相同像素，“底大一級壓死人” 高像素背后的技術(shù)、芯片升級

在市場競爭如火如荼同時，智能手機(jī)廠商的“像素大戰(zhàn)”不斷升級。2019年初，華為、小米搶發(fā)4800 萬像素?cái)z像頭手機(jī)；年中，vivo、OPPO、三星、紅米等爭先恐后發(fā)布6400 萬像素手機(jī)；如今，繼聯(lián)想之后，小米在三星的加持下，一億像素手機(jī)也實(shí)現(xiàn)了量產(chǎn)上市。

有趣的是，手機(jī)攝像頭在像素?cái)?shù)量上已經(jīng)趕超中畫幅相機(jī)，而前兩年飛思發(fā)布的1億像素中畫幅相機(jī)價格近32萬，但擁有一億像素的小米CC9 pro售價僅為2799元。在“像素即正義”的偽概念時代，高像素智能手機(jī)不斷收割著友商乃至相機(jī)行業(yè)的市場。

目前，手機(jī)廠商正利用AI算法將夜拍、防抖、虛化、變焦等一些在相機(jī)上的功能逐一攻克并應(yīng)用在智能手機(jī)上，潛望式、TOF、超廣角、長焦鏡頭也隨之在手機(jī)上出現(xiàn)。由此，圍繞手機(jī)和相機(jī)拍照孰優(yōu)孰劣的爭逐漸成為焦點(diǎn)。那么，手機(jī)拍照真的能取代相機(jī)乃至單反嗎？

相同像素，“底大一級壓死人”

小米在北京發(fā)布了1億像素手機(jī)小米CC9 Pro。這款手機(jī)的相機(jī)是小米手機(jī)的巔峰之作，總計(jì)1億像素，擁有10倍混合光學(xué)變焦、50倍數(shù)碼變焦、1200萬人像、2000萬超廣角和1.5CM超微距鏡頭，最終與華為Mate 30 Pro并駕齊驅(qū)，拿下了DxOMark相機(jī)排名的第一名。

有趣的是，小米在發(fā)布會上以“像素之名”用小米手機(jī)和一系列相機(jī)做了比較。顯然，1億像素成為小米手機(jī)的營銷賣點(diǎn)。然而，2019年初，小米手機(jī)相機(jī)的另一種邏輯似乎更為真實(shí)。雷軍彼時發(fā)微博強(qiáng)調(diào)：相機(jī)最核心的是感光元器件的面積，俗稱“底”，就是分辨度*每個點(diǎn)大小。底大畫質(zhì)就會好。

那么，且來看看到底是“底大一級壓死人”還是“高像素即正義”。眾所周知，像素?cái)?shù)量與最終成像的解析力密切相關(guān)，在理想情況下，我們可以認(rèn)為像素?cái)?shù)量越多，照片解析力就會越好。然而，像素越高就一定越好嗎？并非如此，因?yàn)樵谙嗤瑪?shù)量的像素下，它們的像素面積可能不一樣。

如果每個像素面積夠大，捕捉到的光線足夠多，就可以記錄下更多的信息，照片的畫質(zhì)也會更好，反之亦然。一個CMOS圖像傳感器(CIS)上有多少個像素，可以簡單理解為將這顆傳感器切分成多少份。在同一塊傳感器上可以分割出6400萬個小方塊作為感光點(diǎn)，也可以分割出 1億個小方塊作為感光點(diǎn)。

雖然感光點(diǎn)從數(shù)量上增多了，對應(yīng)的像素也從6400萬上升到了1億，但每個像素的感光面積卻在變小。雷軍說的“底大一級壓死人”，就是這個道理：當(dāng)它們的像素一樣，單位像素的感光面積越大，進(jìn)光量越高，寬容度、暗光等表現(xiàn)會更好。由此，單位像素的感光面積，才是真正決定照片畫質(zhì)的關(guān)鍵。

圖源：富士數(shù)碼官方微博

在同是1億像素的手機(jī)和相機(jī)情況下，由于相機(jī)的傳感器更大，感光元件接收到的光線更多，拍出來的照片細(xì)節(jié)更多、噪點(diǎn)更少、畫質(zhì)更好。值得一提，小米宣布發(fā)布1億徐像素鏡頭之后，富士數(shù)碼的官方微博發(fā)了一張圖片，把小米CC9 Pro的傳感器 P 到了相機(jī)上，一時間迎來了不少網(wǎng)友調(diào)侃。

