相同像素，“底大一級壓死人” 高像素背后的技術、芯片升級

在市場競爭如火如荼同時，智能手機廠商的“像素大戰”不斷升級。2019年初，華為、小米搶發4800 萬像素攝像頭手機；年中，vivo、OPPO、三星、紅米等爭先恐后發布6400 萬像素手機；如今，繼聯想之后，小米在三星的加持下，一億像素手機也實現了量產上市。

有趣的是，手機攝像頭在像素數量上已經趕超中畫幅相機，而前兩年飛思發布的1億像素中畫幅相機價格近32萬，但擁有一億像素的小米CC9 pro售價僅為2799元。在“像素即正義”的偽概念時代，高像素智能手機不斷收割著友商乃至相機行業的市場。

目前，手機廠商正利用AI算法將夜拍、防抖、虛化、變焦等一些在相機上的功能逐一攻克并應用在智能手機上，潛望式、TOF、超廣角、長焦鏡頭也隨之在手機上出現。由此，圍繞手機和相機拍照孰優孰劣的爭逐漸成為焦點。那么，手機拍照真的能取代相機乃至單反嗎？

相同像素，“底大一級壓死人”

小米在北京發布了1億像素手機小米CC9 Pro。這款手機的相機是小米手機的巔峰之作，總計1億像素，擁有10倍混合光學變焦、50倍數碼變焦、1200萬人像、2000萬超廣角和1.5CM超微距鏡頭，最終與華為Mate 30 Pro并駕齊驅，拿下了DxOMark相機排名的第一名。

有趣的是，小米在發布會上以“像素之名”用小米手機和一系列相機做了比較。顯然，1億像素成為小米手機的營銷賣點。然而，2019年初，小米手機相機的另一種邏輯似乎更為真實。雷軍彼時發微博強調：相機最核心的是感光元器件的面積，俗稱“底”，就是分辨度*每個點大小。底大畫質就會好。

那么，且來看看到底是“底大一級壓死人”還是“高像素即正義”。眾所周知，像素數量與最終成像的解析力密切相關，在理想情況下，我們可以認為像素數量越多，照片解析力就會越好。然而，像素越高就一定越好嗎？并非如此，因為在相同數量的像素下，它們的像素面積可能不一樣。

如果每個像素面積夠大，捕捉到的光線足夠多，就可以記錄下更多的信息，照片的畫質也會更好，反之亦然。一個CMOS圖像傳感器(CIS)上有多少個像素，可以簡單理解為將這顆傳感器切分成多少份。在同一塊傳感器上可以分割出6400萬個小方塊作為感光點，也可以分割出 1億個小方塊作為感光點。

雖然感光點從數量上增多了，對應的像素也從6400萬上升到了1億，但每個像素的感光面積卻在變小。雷軍說的“底大一級壓死人”，就是這個道理：當它們的像素一樣，單位像素的感光面積越大，進光量越高，寬容度、暗光等表現會更好。由此，單位像素的感光面積，才是真正決定照片畫質的關鍵。

圖源：富士數碼官方微博

在同是1億像素的手機和相機情況下，由于相機的傳感器更大，感光元件接收到的光線更多，拍出來的照片細節更多、噪點更少、畫質更好。值得一提，小米宣布發布1億徐像素鏡頭之后，富士數碼的官方微博發了一張圖片，把小米CC9 Pro的傳感器 P 到了相機上，一時間迎來了不少網友調侃。

不過，將像素做小或者將CMOS圖像傳感器做大，也是近十多年來的總體技術趨勢。研究機構TechInsights統計了近20年手機圖像傳感器、像素尺寸趨勢。很容易發現，像素正變得越來越小。但無論是索尼的4800萬像素，還是三星的6400萬/1億像素傳感器，其像素尺寸都在0.8μm這個節點上。

可以說，基于0.8μm尺寸的1億像素CMOS圖像傳感器，在博取眼球同時，也是對下一代技術的一個擴張。為了容納這么多的像素，CIS的總尺寸在逐漸變大。索尼IMX586 4800萬像素CIS尺寸為1/2英寸，三星GW1 6400萬像素CIS尺寸為1/1.72英寸，而三星的1億像素CIS尺寸是1/1.33英寸。

