从400万到2亿,智能手机的“多像素合一”发展史

虽然比来这段时间,基于骁龙8+、天玑9000+等“半代升级平台”的旗舰机型才刚刚开始发布,但对于许多爆人士和发烧友来说,他们显然已将目光瞄准了明年的旗舰产品。 

比如说,就在日前有消息源曝光了据称是来自三星的一个新商标“Hexa² pixel”,并且结合此前的爆信息声称,其很可能就是为下代旗舰Galaxy S23Ultra准备、高达2亿像素的专属CMOS,所具备的关键技术特性。 

可能有的伴侣已经猜到,“Hexa² pixel”大概率会是一种基于“多像素合一”的CMOS工作模式、或者说手机影像技术。既然如此,今天我们三易生活就来聊聊,关于手机上的“多像素合一”技术那些不太为人所知的早期阶段,以及其背后的技术和商业逻辑。 

追求大像素的原初理念,其实很早就已有了

如今说到手机CMOS上的“多像素合一”技术,很多伴侣可能首先想到的会是自2018年底出现,以三星GM1与索尼IMX586为代表的早期1/2英寸、4800万像素“普及型大底”CMOS方案。 

的确,回顾当时的相关新品发布会不难发现,配备这些4800万像素CMOS的jixing ,它们在绝大多数情况下都会默认以“四像素合一”的方式工作,也就是说实际只输出1200万像素的照片。 

正因如此,这些CMOS名义上的“高像素”与实际使用中的“低像素”表示,给用户留下了深刻的印象,从此也令“多像素合一”技术被广为知晓。 

当然,并不能说4800万像素的机型日常只能拍1200万像素照片,就是一种“欺诈”。毕竟,一方面这些机型还是会提供独立的“高像素模式”;另一方面,通过“多像素合成”技术也确实有效弥补了CMOS尺寸不够大、像素又太高所带来的单像素尺寸不够、感光性能差的硬件缺憾,从而很大程度上增强了弱光环境成像效果。 

顺着这条思路去追溯就会发现,“牺牲传感器像素数量,换取更大单像素面积”的做法,在手机行业其实很早就已出现。没错,至少可以追溯到2013年的HTC One。 

2013年2月,HTC方面正式发布了旗舰机型One M7。在这款产品上HTC也首次尝试了一种极为大胆的设计,那就是仅有400万像素的“Ultra Pixel”后置主摄。 

要知道即便是在2013年,主流机型的主摄像素也早已来到了1300万级别,只有那些入门级产品还在使用着800万像素的方案。因此HTC选择给旗舰机配备400万像素后摄,理所当然地引起了不小的争议。 

但站在如今的角度来看,初代“Ultra Pixel”相机的理念显然是极为超前的。因为它的CMOS尺寸实际上与其他同类机型的1300万像素后摄CMOS是一样大(1/3英寸),同时通过主动“舍弃”像素数量,HTC换来了高达2μm的单像素尺寸,从而为这颗400万像素的相机带来了超强的感光和夜拍性能。 

而从某种程度上来说,HTC这款400万像素的“Ultra Pixel”相机,其实也正是如今智能手机行业“以像素换感光”的“多像素合一”技术的鼻祖。 

2014年,最初的“多像素合一”技术出现在手机上

很显然HTC的想法虽然很好,但问题在于,对于当时已深陷“唯像素论”的消费者来说,显然不是每个人都能理解这份苦心。因此HTC初代Ultra Pixel技术以及其搭载机型,也就此陷入了口碑相当两极分化、且市场表示并不算惊艳的尴尬境地。 

或许正是因为看到了“友商”的失误,2014年当华硕联合Intel推出首款Zenfone系列机型时,选择了“部分借鉴”HTC的产品思路。但他们本身可能都没有想到的是,这一举动也深远地影响到了后来的整个手机行业。 

华硕做了什么呢?简单来说,在他们当时的“Pixel Master”相机应用中,手机大多数情况下都会以CMOS的“全像素”进行输出,比如800万像素相机拍出来就是800万像素的照片,1300万像素相机拍出来也确实是1300万像素。一旦用户开启“夜景模式”,那么华硕的“感光组件合并技术”就会将四个像素合并为一个进行感光,从而让手机拍出仅有200万/300万像素,但是亮度却大为提升的“超级夜景”照片。 