不過，將像素做小或者將CMOS圖像傳感器做大，也是近十多年來的總體技術(shù)趨勢。研究機(jī)構(gòu)TechInsights統(tǒng)計(jì)了近20年手機(jī)圖像傳感器、像素尺寸趨勢。很容易發(fā)現(xiàn)，像素正變得越來越小。但無論是索尼的4800萬像素，還是三星的6400萬/1億像素傳感器，其像素尺寸都在0.8μm這個節(jié)點(diǎn)上。

可以說，基于0.8μm尺寸的1億像素CMOS圖像傳感器，在博取眼球同時，也是對下一代技術(shù)的一個擴(kuò)張。為了容納這么多的像素，CIS的總尺寸在逐漸變大。索尼IMX586 4800萬像素CIS尺寸為1/2英寸，三星GW1 6400萬像素CIS尺寸為1/1.72英寸，而三星的1億像素CIS尺寸是1/1.33英寸。

圖/電子工程專輯

由此，小米CC9 Pro的1億像素意義盡管不小，但它 1/1.33 的大底CMOS才是這款手機(jī)比其它手機(jī)厲害的地方。1/1.33英寸和單反/微單還存在量級差距，但在手機(jī)領(lǐng)域，可以認(rèn)為幾乎是絕無僅有的，而且正靠攏1英寸小DC。當(dāng)然，將CIS做大也意味著光學(xué)結(jié)構(gòu)成本、技術(shù)難度大幅增加。

鏡頭、快門、處理器等硬件天然重要

按照相機(jī)成像的邏輯順序，依次是鏡頭——測光/快門——傳感器——處理器（ISP）——操控。雖然大小懸殊，但無論是單反上的巨型鏡頭還是手機(jī)上的鏡頭組，其“基本結(jié)構(gòu)”都一樣：靠著多片透鏡的前后組合，實(shí)現(xiàn)對鏡頭外光線的捕捉，并且經(jīng)過多次折射，確保其垂直射入到快門/傳感器表面。

另一個鏡頭的重要光學(xué)參數(shù)就是光圈，也叫做光圈系數(shù)。光圈系數(shù)= 鏡頭焦距/光圈孔徑。光圈系數(shù)越小，進(jìn)光量就越大，而光圈系數(shù)每一級之間，實(shí)際的進(jìn)光量就有一倍的差異。另外，為了保證一張圖片曝光完美，光圈越大，快門就可以更快；反之，光圈越小，快門也就越慢，從而保障照片的進(jìn)光量充足。

可以看出，在攝像中，手機(jī)和相機(jī)鏡頭、光圈等方面通常有著幾個數(shù)量等級的天然硬件構(gòu)造差距。而且，這些核心器件的差距在空間狹小的手機(jī)局限中幾乎無法彌補(bǔ)。另外，如果說鏡頭的光圈、焦距參數(shù)不直接影響成像畫質(zhì)。那么，鏡頭部分的什么因素才會直接影響到畫質(zhì)？這便是鏡頭的結(jié)構(gòu)（模組），或者說用料。

據(jù)了解，幾乎所有的高級卡片機(jī)，或者單反、微單鏡頭，都具有復(fù)雜的光學(xué)結(jié)構(gòu)、超多片的玻璃光學(xué)鏡片、價格不菲的特殊材質(zhì)鏡片以及成本高昂的鍍膜。這些重磅材料的使用，保證了光線在鏡頭內(nèi)部反復(fù)折射時，最大程度地減小損失。

然而，沒有高級鏡片材質(zhì)、沒有精密的多片非球面鏡片、沒有優(yōu)質(zhì)的光學(xué)鍍膜，甚至就連一向被認(rèn)為“優(yōu)質(zhì)優(yōu)價”的iPhone也可以被曝出鏡頭外層的藍(lán)寶石玻璃含有雜質(zhì)而導(dǎo)致強(qiáng)度下降?？梢缘弥?，其他廠商也多數(shù)在手機(jī)鏡頭不算用心。一款手機(jī)的鏡頭模組成本通常在區(qū)區(qū)幾十元。