圖/電子工程專輯

由此，小米CC9 Pro的1億像素意義盡管不小，但它 1/1.33 的大底CMOS才是這款手機比其它手機厲害的地方。1/1.33英寸和單反/微單還存在量級差距，但在手機領域，可以認為幾乎是絕無僅有的，而且正靠攏1英寸小DC。當然，將CIS做大也意味著光學結構成本、技術難度大幅增加。

鏡頭、快門、處理器等硬件天然重要

按照相機成像的邏輯順序，依次是鏡頭——測光/快門——傳感器——處理器（ISP）——操控。雖然大小懸殊，但無論是單反上的巨型鏡頭還是手機上的鏡頭組，其“基本結構”都一樣：靠著多片透鏡的前后組合，實現對鏡頭外光線的捕捉，并且經過多次折射，確保其垂直射入到快門/傳感器表面。

另一個鏡頭的重要光學參數就是光圈，也叫做光圈系數。光圈系數= 鏡頭焦距/光圈孔徑。光圈系數越小，進光量就越大，而光圈系數每一級之間，實際的進光量就有一倍的差異。另外，為了保證一張圖片曝光完美，光圈越大，快門就可以更快；反之，光圈越小，快門也就越慢，從而保障照片的進光量充足。

可以看出，在攝像中，手機和相機鏡頭、光圈等方面通常有著幾個數量等級的天然硬件構造差距。而且，這些核心器件的差距在空間狹小的手機局限中幾乎無法彌補。另外，如果說鏡頭的光圈、焦距參數不直接影響成像畫質。那么，鏡頭部分的什么因素才會直接影響到畫質？這便是鏡頭的結構（模組），或者說用料。

據了解，幾乎所有的高級卡片機，或者單反、微單鏡頭，都具有復雜的光學結構、超多片的玻璃光學鏡片、價格不菲的特殊材質鏡片以及成本高昂的鍍膜。這些重磅材料的使用，保證了光線在鏡頭內部反復折射時，最大程度地減小損失。

然而，沒有高級鏡片材質、沒有精密的多片非球面鏡片、沒有優質的光學鍍膜，甚至就連一向被認為“優質優價”的iPhone也可以被曝出鏡頭外層的藍寶石玻璃含有雜質而導致強度下降?？梢缘弥?，其他廠商也多數在手機鏡頭不算用心。一款手機的鏡頭模組成本通常在區區幾十元。

不過，手機用戶們也不必過分悲觀。在如今的智能機陣營中，也有華為和萊卡合作改善手機鏡頭模組、Moto聯合哈蘇研發相機模塊、華碩直接和華碩與日本著名的鏡片品牌---HOYA光學合作等等，他們已將10枚包含非球面、低色散等元件的精密HOYA鏡片裝備于手機，實現10倍光學變焦和50倍總變焦等。

在單反相機上，當物理快門鈕被按下開啟時，光線才能從鏡頭真正射入到感光元件上。而快門關閉感光也就因此終止。但對于整個手機照相組件來說，因為不存在能夠遮擋光路的物理快門，拍攝過程傳感器其實是一直在工作——把光信號轉換成電信號。而電子快門的本質，是傳感器的一次“自我截圖”，這和物理快門產生的作用也有著差異。

另外，為什么手機ISP（圖形信號處理）和相機圖像主控的性能上也存在差距？一方面是因為手機主控寸土寸金，ISP在其中只是“相對不太重要”的組件，手機廠商為了功耗和成本因素做出妥協；而相機的主要功用就是拍照，整個主控絕大多數的面積和能耗都可以使用在ISP部分，自然性能更強，更為實際真實。

但手機有一個相對相機很大的優勢——制程工藝。主流手機主控的制程目前已經進化到了7nm，已經超越了現有的PC處理器標準。反觀相機主控呢？以好幾個大牌相機廠都青睞的富士通Milbeaut芯片為例：最新的一代剛剛升級了低電壓制程，但僅僅是45nm，差不多就是2010年前后PC處理器的水平。

