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超大底还是高像素?细数手机影像的“等级制度”

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    2023-1-7 09:34
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    [LV.3]七品 酒徒

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    发表于 2023-10-2 12:24:05 | 显示全部楼层 |阅读模式
    手机厂商是从什么时候开始“卷”拍照功能的?
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    这个问题的答案,如今可能已经无法准确的考证了。但回溯历史不难发现,手机上的拍照功能在最基础的设计思路上,可以说是很明确的经历了几个不同阶段。
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    5 D! I3 ?/ i# n/ D# o比如在最早的时候,各厂商比拼的都是像素数量,从200万像素到320万像素,再到500万、800万、1200万、1300万,1600万,乃至后来的2000万、4000万、4800万和6400万。在差不多长达7、8年的时间里,整个行业以惊人的速度实现了手机影像CMOS的“高像素化”,但也因此吹了不少牛、闹了不少笑话。
    . B, A9 s6 I. h, p* j3 _, I2 s+ _0 X6 Y: Y0 D9 N
    紧接着“变焦倍率”开始成为各家的焦点,从30倍到50倍,从60倍到100倍,再到120倍、200倍……甚至当时一些诸如“变焦手机拍摄到xx不法分子”的消息在吸引眼球的同时,也变相帮相关厂商打了广告。然而很快实际掏了钱的消费者就发现,手机的极限望远基本没啥实用价值,于是大家也都不再吹这个牛了。
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    之后“多摄”成为了市场竞争的主要方向,于是从双摄到三摄、从四摄到五摄,再到双主摄、三主摄。好在机身的内部空间就那么大,于是盲目堆摄像头数量的风气很快就刹车了,只留下了消费者对于“凑数摄像头”的深恶痛绝。
    ) Q& ^) E# J2 x) F  P3 m- }: W7 D1 g0 ?6 }# d- T& O
    然而正因为有了前面这几个阶段的“铺垫”,导致如今在整个手机行业中,拍照设计的基本思路也变得异常复杂。许多消费者也很难再通过表面上的参数,去对比和识别手机的CMOS配置好不好、技术规格到底有多高。, s' Z9 ?- ?/ p4 x' E: L9 R

    2 [- z( b$ ~' M! {1 v) [( r$ `6 U' i好在,这里面其实也并不是毫无规律可循。在分析了当前市场里的大量产品和已知的技术信息后,我们还是将手机拍照设计的思路按照它们的“内部级别”以及在不同档位产品上的分布情况,分出了“三六九等”。
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    “人上人”的设计:架构进化胜于一切+ `; K- D; ~( X* W( ~, X

    " W8 C3 `$ |3 S在半导体领域,架构的进化压倒单纯的“堆料”可以说是一个最基本的常识。它既适用于CPU、显卡,也同样适用于手机里的CMOS影像传感器。
    0 }9 A( v+ K; \# b! ?; e5 J, N0 D* Y$ c
    $ ]. u4 x! Q+ d比如一个典型的例子就是三星的HP2,以及其后继型号HP25X,这两款CMOS在行业首创了“双垂直传输门(D-VTG)”结构。6 f- i# i8 X+ p# ^  ?

    ! O9 d3 @' X% q2 m- ?众所周知,CMOS的基本工作原理是靠光电二极管(PD)将光子转换为电子,然后传输门就负责释放光电二极管里的电子,并将电信号传输给浮动扩散层(FD),而FD里积累的电子就会被最终识别为代表像素点图像信息的电势差。
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    如此一来,当三星将CMOS里每一个像素的传输门从一个增加到两个后,就带来了两重好处。其一,它使得光电二极管“放电”的速度更快、放电更彻底,这就变相增加了每个像素(光电二极管)的电子容量,也就是俗称的满阱容。其次,它还意味着CMOS中每个像素每次感光生成的信号电势差更明显、信噪比更高。9 R/ Y2 b7 A7 y

