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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?
    * |1 K7 J: @. D. Q8 t& j. H7 E4 R& ^$ ?$ i+ P# \
    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。* L% i% E' o2 ?' y% `

    $ @' N- {7 Q( P. z7 H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。0 q; j+ j2 e' F* i( ]

    - P  \, G- d; }( S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。
    3 i* l4 N9 H# \  U$ P9 J
    5 d. S1 [/ l- a: Y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。
    1 i9 D+ X2 p5 O# _
    9 T1 e$ T' Q  `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。. z6 F. e4 n+ q: X# J

    $ ?( f) @( p9 `* P8 J" d2 V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”。9 U5 P+ F+ D5 E, C8 s! h
    $ B! D; p  I/ o) N; B+ R7 f
    “人上人”的设计:架构进化胜于一切6 Y; ^6 ?+ b. x9 S% b9 I
      g9 \: r5 N! q& c9 T1 b
    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。
    3 Y; a( A  j- E6 f* ~/ P/ O! Q* w
    $ n5 f# z5 Z1 n2 ~0 E7 b0 z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。
    * Z# @2 V" N% r2 i: d
    + ^0 K/ E! C. i& [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。
    " [' ^/ F  S1 j
      h* Z  `2 y! h, l' y0 }  v5 p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。! }% }3 A  t! n: s) Y, M( O

    # @# M' V6 R" q% }7 g; b+ `* Y9 x; [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。
    4 M8 G( D& W$ z5 c
    : E; X) U6 V* z- K+ J. G' a8 `5 s- ?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。3 U2 k8 Q+ w" B6 S7 f" @% Z) W8 y" i
    $ J2 l5 T! X* g
    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。
      Z7 ?/ R3 j* L8 p( r
    8 a* X. r+ K) T- u4 D' S+ [5 L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。6 T  M, n) a3 f) P( E0 A. y3 o

    5 h$ N9 d' M, {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)。, j- x! J1 q/ o0 p( O6 l
    0 X; U5 p) Z$ J( w/ x1 l/ J
    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。
    4 g0 n, [' |/ K. K8 E  L: [# w
    , f0 r! l0 k: `/ r, ^底层设计不进步?就只能靠堆料了, n$ r1 r6 F1 o7 P* K% H6 ^
    4 k: m8 |- `& I  K2 H5 \
    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。6 H. W6 [6 a7 K) \0 P
    8 \3 r$ {( u( B2 Q, m
    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。6 T$ F; B9 w; [0 {3 e7 F

      v6 L6 n" ~7 J" k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。4 d4 G$ q- r! N  p7 Y4 o- _/ n9 R
    2 o8 Z# f1 S& i% E
    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。
    6 y4 L' u8 v0 q2 [5 F  s# x# ]& {8 Y/ h2 U2 D8 y+ \
    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。
    : D6 G& {% k9 h' l% ]  W2 a
    4 a. `' k- Q7 K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。
    " C5 ?$ k; E1 \2 p- Q- K" c
    + x7 M2 P; D8 W# D* I5 i: U两三年前的老款旗舰CMOS,如今依然能打
    ! ?6 s0 X9 G# H4 S) V2 W
    % Y# x. ~& U5 `! b  @; |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。2 I* @3 n4 K% p2 N7 z9 |

    9 z$ V9 J9 q: z: Z. E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。
    0 M: J4 }, ]( Y& F- E# {  r. O1 [9 ]$ j9 B2 c# |3 w
    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。
    0 {- T& m, G, F1 [0 m* l3 i
    " S: J/ I! C; j/ _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。
    , y3 ]) |7 E' T% |4 n: x. J7 Q8 m( W2 a5 P1 M+ \
    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。
    / t7 l- V# H' M3 y' W* m0 h+ l& p: w" P
    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。1 ?& m- F* x( H& M
    ) D+ W1 v1 t) H6 |7 O
    小底+超高像素,坑的就是千元机
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    ! G. {* Z/ u( K* S0 w& n6 C; e2 I6 h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。
    " L+ x0 f* E9 R+ q' |; w, V5 T
    " S! S. c0 Y0 E6 i3 y+ o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。) K( Z, }! s0 i

    % H& ?4 m1 s) r' O; U. A7 t. }: K* }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)。" G4 M5 f, y( c$ r, o6 N

    0 z' @9 G* U) d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。' n( r: l" Y' F: T& d; V

    2 c9 j8 n, U/ \* b/ Q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。
    " |) Q; A" s7 m8 Q2 n  P% n3 }: V; ^
    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?
    ) p: s$ P! g& i: e2 }: ?' k1 ?. A: s5 J6 R/ H' T5 @5 R
    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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    + i$ q  J3 j2 e1 ]+ ^2 ~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?
    : z# q' B2 B4 E: x+ `$ m+ l) d& \
    8 n* b, x2 ]) k1 I' M- h2 [结语:当技术和市场分道扬镳,许多消费者就注定会吃亏
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    # O: p- a' p. }; L+ w* ]. ]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”。$ k. |) N# a* O5 J. U# Y# a

    ! J( M" M8 i9 T; t- }& b9 b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。
    - E! K8 ?4 U' v9 O5 h( Z3 a
    6 R$ S  P7 P  G& s% G/ g- }5 s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。
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      i6 q1 i0 X. _$ @% 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。
    2 `1 l# _: Q4 l* }% B9 b( S/ B' t: I1 ]3 L
    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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