拍照加分全靠它 浅析手机专用CMOS传感器

CFan 电脑爱好者 2018-11-20 09:55产品 标签:传感器 手机

影响手机拍照效果的“三驾马车”包含影像传感器、光学镜头和影像处理器,以及多摄组合与后期成像算法的优化。如果要挑选出影响手机拍照的最核心要素,CMOS影像传感器无疑是最底层的根基所在。本文,就让我们扒一扒与CMOS传感器有关的那些事儿吧。

17wjjsdt cmos 00(可选)

手机传感器的几大势力

智能手机专用的CMOS传感器主要来自索尼(IMX)、豪威(OV)以及三星(ISOCELL),其中三星ISOCELL系列传感器在近两年的发展很快,其高端型号的品质并不逊于同期的索尼IMX,这一点从历代Galaxy S旗舰都采用ISOCELL+IMX两批传感器混用的策略而成像效果不变就可见一斑。此外,三星ISOCELL也早已开放给其他手机厂商,比如vivo X20就配备了ISOCELL Fast 2L9,主打2×1200万像素(2400万感光单元)的卖点。

17wjjsdt cmos 01

OV传感器自从被苹果和HTC两大金主“抛弃后”就逐渐淡出了主流市场,甚至不会被厂商作为卖点宣传。索尼IMX系列的口碑最好,也是目前占有率最高的存在。因此,很多用户提起手机CMOS首先就会想起索尼IMX系列,而本文我们主要讨论的传感器也是以索尼IMX为主。

17wjjsdt cmos 02

不以数字大小论英雄

手机专用的移动处理器型号众多,很多用户都表示“看不懂”,比如至今就仍有不少童鞋不清楚联发科MT6753、MT6750、Helio P20、P23、P25、P60等芯片的规格和强弱关系。然而,这些处理器如果仔细从数字大小梳理,好歹还有迹可循,就好像P60肯定要比P23强。然而,索尼IMX传感器却根本不遵循数字大小论英雄的轨迹,迷信数字你就输了。

举个最简单的例子,索尼MIX传感器包含IMX100、MIX200、IMX300、IMX400几大家族,理论上后缀数字越大的家族在规格上应该更占便宜吧?可惜,由于索尼采用了可以和手机厂商联合定制MIX传感器的运营策略,这就搞乱了数字大小与规格强弱之间理应具备的既定关系。

可以定制的CMOS传感器

对索尼来说,MIX传感器就是一门很普通的生意,给钱就卖。对手机厂商而言,高端传感器不经济(成本高),低端传感器又不给力,中端传感器大家都在用,如何才能增加宣传噱头并拉开与竞品之间的成像差距?

17wjjsdt cmos 03

没错,就是直接找索尼定制专用的传感器。

最早这么做的厂商就是苹果。从iPhone 4s开始,苹果就不断让索尼为其量身定制感光元件,比如iPhone 4S时期的IMX145、iPhone 6S时期的IMX315,它们都要比索尼同期供货给其他品牌同价位的“公版”IMX传感器更好,所以苹果才能始终在拍照质量上力压一众Android品牌一筹。

随后,Android手机厂商们也逐渐向苹果学习,联手索尼一起定制专属,或是首发的IMX传感器。比如,华为在2016年4月发布P9时,就高调宣称与索尼联手定制了名为“IMX286”的传感器,主打独特的RGB/Monochrome(彩色+黑白)架构。随后,IMX286还被应用在了华为自家的Mate9和荣耀V8等产品身上。

魅族在发布MX6时曾主打首发IMX386传感器,取得了非常好的宣传效果。随后,IMX386传感器作为“标准件”,又被索尼开放给了其他手机品牌,比如小米6、小米Max2等手机也都以IMX386作为主摄的传感器。

17wjjsdt cmos 04

OPPO也是非常喜欢与索尼携手的手机品牌,在发布R9s时就独享名为“IMX398”的传感器,主打刚刚开始流行的双核对焦技术。

17wjjsdt cmos 05

到了最新的R15发布时,再次与索尼携手定制并独享“IMX519”,主打更大的传感器尺寸和单位像素面积,使得夜拍进光量更大,噪点更少。

17wjjsdt cmos 06

需要注意的,所谓“定制”也并非从零开始设计,而是在公版IMX传感器的基础上加以微调和优化。比如IMX386和IMX286就是同门师兄弟,二者规格几乎完全一致,只是前者并不是RGB/Monochrome架构。同理,IMX362和IMX260、IMX380和IMX378、IMX498和IMX398、IMX519和IMX240也都有着“剪不清理还乱”的血缘关系。