    9 }- a; z, Z3 W8 C; U有多高呢?在IEEE的一份论文中显示,当HP2工作在2亿像素模式下的时候,它的单像素满阱容为10000个电子,如果是“四合一”之后的5000万像素模式,满阱容将高达40000个电子。要知道索尼引以为傲的全画幅相机A7R4的CMOS,满阱容也才36000个电子。也就是说在光线充足的前提下,三星这款旗舰级、仅有1/1.3英寸的手机CMOS,甚至用不到“16合1”像素模式,信噪比就已经超越了全画幅单电,因此对比普通的1英寸CMOS自然也是碾压。
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    1 k$ N* \3 L) N& I6 F1 j4 T# \+ X当然,搞架构创新的不只是三星,也有索尼。只不过索尼走了另外一条没那么微观的创新道路,也就是所谓的“双层晶体管传感器”IMX888。: Q/ \( c) Y% V) x8 r5 O( [

      @5 C( O# C4 x' \那么什么叫做双层晶体管传感器呢?首先,大家还记得前文中在讲到三星CMOS时,提到的传输门(TG)吗。没错,在传统的单层CMOS上,包括传输门、行选择器、源跟随器等一系列不负责感光的信号传输和处理元件,与负责感光的光电二极管其实是“平铺”在一起布置的。& I/ W% g4 Z5 A, o# D
    # E7 {  `0 B( P$ ?5 V2 R& ?
    很显然,这就造成了这些非感光元器件,实际上会挤占光电二极管真正的有效面积。也就是说在传统CMOS上,所谓的“传感器面积”里其实有一部分是并不感光的,它的真正感光元件尺寸也会比直接计算出的“像素尺寸”要实际略小一点点。
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    * r% B8 n# D* _  n4 o而索尼的双层晶体管传感器,就是将这些不感光的信号读出元器件用第二块晶圆去制作,然后堆叠在感光元器件的下方。这样一来,真正感光的那一面就可以做到几乎“不掺假”的感光面积,二极管的尺寸可以被放大,同时CMOS面积还能够不增加(甚至是做得更小)。
    : _& Z+ F( \; B% d
    5 i6 d. Z5 }  w0 t$ K根据索尼公布的相关信息显示,在使用双层晶体管结构后,同样是“标称”1微米像素的CMOS,双层晶体管的型号满阱容可达12000个电子,比老式的设计直接翻倍。当然反过来说也就意味着,在以前的单层晶体管索尼CMOS上,“看似”1微米的像素,实际上可能只有一半的面积是真正用来感光的。
    6 b, G$ U% ?% ]& `2 P, z; @3 p# N+ j$ w3 t
    底层设计不进步?就只能靠堆料了9 x1 A) X6 r% |

    # O3 e, N2 A& s4 v$ G不知道大家看懂前面这段对于新架构CMOS的介绍没?如果没看懂,就么说明你可能是第二个等级的产品、也就是那些纯靠“堆料”来解决问题的CMOS的潜在用户。
    $ U+ i, P% Z$ F9 p5 i7 X, W* \0 p, Q; h
    其实这并不奇怪,因为对于第一等使用架构创新来提升画质的手机CMOS来说,它们的创新发生在单个晶体管层面,这直接导致这些传感器反而不需要做得很大、甚至可能都不需要很高的像素。但这样一来,对于不太懂最“底层”技术的消费者来说,这类“人上人”的解决方案反而不利于市场宣传。
    , R2 E( P1 O  @1 x% Y" Q( ~4 n. p- d* c( @- b+ i$ h! R
    所以会看到无论三星、还是索尼,他们现在在高端市场都是“两手准备”。其中架构更创新、但尺寸看起来没那么大的CMOS,会留给自己使用;而架构相对老,但“底”更大、看起来更唬人的CMOS,则作为名义上更高端的型号,对外卖给了第三方厂商。- J8 B& m) J2 b: a/ A1 C( A0 v
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    这里最典型的例子,当然就是现在各种1英寸、1/1.12英寸的超大底方案了。实际上看懂了前面相关分析的朋友应该明白,这些手机上的“1英寸”由于真实感光元件尺寸、电子传输效率受限,其(电子层面上的)信噪比根本不可能与真正旗舰相机里的CMOS相提并论,距离真正架构创新的“底似乎更小”的CMOS更是差距巨大。
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    ! D9 E8 f9 y) C! S5 h但也不能否认的是,不管1英寸也好、还是1/1.12英寸也罢,它们的感光能力、画质、宽容度,肯定还是可以“吊打”那些更主流的1/1.56英寸、1/1.7英寸的中小底CMOS。所以堆料有没有用?当然有,只不过是要看与谁对比罢了。
    " c5 s' C" A- d+ m) {1 `" j$ r$ Z+ b8 r5 w
    而且新架构、新技术的CMOS因为尺寸反而更小,所以它们的相机模组外观往往更“平”、更低调,看起来当然没有使用1英寸CMOS模组那巨大的凸起唬人了。或许这也是“堆料型”超大底CMOS在未来的一段时间里,依然有望长期在影像旗舰市场流行的原因。7 t) b  W: {5 [