尽管由于年代太过久远,如今我们已无法考据,华硕这个“感光组件合并技术”到底是CMOS本身就支持“四像素合一”,还是工程师做了一些创新,在软件上实现了这个功能。但能够确定的是,它的确开创了智能手机真正“多像素合一”的用例,实现了名义上的“高像素”和特定场景下“大像素”之间的切换功能。 

从4到9、再到16与12,高像素CMOS的进化逻辑

需要说明的是,虽然华硕的“感光组件合并技术”从原理、使用场景上,已经与如今的CMOS“多像素合一”无比近似了。但实际上,当2018年那些4800万像素机型面世时,它们之所以要即使在白日也会默认开启“4像素合1”模式,还有一个说不出口的尴尬原因。 

很简单,因为当时的ISP算力其实根本就不足以处理4800万像素的照片,或者说得更准确一点,是不足以处理4800万像素的多帧降噪、AI场景判断等增强算法。因此导致早期的大量“4800万像素”机型,反而只有工作在“1200万像素”模式时,拍出来的画质才会更好,而一旦开启“高像素”后就会退步。 

当然,这一问题在早期的6400万像素、乃至1.08亿像素机型也同样存在。所以大家不难发现,无论GW1、GW2,还是HMX,这些高像素大底CMOS实际上都默认工作在“4合1模式”下。特别是到了后来的HM2上,由于其像素很高(1.08亿)、底又不够大(1/1.52英寸),再加上默认面向的是性能不那么强的中端机型,所以更是直接采用了像素“9合1”的设计,从而达到增强拍摄画质、同时降低SoC计算量的目的。 

令人欣慰的是,随着时间的推移,SoC的算力提升总算追上了CMOS“像素膨胀”的进度。也就是从这个时候开始,大底高像素CMOS的“像素合成”功能,也开始有了一些更为积极的变化。 

比如从2020年到2021年,就接连迎来了包罗IMX689、IMX766、S5KGN1、S5KGN2、S5KGN5在内的,一大批专为顶级旗舰产品设计的新款大底高像素CMOS方案。虽然它们在具体的透镜结构、像素分割方式上,彼此之间还是有那么一点点区别,但这一批CMOS的共同特征,就是它们都在“4像素合1”的结构基础上大幅增强了对焦与追焦性能。 

又比如说,在前段时间三星方面刚刚公布了旗下首款2亿像素CMOS方案HP1。它虽然有着1/1.22的大底,但由于像素数量太高,所以单像素尺寸确实不大(0.64μm)。好在,三星为其设计了新的“16像素合1”结构,可以让CMOS最多将16个像素合并为等效2.56μm的大像素进行感光,此时其感光性能就不输给那些顶级型号了。 

与此同时,在“4合1”模式下,这款CMOS还具备“双超级PD”对焦结构,能够以两倍于普通相位对焦的速度检测物体运动,从而兼得高画质与不错的对焦性能。 

最后,我们再来聊聊前文中所提及的“Hexa² pixel”。其实仅从名称上,这个商标里就有两个值得关注的信息点,其中一是“Hexa”、也就是“6”,别的一个则是平方符号。 

这是什么概念呢?其实从表面上来看有两种可能性。一种是“6像素合1”,然后每两个“像素组”之间再进行双核相位对焦;另一种则是“6像素合1”,然后每6个像素组再合1。 

然而考虑到目前已经基本确认,三星这款新旗舰CMOS会采用2亿像素的规格,因此“36像素合1”的可能性基本可以被排除(主要是因为合完后只剩下500多万像素,这显然不太现实)。 

比拟之下,“6像素合1”后再进行全像素组的双核相位对焦设计,似乎可能性就要更高一些。毕竟,此前三星手机用的亿级像素CMOS,还没有一款能够支持双核对焦,如果新机能够在搭载2亿像素CMOS的同时、大幅强化主摄在日常场景下(也就是像素多合一之后)的对焦、追焦性能,确实也够格称得上是极大的体验进步了。 

“三易生活”(ID:IT-3eLife),作者:三易菌,经。

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