不過，手機(jī)用戶們也不必過分悲觀。在如今的智能機(jī)陣營中，也有華為和萊卡合作改善手機(jī)鏡頭模組、Moto聯(lián)合哈蘇研發(fā)相機(jī)模塊、華碩直接和華碩與日本著名的鏡片品牌---HOYA光學(xué)合作等等，他們已將10枚包含非球面、低色散等元件的精密HOYA鏡片裝備于手機(jī)，實(shí)現(xiàn)10倍光學(xué)變焦和50倍總變焦等。

在單反相機(jī)上，當(dāng)物理快門鈕被按下開啟時，光線才能從鏡頭真正射入到感光元件上。而快門關(guān)閉感光也就因此終止。但對于整個手機(jī)照相組件來說，因?yàn)椴淮嬖谀軌蛘趽豕饴返奈锢砜扉T，拍攝過程傳感器其實(shí)是一直在工作——把光信號轉(zhuǎn)換成電信號。而電子快門的本質(zhì)，是傳感器的一次“自我截圖”，這和物理快門產(chǎn)生的作用也有著差異。

另外，為什么手機(jī)ISP（圖形信號處理）和相機(jī)圖像主控的性能上也存在差距？一方面是因?yàn)槭謾C(jī)主控寸土寸金，ISP在其中只是“相對不太重要”的組件，手機(jī)廠商為了功耗和成本因素做出妥協(xié)；而相機(jī)的主要功用就是拍照，整個主控絕大多數(shù)的面積和能耗都可以使用在ISP部分，自然性能更強(qiáng)，更為實(shí)際真實(shí)。

但手機(jī)有一個相對相機(jī)很大的優(yōu)勢——制程工藝。主流手機(jī)主控的制程目前已經(jīng)進(jìn)化到了7nm，已經(jīng)超越了現(xiàn)有的PC處理器標(biāo)準(zhǔn)。反觀相機(jī)主控呢？以好幾個大牌相機(jī)廠都青睞的富士通Milbeaut芯片為例：最新的一代剛剛升級了低電壓制程，但僅僅是45nm，差不多就是2010年前后PC處理器的水平。

高像素背后的技術(shù)、芯片升級

在CMOS圖像傳感器上，相機(jī)相對手機(jī)是“底大一級壓死人”，但手機(jī)廠商也在不斷改善這種狀況。據(jù)電子工程網(wǎng)的介紹，在拍攝過程中，像素收集光子的過程，類似于在某片空地上放滿盆子，下雨時雨點(diǎn)落進(jìn)盆里?？梢詫⒁粋€像素集滿光子的能力定義為“滿阱容量”，也就是盆子能盛多少雨水。

圖/電子工程專輯，下同

目前，在像素尺寸已經(jīng)如此小并在進(jìn)一步趨小的情況下，增加滿阱容量的方案就是增加“阱深”。據(jù)了解，針對像素阱的設(shè)計(jì)都是需要廠商花重金去試錯，更早1.0μm像素時代的active Si厚度為2.5-2.7μm，現(xiàn)在則加深到了3.9μm。

實(shí)際上，即便是一些不喜歡采用高像素?cái)z像頭的手機(jī)制造商，像素阱加深也是趨勢。不過一旦像素阱變深了，那么臨近像素之間就更容易產(chǎn)生串?dāng)_。目前手機(jī)CIS解決串?dāng)_問題的技術(shù)焦點(diǎn)就在深槽隔離技術(shù)（DTI）上，即在每個像素阱之間加入隔斷、避免串?dāng)_。今年的MWC 2019上海展會上，三星著力展示的就是這種DTI技術(shù)，并市場宣傳中稱其為ISOCELL。

上圖的索尼和三星最新的0.8μm像素，可以看到兩者的像素隔斷差別還比較大。索尼采用的是B-DTI，三星所用的F-DTI方案要求必須采用VTG，所以其隔斷會比較完整。這似乎也是目前三星著力的宣傳點(diǎn)。另外，索尼所用的氧化物填充B-DTI隔斷為150nm寬度，三星則為110nm。