    & D2 `) I1 K6 I! `( q0 C. u0 ]7 y两三年前的老款旗舰CMOS,如今依然能打. f3 X9 u3 w2 C$ i# A/ g$ u" f
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    如果说存在底层架构创新的HP25X、IM888,是三星、索尼“留给自家用”、并且可能不会被许多消费者理解的“私货”;1英寸左右的GN6、GN2、IMX989是专用于外售,虽然重点、厚点,但画质也能到旗舰级的“大众情人”。那么尺寸落在1/1.56英寸的一大批“5000万像素旗舰级CMOS”,可能就是如今消费者见得最多,也最不以为然的那个产品级别了。, a3 O0 m& H% u1 K2 g

    0 z/ Y# Y% ?& I这些1/1.56英寸、5000万的CMOS中,包括但不限于GN5、IMX890、IMX766,甚至还有其实稍大一点、但往往被裁切使用的IMX800。它们与真正旗舰的上面两个级别传感器方案相比,无论是名义上的尺寸、像素感光能力,还是微观层面的架构都至少要差一个级别。, L9 _' ?' [! o0 b6 m
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    而且由于市场竞争因素的影响,这些1/1.56英寸、5000万像素的CMOS近年来呈现出快速“下放”的态势。它们以前确实曾经被搭载在一些定位很高的机型上,但现在甚至不少一两千元的产品也都用上了这些CMOS方案,所以更容易让消费者觉得是“过气产品”了。
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    ( S8 _3 D+ v. F5 f0 c3 `' e+ \1 N8 w不过这类中等尺寸、5000万像素的手机CMOS传感器,从技术、功能层面上来说,其实没有很多朋友想象的那么差。它们的单像素尺寸和感光指标固然不够亮眼,但这些CMOS再怎么差,那也是与2022、2023年最新的新款旗舰CMOS相比才能体现出较大的差距。如果将视线倒退回2020、2021年就会发现,这些“中等尺寸”的5000万像素CMOS,在差不多两三年前还是只有顶级旗舰机型才用得起的配置。$ G" L" w1 a" l% ~8 T7 B2 L

    : y# r1 C/ y, ]正因如此,就导致这类CMOS虽然在我们的技术榜单上只能排到第三梯队,但它们毕竟普遍拥有全像素对焦设计、普遍支持堆栈式HDR成像,并且普遍具备高速读出(这意味着很快的连拍速度、有利于多帧合成降噪的效果)设计。/ ?1 D! }# K- s1 S$ l
    0 A" P/ c& _! ^5 J2 }0 u4 ]
    甚至稍显讽刺的是,由于这类CMOS的尺寸较小、镜头设计起来比较容易,所以使得它们在手机上往往反而可以有比1英寸超大底CMOS更好的防抖和微距效果,往往对焦也会更快。因此站在消费者的角度来说,这些“前旗舰CMOS”尽管现在从技术、配置的角度来说只能排到第三梯队,但应付一般的日常拍照还是一点问题也没用的。7 N: b! {' f: M3 a# G( {4 X, T% h
    ( N- b% N+ M8 L% U" I; w
    小底+超高像素,坑的就是千元机
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      W& c" R( C, t4 `# Q, l) o. \+ o/ b老实说,虽然我们三易生活是按照客观上的技术优劣来进行排序分类,但直到前面讲过的三个档位的CMOS为止,它们都还是绝对“堪用”的。甚至如果你不是很专业的用户,可能都未必会感觉出它们之间有什么特别明显的差异性。; ~8 v" ?6 e. Q2 _

