量成本研发此类技术呢?

除了DTI之外,近1-2年手机CMOS图像传感器领域的另一个热门技术就是芯片堆栈——技术核心是chip-to-chip的互连。这和索尼更早应用了“Stacked”堆栈式技术的Exmor RS图像传感器产品不一样。当年的stacked技术是把像素周围的电路移到下层去,电路不需要占用像素表面的位置,让像素感光开口更大。

现在的芯片堆栈是指将CIS、ISP和DRAM三层堆叠在一起。从结构上说,堆栈式CMOS是背照式CMOS的一个全新升级版本,具有高像素化、高性能化及小型化的特点。无论是背照式CMOS还是堆栈式CMOS都是两层的,在iPhone XS和华为P30 Pro的摄像头中,索尼用的是6.0μm间距的Cu-Cu混合连接,用以替代TSV(硅穿孔)互联方案。

目前,索尼的MotionEye™相机堆叠记忆芯片传感器已采用三层堆叠式,这种传感器的核心技术是在像素层和信号处理电路层之间加入了一层DRAM缓存,形成了三明治结构,是真正的三层互联。不过三星的“三层”堆叠,是把DRAM die以倒装芯片的方式置于ISP与CIS双die堆叠后方,DRAM融合了两层RDL层以及一个高厚径比的TSV贯穿到ISP,实现连接。

在CMOS图像传感器领域,目前索尼和三星堪称双雄。实际三星在今年5月推出4800万像素输出的GM2 CIS,索尼却在更早就IMX586中就实现了支持,在市场上拥有更广泛的地位。这是索尼技术领先的一个例证。但在CIS和像素的细节制造上,三星在某些环节还是掌握了工艺优势。这大概也是它能够抢发6400万像素甚至1亿像素产品的原因所在。

图源:counterpointresearch

手机拍照整体升级,追赶相机

在拥有数百个零件的智能手机内部空间上,可谓“寸土寸金”。这也意味着手机相机镜头的传感器天然受到尺寸限制,无法和相机、单反相比。然而,在激烈的市场竞争下,手机拍照的改善和升级显然比预想中快。

现在很多高像素手机,拍照时传感器支持将四个相邻的像素排列在一起,形成一个大的像素,也就是通常所说的像素四合一技术。在明亮的照明条件下可以拍摄超高像素的照片;在暗光条件下靠增大单个像素的面积来提升画质。“日夜兼顾”,才是能拍 1 亿像素的手机比相机拍摄强的一个地方。

值得注意,像素四合一技术也存在着技术差异,以4800万像素传感器为例,索尼IMX586能够“硬件直出4800万分辨率”,而三星GM1是“AI超清输出4800万分辨率”。为此,三星摄像头曾被质疑为“伪4800万像素”。

其实,如果说手机能够弥补与单反差距的重要阵地就在于算法,毕竟硬件上再怎么升级,由于天然受限,就目前来说还无法和单反相提并论。但为什么现在的智能手机在夜间也能拍出清晰明亮的照片?这靠的就是利用芯片强大的运算能力和 AI 加持后的相机算法,直接处理好和“补足”了照片。不少人发现华为手机的夜拍功能不错,其实也很大程度上是基于麒麟芯片的AI算法功能。

华为消费者业务CEO余承东在发布会上展示P3O Pro拍摄的月亮的照片

最近几年,HDR功能也越来越强大,对于相机锐度、色彩的调校更为精致,甚至有超级夜景这样的“逆天”技能。显然,软件上的可以提升照片后期水平,也可以弥补硬件上的差距,这也让手机拍照能够满足大部分普通用户的优化需要。而至于手机照片优化应用及APP来说,是可以找出一堆了。

另外,相比高像素,多摄带来的体验提升似乎更大。目前主流的三摄组合是一颗高像素摄像头,一颗长焦摄像头以及一颗超广角摄像头(或ToF镜头),这样的组合则是在日常的使用过程中,能够满足拍清晰、拍远处、拍大场景的各种需要。

随着摄像技术的渐渐成熟,专业摄影对手机镜头的要求越来越高,所以产生了潜望式镜头等。“潜望镜式变焦”镜头俗称“内变焦”镜头,由于光学变焦是在机身内部完成,所以可以很容易安装滤镜,无需额外安装镜头筒。但摄像头并非越多越好,只要能充分发挥主要拍摄职能即可。

华为P30 pro镜头组合,方形为潜望式镜头。

光学变焦已成为手机厂商的一大卖点。未来光学变焦倍数或将进一步发展,5x甚至10x的光学变焦将成为主流。潜望式的设计可以很大程度上缩小镜头模组的高度,实现手机轻薄化的趋势,也将引领新一轮摄像头领域的升级。同时进一步弥补了和单反拍摄的硬件差距。

目前,多家手机厂商的智能手机不仅镜头越来越多、算法越来越先进,而且模组越做越大、像素也越来越高等。另外,包括夜景、虚化、防抖、变焦、像素等要素在内构成的手机拍照能力,在手机厂商的激烈竞争打造下,不断拉近与相机、单反拍摄整体差距甚至部分超越,并逐渐有“倒逼”单反、微单创新进化的现象。

结束语

决定拍照表现的因素非常多,镜头传感器、快门、处理器、ISP等等硬件都对成像有着非常大的影响,而AI算法、软件优化的重要作用同样不容忽视。目前,整体而言,相机、单反拍摄在同等或相近条件下在较多方面优于手机,但在软件提升、AI算法、芯片工艺等方面,手机拍照的表现已经领先相机一大截。当然,手机和相机的拍摄差别也可以就具体使用场景和需求而异。

可以说,拍照是一种全面、平衡的综合体验,摄影技术的发展不应仅是像素的线性提升,而是要考虑多方面“协调”问题。比如,最近发布的小米CC9 Pro,就因为处理器的性能比较弱,在一亿像素模式下拍照需要很长的处理时间而影响体验。由此,可以看出,软硬协同的系统性影像技术框架,将是未来影像领域重大的探索发展方向。显然,“不进则退”,相机或单反制造商需要跟上手机厂商的的科技创新步伐。说不定哪天手机拍摄真能取代相机甚至单反呢?

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来源:观察者网 | 责任编辑:陈辰
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