隨著像素變小、active Si厚度變大，DTI結(jié)構(gòu)本身也在持續(xù)進(jìn)化中。DTI以及相應(yīng)的鈍化技術(shù)是目前像素越做越小的關(guān)鍵所在。如果說高像素真的只是噱頭并且會讓畫質(zhì)變差的話，那么三星、索尼、OmniVision這些廠商又為何要非要投入大量成本研發(fā)此類技術(shù)呢？

除了DTI之外，近1-2年手機(jī)CMOS圖像傳感器領(lǐng)域的另一個熱門技術(shù)就是芯片堆?！夹g(shù)核心是chip-to-chip的互連。這和索尼更早應(yīng)用了“Stacked”堆棧式技術(shù)的Exmor RS圖像傳感器產(chǎn)品不一樣。當(dāng)年的stacked技術(shù)是把像素周圍的電路移到下層去，電路不需要占用像素表面的位置，讓像素感光開口更大。

現(xiàn)在的芯片堆棧是指將CIS、ISP和DRAM三層堆疊在一起。從結(jié)構(gòu)上說，堆棧式CMOS是背照式CMOS的一個全新升級版本，具有高像素化、高性能化及小型化的特點(diǎn)。無論是背照式CMOS還是堆棧式CMOS都是兩層的，在iPhone XS和華為P30 Pro的攝像頭中，索尼用的是6.0μm間距的Cu-Cu混合連接，用以替代TSV（硅穿孔）互聯(lián)方案。

目前，索尼的MotionEye?相機(jī)堆疊記憶芯片傳感器已采用三層堆疊式，這種傳感器的核心技術(shù)是在像素層和信號處理電路層之間加入了一層DRAM緩存，形成了三明治結(jié)構(gòu)，是真正的三層互聯(lián)。不過三星的“三層”堆疊，是把DRAM die以倒裝芯片的方式置于ISP與CIS雙die堆疊后方，DRAM融合了兩層RDL層以及一個高厚徑比的TSV貫穿到ISP，實(shí)現(xiàn)連接。

在CMOS圖像傳感器領(lǐng)域，目前索尼和三星堪稱雙雄。實(shí)際三星在今年5月推出4800萬像素輸出的GM2 CIS，索尼卻在更早就IMX586中就實(shí)現(xiàn)了支持，在市場上擁有更廣泛的地位。這是索尼技術(shù)領(lǐng)先的一個例證。但在CIS和像素的細(xì)節(jié)制造上，三星在某些環(huán)節(jié)還是掌握了工藝優(yōu)勢。這大概也是它能夠搶發(fā)6400萬像素甚至1億像素產(chǎn)品的原因所在。

圖源：counterpointresearch

手機(jī)拍照整體升級，追趕相機(jī)

在擁有數(shù)百個零件的智能手機(jī)內(nèi)部空間上，可謂“寸土寸金”。這也意味著手機(jī)相機(jī)鏡頭的傳感器天然受到尺寸限制，無法和相機(jī)、單反相比。然而，在激烈的市場競爭下，手機(jī)拍照的改善和升級顯然比預(yù)想中快。

現(xiàn)在很多高像素手機(jī)，拍照時傳感器支持將四個相鄰的像素排列在一起，形成一個大的像素，也就是通常所說的像素四合一技術(shù)。在明亮的照明條件下可以拍攝超高像素的照片；在暗光條件下靠增大單個像素的面積來提升畫質(zhì)。“日夜兼顧”，才是能拍 1 億像素的手機(jī)比相機(jī)拍攝強(qiáng)的一個地方。

值得注意，像素四合一技術(shù)也存在著技術(shù)差異，以4800萬像素傳感器為例，索尼IMX586能夠“硬件直出4800萬分辨率”，而三星GM1是“AI超清輸出4800萬分辨率”。為此，三星攝像頭曾被質(zhì)疑為“偽4800萬像素”。

其實(shí)，如果說手機(jī)能夠彌補(bǔ)與單反差距的重要陣地就在于算法，畢竟硬件上再怎么升級，由于天然受限，就目前來說還無法和單反相提并論。但為什么現(xiàn)在的智能手機(jī)在夜間也能拍出清晰明亮的照片？這靠的就是利用芯片強(qiáng)大的運(yùn)算能力和 AI 加持后的相機(jī)算法，直接處理好和“補(bǔ)足”了照片。不少人發(fā)現(xiàn)華為手機(jī)的夜拍功能不錯，其實(shí)也很大程度上是基于麒麟芯片的AI算法功能。