    ! u. A# G% c7 ^但是接下来要讲到的这第四类产品,就多少有点“坑人”了。而它们就是通常只见于千元机,那些尺寸极其紧凑、像素数量还特别唬人的“小底高像素”方案。( X9 n$ S7 y6 x. ^

    2 `6 e8 x: X% L  i' P5 b# o" Q这些CMOS,就包括但不限于三星HM2(1.08亿像素、1/1.52英寸)、三星HM6(1.08亿像素、1/1.67英寸)、以及三星HP3(2亿像素、1/1.4英寸)。
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    6 [, [' A6 x5 N9 M1 J* K% t4 I与前面讲到的三种CMOS类型相比,这些型号几乎可以说是“完美回避”了所有的加分项。它们既没有采用特殊的基础架构创新(别看HP3的产品名数字更大,但它并不带有HP2里的双传输门黑科技、也不支持双转换增益),本身的面积和单像素尺寸也都很小,而且对焦设计往往也极为普通。
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    于是这也就意味着,从“天生”的技术参数上来看,很难指望这类CMOS方案在实际的拍照中,能有什么快速、稳定的对焦。它们过小的像素尺寸再加上“平凡”的架构设计,也就意味着糟糕的原生感光能力。
    " K3 g! Y4 ?" Y& G" m
    8 y# X" Z( D6 |2 |0 a; u有的朋友可能会说,这些CMOS毕竟像素高,那么“多合一”之后如果能配合高性能ISP去做合成降噪处理,最后不也能有理论上不错的画质吗?
    & o& S/ M4 Y2 D
    * m% W  H8 X0 ]% A& g0 m# w6 N( u" V诸如HM6这样的“超迷你高像素”设计,可以说从一开始就有些“不怀好意”
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    的确如此。可问题就在于,从这类CMOS的市场定位来看,它们从一开始就从没想过要服务于什么很高端的机型,这些底又小、像素又高、基本架构还不太亮眼的CMOS,注定了就是专门给千元机“增加卖点”用的。那么又怎么可能指望用上了这些CMOS的机型,还会配备什么规格很高、ISP算力很强的移动平台呢?
    7 Y9 h; Y2 b; s  W3 S2 t( A' o2 E$ O/ Y  h! s8 |9 d
    结语:当技术和市场分道扬镳,许多消费者就注定会吃亏6 H0 O' n5 d8 ^8 |) N  ~6 E) a

    ) T+ D, P' ?* r& B请注意,虽然我们今天给大家比较详细的介绍了四个级别的智能手机CMOS方案,并且按照技术先进程度、实际画质优劣对它们进行了排序。但实际上,我们还远没有触及诸如用JN1做主摄、老旧库存1300万像素传感器再利用这类,如今智能手机影像设计的“下限”。# n  f' ^* S2 K" ~; I' M

    . I* K* A+ V# X8 P; g而这一方面是因为我们认为,真到了那个级别的产品所处的细分市场,它们的目标消费群体其实也真未必会在乎配置、在乎手机的拍照能力了。2 n# [* `* L% n0 d) G

    3 ?& P7 B/ d' }0 h4 {; s1 L另一方面,大家纵观上面列出的四个级别CMOS就会发现,我们之所以要大费周章地对它们进行分析、排序,是因为这些CMOS如今在表面参数(面积、尺寸、像素大小、像素数量)上,几乎已经找不出什么很明确的规律性。无论是“底大一级压死人”、还是“像素越高越牛”,这些传统的、大多数消费者都能掌握的挑选诀窍,实际上都相当于已经失效。+ v9 v: t& w: m* Y  n8 V' X: z2 z, K

      R6 c% `3 C; V! _, H而之所以会发生这样的情况,不得不说确实与过去很多年间,整个手机行业在影像设计上无序发展、疯狂“创造卖点”的行径有着很大的关系。当终端厂商的宣传已经背离了技术发展道路,甚至反过来在一定程度上“绑架”了上游供应商的技术和产品路线时,最终产品规格的混乱自然也就成为了必然。) [% g$ {6 U8 W
    + L2 o* s8 w+ t& m# Q
    龙能大能小,能升能隐;大则兴云吐雾,小则隐介藏形;升则飞腾于宇宙之间,隐则潜伏于波涛之内。方今春深,龙乘时变化,犹人得志而纵横四海。龙之为物,可比世之英雄。
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