高像素背后的技術、芯片升級

在CMOS圖像傳感器上，相機相對手機是“底大一級壓死人”，但手機廠商也在不斷改善這種狀況。據電子工程網的介紹，在拍攝過程中，像素收集光子的過程，類似于在某片空地上放滿盆子，下雨時雨點落進盆里?？梢詫⒁粋€像素集滿光子的能力定義為“滿阱容量”，也就是盆子能盛多少雨水。

圖/電子工程專輯，下同

目前，在像素尺寸已經如此小并在進一步趨小的情況下，增加滿阱容量的方案就是增加“阱深”。據了解，針對像素阱的設計都是需要廠商花重金去試錯，更早1.0μm像素時代的active Si厚度為2.5-2.7μm，現在則加深到了3.9μm。

實際上，即便是一些不喜歡采用高像素攝像頭的手機制造商，像素阱加深也是趨勢。不過一旦像素阱變深了，那么臨近像素之間就更容易產生串擾。目前手機CIS解決串擾問題的技術焦點就在深槽隔離技術（DTI）上，即在每個像素阱之間加入隔斷、避免串擾。今年的MWC 2019上海展會上，三星著力展示的就是這種DTI技術，并市場宣傳中稱其為ISOCELL。

上圖的索尼和三星最新的0.8μm像素，可以看到兩者的像素隔斷差別還比較大。索尼采用的是B-DTI，三星所用的F-DTI方案要求必須采用VTG，所以其隔斷會比較完整。這似乎也是目前三星著力的宣傳點。另外，索尼所用的氧化物填充B-DTI隔斷為150nm寬度，三星則為110nm。

隨著像素變小、active Si厚度變大，DTI結構本身也在持續進化中。DTI以及相應的鈍化技術是目前像素越做越小的關鍵所在。如果說高像素真的只是噱頭并且會讓畫質變差的話，那么三星、索尼、OmniVision這些廠商又為何要非要投入大量成本研發此類技術呢？

除了DTI之外，近1-2年手機CMOS圖像傳感器領域的另一個熱門技術就是芯片堆?！夹g核心是chip-to-chip的互連。這和索尼更早應用了“Stacked”堆棧式技術的Exmor RS圖像傳感器產品不一樣。當年的stacked技術是把像素周圍的電路移到下層去，電路不需要占用像素表面的位置，讓像素感光開口更大。

現在的芯片堆棧是指將CIS、ISP和DRAM三層堆疊在一起。從結構上說，堆棧式CMOS是背照式CMOS的一個全新升級版本，具有高像素化、高性能化及小型化的特點。無論是背照式CMOS還是堆棧式CMOS都是兩層的，在iPhone XS和華為P30 Pro的攝像頭中，索尼用的是6.0μm間距的Cu-Cu混合連接，用以替代TSV（硅穿孔）互聯方案。

目前，索尼的MotionEye?相機堆疊記憶芯片傳感器已采用三層堆疊式，這種傳感器的核心技術是在像素層和信號處理電路層之間加入了一層DRAM緩存，形成了三明治結構，是真正的三層互聯。不過三星的“三層”堆疊，是把DRAM die以倒裝芯片的方式置于ISP與CIS雙die堆疊后方，DRAM融合了兩層RDL層以及一個高厚徑比的TSV貫穿到ISP，實現連接。

在CMOS圖像傳感器領域，目前索尼和三星堪稱雙雄。實際三星在今年5月推出4800萬像素輸出的GM2 CIS，索尼卻在更早就IMX586中就實現了支持，在市場上擁有更廣泛的地位。這是索尼技術領先的一個例證。但在CIS和像素的細節制造上，三星在某些環節還是掌握了工藝優勢。這大概也是它能夠搶發6400萬像素甚至1億像素產品的原因所在。

圖源：counterpointresearch

手機拍照整體升級，追趕相機

在擁有數百個零件的智能手機內部空間上，可謂“寸土寸金”。這也意味著手機相機鏡頭的傳感器天然受到尺寸限制，無法和相機、單反相比。然而，在激烈的市場競爭下，手機拍照的改善和升級顯然比預想中快。

