ISOCELL传感器的逆袭

《电脑爱好者》2019年第19期 2020-10-12 15:33专题 标签:传感器 ISOCELL

在过去提起手机领域的CMOS传感器,索尼旗下的IMX系列一直都是更高品质的代名词,而三星旗下的ISOCELL则始终屈居于后(图11),属于稍逊一筹的存在。如今,三星的逆袭时间已到。

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4800万像素索尼称王

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),在4800万像素和更早的时代,索尼IMX系列的口碑最好。以主打4800万像素摄像头的Redmi Note 7为例,其标准版就选用了ISOCELL Bright GM1,而Redmi Note 7 Pro却用上了IMX586;黑鲨2采用ISOCELL Bright GM1,黑鲨2 Pro换成IMX586;vivo X27低配版用ISOCELL Bright GM1,高配版换成IMX586......类似的情况数不胜数,但从中我们不难看出,无论是在厂商还是用户眼中,索尼IMX586就是比ISOCELL Bright GM1“更香”(图12)。

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原因很简单,这两个传感器虽然都将Quad Bayer阵列扩大到了4×4,并且以2×2的方式将RGB相邻排列,但由于底层的结构不同,三星GM1只能直出1200万像素的照片,4800万像素模式需要借助AI软件算法的形式实现;而索尼IMX586则支持4800万像素照片的直出,这就是它们之间的最大差异(图13)。

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和三星GM1通过AI软件算法输出4800万像素照片相比,索尼IMX586硬件直出4800万像素照片的速度更快。但是,IMX586在4800万像素模式下,单个像素面积只有0.8μm,这意味着只有光线充足的户外场景才能保证成像质量,在光线不足时强制使用该模式拍照会因单像素包含的信息过少而严重影响画质细节。

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如果你对索尼IMX586和三星ISOCELL Bright GM1的底层技术感兴趣,可参考本刊2019年第5期《4800万像素看世界 浅析更高分辨率的手机摄像头》这篇文章。

来自超亿像素的诱惑

就在索尼IMX最高像素还停留在4000万和4800万像素之际,三星却抢先一步带来了1.08亿像素的手机专用的CMOS传感器——ISOCELL Bright HMX(图14),而它的具体型号又称“S5KHMX”,如果你想更加直观地了解三星最新ISOCELL传感器的型号和对应规格,可以参考下表的汇总对比(表1)。

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ISOCELL Bright HMX是三星和小米联合研发,并由小米MIX4首发

2019-19表

ISOCELL Bright HMX最大的特色,就是像素值达到了破天荒的一亿零八百万像素,像素数量比次一级的6400万像素传感器提高了1.6倍,是手机史上图像传感器行业的最高纪录。同时,这颗传感器的尺寸也达到1/1.33英寸,同样是以Android/iOS为代表的智能手机历史上的最大值。作为对比,索尼IMX586的传感器尺寸为1/2.0英寸,更高端的IMX650传感器(主要用于华为P30系列手机)尺寸也不过1/1.7英寸,ISOCELL Bright HMX这次将“底大一级压死人”的优势贯彻到了底(图15)。

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经常关注CFan的读者可能还记得,在手机圈中,保持传感器尺寸纪录的手机型号其实是诺基亚808 PureView,其传感器尺寸高达1/1.2英寸。但是,这款手机为了塞下这颗4100万像素的大底镜头,相机模组的厚度非常惊人,放在以纤薄为美的当下,这种设计简直“反人类”。ISOCELL Bright HMX的1/1.33英寸虽然没有打破808 PureView的纪录,但对相机模组的尺寸和厚度要求却大幅放低,可以完美嵌入7mm~10mm左右厚度的手机体内。

我们都知道,单位像素面积的大小决定了传感器的感光能力,单位像素面积越大,可以在相同时间内捕捉到更多的光(图16),在暗光下拍照可以显著降低画面噪点。但是,单位像素面积过大,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反而可以在白天捕捉更多画面的细节。