華為消費(fèi)者業(yè)務(wù)CEO余承東在發(fā)布會上展示P3O Pro拍攝的月亮的照片

最近幾年，HDR功能也越來越強(qiáng)大，對于相機(jī)銳度、色彩的調(diào)校更為精致，甚至有超級夜景這樣的“逆天”技能。顯然，軟件上的可以提升照片后期水平，也可以彌補(bǔ)硬件上的差距，這也讓手機(jī)拍照能夠滿足大部分普通用戶的優(yōu)化需要。而至于手機(jī)照片優(yōu)化應(yīng)用及APP來說，是可以找出一堆了。

另外，相比高像素，多攝帶來的體驗(yàn)提升似乎更大。目前主流的三攝組合是一顆高像素?cái)z像頭，一顆長焦攝像頭以及一顆超廣角攝像頭（或ToF鏡頭），這樣的組合則是在日常的使用過程中，能夠滿足拍清晰、拍遠(yuǎn)處、拍大場景的各種需要。

隨著攝像技術(shù)的漸漸成熟，專業(yè)攝影對手機(jī)鏡頭的要求越來越高，所以產(chǎn)生了潛望式鏡頭等。“潛望鏡式變焦”鏡頭俗稱“內(nèi)變焦”鏡頭，由于光學(xué)變焦是在機(jī)身內(nèi)部完成，所以可以很容易安裝濾鏡，無需額外安裝鏡頭筒。但攝像頭并非越多越好，只要能充分發(fā)揮主要拍攝職能即可。

華為P30 pro鏡頭組合，方形為潛望式鏡頭。

光學(xué)變焦已成為手機(jī)廠商的一大賣點(diǎn)。未來光學(xué)變焦倍數(shù)或?qū)⑦M(jìn)一步發(fā)展，5x甚至10x的光學(xué)變焦將成為主流。潛望式的設(shè)計(jì)可以很大程度上縮小鏡頭模組的高度，實(shí)現(xiàn)手機(jī)輕薄化的趨勢，也將引領(lǐng)新一輪攝像頭領(lǐng)域的升級。同時進(jìn)一步彌補(bǔ)了和單反拍攝的硬件差距。

目前，多家手機(jī)廠商的智能手機(jī)不僅鏡頭越來越多、算法越來越先進(jìn)，而且模組越做越大、像素也越來越高等。另外，包括夜景、虛化、防抖、變焦、像素等要素在內(nèi)構(gòu)成的手機(jī)拍照能力，在手機(jī)廠商的激烈競爭打造下，不斷拉近與相機(jī)、單反拍攝整體差距甚至部分超越，并逐漸有“倒逼”單反、微單創(chuàng)新進(jìn)化的現(xiàn)象。

結(jié)束語

決定拍照表現(xiàn)的因素非常多，鏡頭傳感器、快門、處理器、ISP等等硬件都對成像有著非常大的影響，而AI算法、軟件優(yōu)化的重要作用同樣不容忽視。目前，整體而言，相機(jī)、單反拍攝在同等或相近條件下在較多方面優(yōu)于手機(jī)，但在軟件提升、AI算法、芯片工藝等方面，手機(jī)拍照的表現(xiàn)已經(jīng)領(lǐng)先相機(jī)一大截。當(dāng)然，手機(jī)和相機(jī)的拍攝差別也可以就具體使用場景和需求而異。

可以說，拍照是一種全面、平衡的綜合體驗(yàn)，攝影技術(shù)的發(fā)展不應(yīng)僅是像素的線性提升，而是要考慮多方面“協(xié)調(diào)”問題。比如，最近發(fā)布的小米CC9 Pro，就因?yàn)樘幚砥鞯男阅鼙容^弱，在一億像素模式下拍照需要很長的處理時間而影響體驗(yàn)。由此，可以看出，軟硬協(xié)同的系統(tǒng)性影像技術(shù)框架，將是未來影像領(lǐng)域重大的探索發(fā)展方向。顯然，“不進(jìn)則退”，相機(jī)或單反制造商需要跟上手機(jī)廠商的的科技創(chuàng)新步伐。說不定哪天手機(jī)拍攝真能取代相機(jī)甚至單反呢？

編輯:hfy