可以说,就是各种定制传感器的“横空出世”,再加上索尼IMX本来就不以数字大小论英雄,最终才导致IMX传感器规格的混乱,哪怕是专业人士也难以通过具体型号辨别强弱关系。

如何判断IMX传感器的性能

CFan曾经不止一次强调,CMOS传感器能否记录更真实美好的画面,与像素值的大小关系不大。而决定CMOS传感器性能指标的,主要还是在于“传感器尺寸”以及“单位像素面积”这两个参数,同时其所支持的“对焦技术”可以作为附赠的Buff效果。

表1是小编收集整理的索尼IMX传感器参数对比表,基本涵盖了目前所有常见的手机镜头,下文相关的讨论都是建立在这个表格的数据之上。

捕获

传感器尺寸越大越好

手机之所以难以和单反相机比拼拍照画质,就是受限于纤薄的身材无法容纳太大尺寸的感光元件。然而,在CMOS传感器领域一直存在“底大一层压死人”的说法,而这里的“底”指的就是传感器尺寸这个参数,传感器尺寸越大意味着相机在拍摄时能接收到的光线也就越多。

17wjjsdt cmos 07

传感器面积的单位为1/x,由于分子都是1,所以分母“X”对应的数字越大,代表传感器面积越小。比如1/2.3英寸传感器尺寸的就要大于1/2.6英寸,选择后者往往可以取得更好的拍照底蕴。

华为P20 Pro之所以夜拍非常出色,就是因为它武装了IMX600,而这个传感器的传感器尺寸达到了破天荒的1/1.73英寸,远远大于手机CMOS领域主流的1/2.x英寸。

17wjjsdt cmos 08

理性看待单位像素面积

单位像素面积与传感器尺寸和像素值这两个单位息息相关,在传感器尺寸一定时,像素值越高,单位像素面积越小。比如IMX362(1200万像素)和IMX318(2250万像素)的传感器尺寸都是1/2.6英寸,但IMX362和IMX318对应的单位像素面积却分别1.4微米和1.0微米。

单位像素面积是一个“相对矛盾”的参数。单位像素面积越大,可以在相同时间内捕捉到更多的光,在暗光下拍照可以显著降低画面噪点。而单位像素过大,在白天光线很足时拍照却又容易出现过曝现象,较小的单位像素面积可以在白天捕捉更多画面的细节。

17wjjsdt cmos 09

就拿索尼最新发布的IMX586传感器为例,其传感器尺寸高达1/2.0英寸,但由于像素值也达到了4800万,所以其单位像素面积就只有0.8微米,堪称手机历代CMOS中的最小值。但这并不代表IMX586暗光拍照效果就很差,因为它采用了Quad Bayer阵列设计,在暗光下拍照时相邻的2×2像素可使用同一种颜色,4个像素能将灵敏度提升到等效1.6微米的水平。同理,华为P20 Pro配备的IMX600也存在这种情况,其单位像素面积为0.9微米,但却可以通过Quad Bayer阵列实现灯效的1.8微米单位像素面积。

来自对焦技术的增益效果

CMOS传感器全部支持反差对焦,而从IMX300系列开始又都将PDAF相位对焦技术纳入了标配。相对而言,双核对焦是比相位对焦更先进的技术,因此当传感器其他参数相似时,支持双核对焦的型号更值得选择。

17wjjsdt cmos 10

IMX363传感器之所以能被小米8、小米MIX2S、坚果R1、vivo NEX等爆款手机猎装,就是因为它的传感器尺寸和单位像素面积都很大,而且还支持双核对焦,虽然综合性能不如华为P20和魅族15采用IMX380,但表现的却最为均衡。

未来顶级CMOS传感器比拼的除了上述三要素以外,还将体现在是否采用了多层堆栈架构,能否在像素层和电路层之间新加入了DRAM层(动态随机存储单元)。比如索尼最新旗舰索尼XZ2 Premium选用的传感器就是IMX400,它就可以通过DRAM层实现硬件级的960fps超级慢动作拍摄,效果远比其他传感器通过插值算法模拟的方式要流畅和精细很多。

17wjjsdt cmos 11

小结

看到这里,相信大家已经对CMOS传感器有了较为深度的了解,也掌握了从已知参数判断其拍照底蕴的方法。

但需要注意的是,手机摄像头是一套非常复杂的元器件集合体,CMOS传感器只是其中的组成部分之一。相同的CMOS传感器,手机厂商还能为其准备不同大小的光圈、安装透光率更高或数量更多的镜片、引入光学防抖系统等等。再加上来自ISP影像处理器和相机APP端的成像算法的优化,也是导致相同CMOS传感器的两款手机,拍照效果却依旧存在差距的原因。