手機攝像頭傳感器到底能不能逆襲單反CMOS

首先大家都知道攝影是用“光”的藝術(shù)，而光是要傳到傳感器上話，則需要透過鏡頭的折射，鏡頭一般由透鏡（5片起步，數(shù)量越多越好，玻璃＞樹脂），再通過濾光裝置（以RGB原色分色法和CMYK補色分色法為主，后文將詳細解釋）打到CMOS，拍攝出你想要拍攝的畫面。至于其他不同的光圈和焦距則可以方便你在不同的場景中拍攝出景深和焦段好看的照片，許多廠商主打的OIS光學(xué)防抖則需要集成額外的馬達和陀螺儀元件進行輔助。對于智能手機而言，許多廠商的終極目標就是擁有媲美單反相機的成像素質(zhì)。然而，受限于CMOS的物理瓶頸，手機鏡頭普遍開孔只有8mm，這怎么與單反專用的CMOS對決呢？所以為了縮小與單反相機之間的差距，只有不斷提升CMOS成像畫質(zhì)這么一條出路。玩攝影的都知道一句話“底大一級壓死人”。所以既然突破不了物理限制，那么就走增加CMOS傳感器的尺寸這么一條路能不能行得通呢？那么問題來了，在現(xiàn)在最求纖薄的智能手機，與加大CMOS尺寸的發(fā)展方向是違背的，比如歷史上首臺裝進了1/1.2英寸的諾基亞808PureView，為了塞入這個1/1.2英寸的CMOS傳感器，諾基亞808PureView相機部分厚度17.95mm。所以作為今年主打的IMX586/IMX600還是IMX650，這些頂級超大像素傳感器的尺寸也只有1/2.0英寸和1/1.7英寸，雖然比平常手機常用的那些1/2.X英寸的CMOS傳感器來說算是“大底”，但是和專業(yè)的單反CMOS來比，那就是弟弟。那么來說說第二條路，提升CMOS傳感器的進光量可不可行呢？因為增加傳感器的進光量可以在相同場景下拍出亮度更高、銳度更清晰以及噪點更少的照片。對于CMOS來說，增加進光量的方法還是很多滴，比如增加傳感器尺寸、增大鏡頭光圈、增加單個像素感光面積、引入UltraPixel超像素攝像頭（某涼了的火腿腸ONEM7）。然而，市場還是證明UltraPixel超像素攝像頭不被認可，同時鏡頭光圈和傳感器尺寸也一樣，對于手機那可憐的8mm的小身位來說，F(xiàn)/1.6的光圈幾乎就是極限了。IMX586通過QuadBayer陣列（索尼提出的一個“四像素合一”的技術(shù)）可以實現(xiàn)等效1.6μm單個像素感光面積，更高端的IMX600傳感器也才2。μm，依舊存在天花板。在目前的科技樹條件下，要想PK單反，就只能從CMOS傳感器的底部架構(gòu)入手了。開始介紹CMOS底層架構(gòu)之前，首先先說說拜耳陣列，我們?nèi)搜劬δ芸吹讲煌纳?，主要是因為人眼上有可以感知不同頻光線的細胞，CMOS就是相機里面可以感受不同顏色的“細胞”，只是我們稱他們?yōu)橄袼攸c，并以拜耳陣列（Bayerarray）的形式加以排列。歷史上，柯達公司的影像科學(xué)家布萊斯。拜耳（BryceBayer）最早發(fā)現(xiàn)人眼對紅綠藍三原色中的綠色最敏感，所以他嘗試在CMOS上方加入了一塊濾鏡，采用1紅2綠1藍（RGGB）的排列方式將黑白信息轉(zhuǎn)換成彩色信息，讓呈現(xiàn)出CMOS上的色彩更加接近人眼的視覺效果。因此，幾乎所以的CMOS傳感器都采用了RGGB排列方式，也就是我們常說的“拜耳陣列”，或者“拜耳濾鏡”。但是拜耳陣列也是有缺陷的，因為CMOS在進行光電轉(zhuǎn)換過程中無法得到顏色信息，拜耳陣列則是起到了分色的作用，光線經(jīng)過濾鏡時，只允許同種顏色的光進入，紅光進紅像素，綠光進綠像素，其他顏色的光則被擋在門外，因此我們成像時，除了得到顏色外，還多出了一些明暗的信息。分色也會在過濾光線時候，損失一些光線強度，其他顏色信息也會全部損失掉，記住這是考點：全部。所以拜耳陣列加持下的CMOS是永遠無法百分百還原真實景物的色彩，只能無限接近于真實，人民為了得出最接近真實的顏色，則需要根據(jù)相鄰的像素點顏色信息來“猜出”這個位置上過濾掉其他顏色的信息，這種“猜色”環(huán)節(jié)則被稱為“反拜耳運算”。這也解釋出為什么拍出的照片會出現(xiàn)“偏色”現(xiàn)象，這是在“猜色”環(huán)節(jié)中猜錯了。說了這么多，手機廠商應(yīng)該怎么改良呢？首先則是我們的RGBW結(jié)構(gòu)的CMOS。RGGB結(jié)構(gòu)上面也說了，人眼對綠色最為敏感，也因此拜耳才會在RGGB陣列上用上了2個綠色像素。