現在很多高像素手機，拍照時傳感器支持將四個相鄰的像素排列在一起，形成一個大的像素，也就是通常所說的像素四合一技術。在明亮的照明條件下可以拍攝超高像素的照片；在暗光條件下靠增大單個像素的面積來提升畫質?！叭找辜骖櫋?，才是能拍 1 億像素的手機比相機拍攝強的一個地方。

值得注意，像素四合一技術也存在著技術差異，以4800萬像素傳感器為例，索尼IMX586能夠“硬件直出4800萬分辨率”，而三星GM1是“AI超清輸出4800萬分辨率”。為此，三星攝像頭曾被質疑為“偽4800萬像素”。

其實，如果說手機能夠彌補與單反差距的重要陣地就在于算法，畢竟硬件上再怎么升級，由于天然受限，就目前來說還無法和單反相提并論。但為什么現在的智能手機在夜間也能拍出清晰明亮的照片？這靠的就是利用芯片強大的運算能力和 AI 加持后的相機算法，直接處理好和“補足”了照片。不少人發現華為手機的夜拍功能不錯，其實也很大程度上是基于麒麟芯片的AI算法功能。

華為消費者業務CEO余承東在發布會上展示P3O Pro拍攝的月亮的照片

最近幾年，HDR功能也越來越強大，對于相機銳度、色彩的調校更為精致，甚至有超級夜景這樣的“逆天”技能。顯然，軟件上的可以提升照片后期水平，也可以彌補硬件上的差距，這也讓手機拍照能夠滿足大部分普通用戶的優化需要。而至于手機照片優化應用及APP來說，是可以找出一堆了。

另外，相比高像素，多攝帶來的體驗提升似乎更大。目前主流的三攝組合是一顆高像素攝像頭，一顆長焦攝像頭以及一顆超廣角攝像頭（或ToF鏡頭），這樣的組合則是在日常的使用過程中，能夠滿足拍清晰、拍遠處、拍大場景的各種需要。

隨著攝像技術的漸漸成熟，專業攝影對手機鏡頭的要求越來越高，所以產生了潛望式鏡頭等?！皾撏R式變焦”鏡頭俗稱“內變焦”鏡頭，由于光學變焦是在機身內部完成，所以可以很容易安裝濾鏡，無需額外安裝鏡頭筒。但攝像頭并非越多越好，只要能充分發揮主要拍攝職能即可。

華為P30 pro鏡頭組合，方形為潛望式鏡頭。

光學變焦已成為手機廠商的一大賣點。未來光學變焦倍數或將進一步發展，5x甚至10x的光學變焦將成為主流。潛望式的設計可以很大程度上縮小鏡頭模組的高度，實現手機輕薄化的趨勢，也將引領新一輪攝像頭領域的升級。同時進一步彌補了和單反拍攝的硬件差距。

目前，多家手機廠商的智能手機不僅鏡頭越來越多、算法越來越先進，而且模組越做越大、像素也越來越高等。另外，包括夜景、虛化、防抖、變焦、像素等要素在內構成的手機拍照能力，在手機廠商的激烈競爭打造下，不斷拉近與相機、單反拍攝整體差距甚至部分超越，并逐漸有“倒逼”單反、微單創新進化的現象。

結束語

決定拍照表現的因素非常多，鏡頭傳感器、快門、處理器、ISP等等硬件都對成像有著非常大的影響，而AI算法、軟件優化的重要作用同樣不容忽視。目前，整體而言，相機、單反拍攝在同等或相近條件下在較多方面優于手機，但在軟件提升、AI算法、芯片工藝等方面，手機拍照的表現已經領先相機一大截。當然，手機和相機的拍攝差別也可以就具體使用場景和需求而異。

可以說，拍照是一種全面、平衡的綜合體驗，攝影技術的發展不應僅是像素的線性提升，而是要考慮多方面“協調”問題。比如，最近發布的小米CC9 Pro，就因為處理器的性能比較弱，在一億像素模式下拍照需要很長的處理時間而影響體驗。由此，可以看出，軟硬協同的系統性影像技術框架，將是未來影像領域重大的探索發展方向。顯然，“不進則退”，相機或單反制造商需要跟上手機廠商的的科技創新步伐。說不定哪天手機拍攝真能取代相機甚至單反呢？

編輯:hfy