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ISOCELL Bright HMX和早期的GM1和IMX586一样,都面临着单位像素面积过小的尴尬,0.8μm远远低于传感器领域主流的1.2μm~1.5μm的水准。此时,就轮到一项名为“Tetracell”(对应索尼的Quad-Bayer)的技术登场了。

在光线较好的环境中,0.8μm的单位像素面积拍照效果极佳(图17);弱光环境下拍照时,无论是三星GM1、GM2、GW1还是HMX,都可以利用Tetracell(索尼系对应Quad-Bayer)技术将四个相邻像素合并成一个等效1.6μm的大像素(图18),再结合智能WDR(宽动态范围)功能,后者在一次拍摄中可进行多次曝光,从而让亮区和暗区都呈现更出色的细节。

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在光线好的环境下利用重新拼贴算法可输出1.08亿像素的照片

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暗光条件下可提供2700万像素的更亮照片

得益于更高的像素,ISOCELL Bright HMX可以进行分辨率为6K(6016×3384像素)、帧率达到30FPS、同时不影响视角(Field of view)的专业级视频拍摄能力。在海边等强光环境下,该传感器还能利用智能ISO技术自动修正亮度,提高色彩还原能力。此外,ISOCELL Bright HMX还支持Dual Pixel和超级PD对焦技术,即使在弱光环境下也可以识别快速移动物体的距离,从而实现更快速、更准确的自动对焦。同时,3层堆叠的快速读出传感器 (FRS) 可高速捕捉全高清视频画面(图19)。

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作为三星旗舰级的传感器,ISOCELL Bright HMX的成本肯定不低,而小米旗下的MIX4则有望成为它的首发机型。按照小米品牌的价格走势,MIX4的起价不会低于3000元,此次甚至可能直接突破3500元大关。这意味着,很多预算有限的用户都无法在第一时间体验到来自超亿像素摄像头的拍照体验。

还是6400万更实际

除了ISOCELL Bright HMX,三星还推出了一颗6400万像素的传感器——ISOCELL Bright GW1(图20),它可以拍摄9248×6936像素的照片,比4800万像素多获得近34%的光学信息。同时,这颗传感器的尺寸进一步提升到了1/1.72英寸(图21),已经达到了索尼旗舰级IMX600和IMX650传感器的水准,结合四合一像素技术带来的等效1.8μm单位像素面积,其夜拍表现得以进一步提升。

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最关键的是,ISOCELL Bright GW1支持6400万像素照片的直出,并引入了很多更先进的技术(图22)。从三星官方的资料来看,GW1同样支持智能ISO技术则可根据光照环境智能调整相机状态,以实现最佳光电信号转换。此外,它还采用了更新的材料代替像素间金属屏障的ISOCELL Plus技术,可实现更好的色彩保真,并将感光度提升15%。在拍摄全高清60FPS视频时,能实时处理并预览HDR(高动态范围图像)效果,让录像时也能看得清录的到。作为一款快速读出传感器,GW1还支持大量帧数的快速传输,它可以在4K模式下以60FPS录制视频,或是在全高清制式下完成高达240FPS的录像任务。

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令人欣喜的是,ISOCELL Bright GW1并没有成为众多新品用于“提价”的武器,反而成为进一步提升性能价格比的杀手锏。以Redmi Note 8 Pro为代表的新品已经将GW1打入到了1399元价位(图23),realme品牌旗下的高性价比新品也蓄势待发,这颗更高像素的传感器在年底前也许就会成为绝大多数1500元以上价位新品的标准装备。

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总之,ISOCELL Bright GW1和HMX的诞生有望让智能手机摄像头进入新一轮的像素竞赛中,当索尼和豪威也杀入这片战场后,手机拍摄的照片将具备秒杀单反相机的分辨率。但是,这又将回到本文初始的问题:对手机而言,更高像素真的代表更好的成像质量吗?