那么我們能不能將其中一個綠色像素（G）換成完全透光的白色像素（W）呢？所以第一款四色傳感器誕生了，歷史上最早推出RGBW結(jié)構(gòu)CMOS的廠商是omnivision（OV），摩托羅拉旗下的motoX、MotoDroidMIni等產(chǎn)品都用過這類CMOS，只是當時摩托羅拉只將這個稱謂“clearPixel”技術(shù)?？上V在傳感器市場以及摩托羅拉日漸式微，這種RGBW的CMOS傳感器并沒有被很多人知曉。真正將RGBW發(fā)揚光大的，則要推索大法的IMX278傳感器。現(xiàn)在摘抄當年手機廠商宣傳口號“低亮度下感光能力可提升32%，噪點降低78%”因此被華為P8和魅藍6T等手機武裝上了。RWWB結(jié)構(gòu)上面說了，扣掉一個綠色像素換白色像素就這么強了，為什么不再進一步呢？將兩個綠色像素換成兩個白色像素豈不是美哉。2015年，聯(lián)發(fā)科在發(fā)布HelioP10時，就推出了一項稱為“TrueBright”的圖像引擎，這個技術(shù)的主要核心就是采用了“RWWB”結(jié)構(gòu)的CMOS傳感器，這種傳感器將比RGBW傳感器的進光量更大，可惜的是聯(lián)發(fā)科在發(fā)布HelioX20時候還主打的這一個技術(shù)，直到現(xiàn)在仍舊沒有一款RWWB的CMOS出爐，我們可以將其稱為“薛定諤的傳感器”。純黑白結(jié)構(gòu)雖然聯(lián)發(fā)科的RWWB傳感器還是是理論層面的存在，但是我們還可以拿來“借鑒借鑒”，比方說為什么不丟掉拜耳濾色鏡呢？讓CMOS實現(xiàn)光線全透豈不是極大增加了CMOS的進光面積？于是，索尼推出了專業(yè)的IMXMono黑白攝像頭，擁有極高進光量，暗光環(huán)境下可以記錄更多暗部細節(jié)。有利當然也有弊，去掉分色系統(tǒng)后，Mono黑白鏡頭無法記錄彩色信息，所以必須搭配另一顆彩色CMOS使用，通過雙攝+算法的方式來獲得比傳統(tǒng)RGGB以及RGBWCMOS單攝更好的夜景拍攝效果。時至今日，這種黑白+彩色的雙攝組合還是非常的流行，單攝RGBW傳感器則被遺忘在歷史的長河中。。。RYYB結(jié)構(gòu)作為雙攝的先驅(qū)者，或者說市場選擇了多攝矩陣模塊吧，RGBW已經(jīng)被市場淘汰了。單攝CMOS對于最求更高的進光量這個目標一直沒變，如何進一步完成拉近手機與專業(yè)單反（其他競品手機）在夜拍時候的成像差距，是現(xiàn)今智能手機的未來重點發(fā)展方向。華為P30系列和榮耀20系列應(yīng)該算是時下夜拍效果最好的智能手機“班帶”了。如果不談傳感器尺寸和光圈以及單個像素感光面積等參數(shù)，那么這幾款手機幾乎是拿自己口碑去賭博，因為RYYB就是將兩個綠色像素（G）換成黃色像素（Y）替代。和RGGB相比，RYYB可以減輕拜耳濾鏡在濾色過程中帶來光的進光量折損問題，同時可以讓進光量提升40%之多。以華為P30Pro來說，這款手機的ISO居然可以達到409600，是iPhoneXSMax的64倍！從而只需要一絲亮光即可拍攝到純黑環(huán)境下的顏色細節(jié)?，F(xiàn)在開始考試啦，上面在說RGBG，也就是最開始的拜耳陣列時說過，光是由三原色紅、綠和藍組成的，而黃只是其中之一，少了最關(guān)鍵的綠色又該如何還原真實的顏色呢？為此，黃色可以將紅色+藍色（R+G=Y）來獲得，這也說明黃色是綠色和黃色的結(jié)合，在亮度上是由兩者疊加。所以將三原色重塑后，RYYB的CMOS傳感器在色彩上將于RGGB傳感器有根本性的變化，RGGB光學(xué)三原色是加色法，表現(xiàn)的是吸收光，什么顏色像素吸收什么顏色的光。R+G+B即是白色，白色會吸收一切光。RYB三原色則是減色法，表現(xiàn)的是反射的光，黃色反射紅色和綠色，R+Y+B是白色，黑色是不吸收光的，反射一切的光。從理論來說，RYYB濾鏡雖然提升了進光量，但是本質(zhì)還是變相增加紅色的進光量而已，從而提升在夜景拍攝中的表現(xiàn)。同時也因為黃色像素較多，會出現(xiàn)偏色問題，綠色像素的缺少也將影響成像質(zhì)量，飽和度會出現(xiàn)問題。華為想要完美駕馭RYYB傳感器，則是需要一套更加強大的硬件ISP和更加強大的算法。華為終端手機產(chǎn)品線總裁就表示，