是怎样的改变,让手机高像素从“鸡肋”变“真香”?

2019年,当4000万及4800万的高像素手机拍照方案刚刚登场时,我们三易生活可能是当时最“不合群”的科技媒体之一(www.xbc.net.cn)。因为那时候我们曾经多次批评过这类看似强大的影像设计思路,实际上无论在技术上还是使用感受上都表现得相当糟糕。

比如说我们曾指出,当时绝大多数手机主控集成的ISP,根本不能应对数千万像素级别的影像处理,甚至导致很多高像素机型日常实际上只能以“四像素合一”(1000万、1200万)的模式运行。并且一旦开启全部像素就会使得AI优化与HDR多帧合成等处理算法失效,最终清晰度可能还不如不使用高像素模式。

比如我们还曾经指出,对于一整套影像系统来说,“分辨率”不仅仅取决于CMOS上的感光元件数量,实际上也会受到镜头透光率和反射率等方面的影响。在单反相机上,太入门的镜头尚且会不适合高像素旗舰机使用,更何况手机镜头又小成本又低,光学素质的低下对整个系统所带来的拖累也会更加明显。

像这样的微距,在2020年初的机型里仅此一份,但它其实在1200万像素时代并不少见

在实际使用的体验方面,我们更是曾经批评许多4000万、4800万、6400万,甚至1.08亿像素的机型对焦性能又慢又挫,严重背离了智能手机随时拍、随手拍的设计初衷。更不要说在微距性能上,以往那些高素质1200万像素CMOS瞬间就能在叶片、昆虫等细小物体上合焦,而“更先进”的4800万像素、6400万像素机型的主摄,却几乎根本无法在这种距离上对焦,所以才不得不配备了独立的“微距副摄”。但由于“副摄”传感器规格往往很差,所以实际上高像素机型的微距成像能力相比过去普遍反而是倒退了的。

不知道是因为听到了我们批评的声音,还是整个行业已经意识到早期高像素CMOS实在是不太堪用。自2020年开始,高像素机型CMOS以及配套的各种方案逐渐迎来了几次换代,而最初的那些问题也确实得到了有效的解决。

论ISP性能,如今高通骁龙888和三星Exynos 2100都已经为最高2亿像素的CMOS进行了专门优化。以骁龙888为例,其ISP处理能力实际上已经高达27亿像素/秒。这意味着对于这些最新的旗舰SoC来说,即便搭配1亿像素的CMOS,也一样可以实现多帧合成、AI优化、夜景模式等实时处理效果,大幅改善了“高像素全开”时的画质表现。

论镜头素质,2019年底小米CC9 Pro在首发1.08亿像素的时候,其实就已经意识到了高像素CMOS必须搭配更高品质的镜头,所以他们当时为CC9 Pro还专门推出了一款适配新设计8P镜头的“尊享版”。而当时间来到现在,我们不难发现各家在“手机光学镜头”这个课题上都有明显的发力,例如华为与OPPO都研发出了自由曲面镜片,vivo和索尼都用上了蔡司天塞镜头与T*镀膜,一加与哈苏合作的新旗舰即将发布,而小米也在前不久晒出了全新的自研伸缩镜头设计,据称能有效提高CMOS进光量,并进一步改善大底高像素机型的画质表现。

当然更为重要的是,如今的大底高像素CMOS也已经和过去完全不同了。

2020年初,三星S5KHM1与索尼IMX689几乎同时登场。前者作为初代1.08亿像素CMOS HMX的后继型号,舍弃了传统的“四合一”像素架构,凭借新的“九合一”像素设计,既降低了ISP的处理压力,又大幅提升了暗光环境下的感光能力。而后者则是在近似1亿像素传感器的面积里“只”放进了4800万像素,从而实现了更大的原生像素面积,并首次将全像素全向对焦技术在大底高像素手机CMOS上进行搭载,一举解决了“高像素手机对焦不良”的体验难题。

差不多半年后,我们又迎来了三星S5KGN1和索尼的IMX766。5000万像素、1/1.3吋的前者,可以看作是“三星版IMX689”,只不过底更大,感光性能更强;而后者则是在IMX689的基础上强化了视频HDR能力,使其变得更加全能。

而到了2021年,三星又有了新的想法。首先是搭载在Galaxy S21 Ultra上的S5KHM3,与HM1相比,它一方面改善了对焦算法,成功解决了此前HM1和HMX上不太好的对焦体验;另一方面,HM3更实现了手机行业首个12bit、686亿色捕捉能力。很显然,这是一款以超强色彩表现为主打方向的旗舰CMOS。

其次,三星还发布了他们迄今为止最大底的手机CMOS S5KGN2。其基本延续了之前GN1“大底、双核对焦”的设计思路,所不同的仅仅是将传感器尺寸增大到了惊人的1/1.12英寸,而凭借着接近1英寸的大底,GN2的单个像素面积就已经高达1.4μm。这使得它尽管没有HM3上的“九合一像素”设计,也可以仅凭“四合一”像素做到高达2.8μm(HM3九合一之后是2.4μm)的史上最大等效像素面积。换而言之,虽然GN2的色彩捕捉能力逊于HM3,但它却可能是当今感光和对焦最强的超大底高像素方案,甚至没有之一。

然而事情还没有结束,因为就在最近几天,三星又开始预热他们的“ISOCELL 2.0”新架构了。事实上,ISOCELL是三星最早提出的CMOS结构设计,其与索尼最早提出的“背照式”最大的不同点,就在于ISOCELL传感器上每一个感光单元之间都使用镜面的半导体材料相互隔离,这样就可以大幅降低像素点之间的干扰,并提升每一个像素点的工作效率。

而在ISOCELL 2.0的设计中,三星用新的非金属材料取代了早期ISOCELL里会造成部分光信号丢失的金属格栅,进一步“隔离”每一个像素。这样一来,即便使用更小的单像素面积设计,每一个像素在单位时间里接收到的有效光照也能增加,从而使得更高总像素的CMOS设计成为可能。

比如说,目前ISOCELL 2.0设计已经可以在画质不降低的前提下,将单像素面积从传统的0.8μm缩小到0.7μm。而如果将这一设计套用到现在单像素高达1.4μm,总像素数量5000万的GN2上,就能轻松制造出CMOS大小不变(1/1.12吋),但总像素却能高达2亿像素的全新CMOS。

当然,我们可以说,无论是在ISP侧不断强化的多帧合成也好,还是在CMOS上持续优化结构,强化“多像素合一”和“全像素对焦”也罢,这些本质上都是大底高像素手机拍照方案,为了规避自身不足而不得不进行的“查漏补缺”。但问题在于,当高像素机型的成像不再迟缓、镜头不再拉胯、CMOS对焦变得迅速,夜景感光和色彩捕捉能力也早已反超以往的小底低像素方案时,我们似乎也的确已经没有理由再去指责它“缺乏实用性、体感不好”。

也正是在这种不断以新技术“查漏补缺”的过程中,大底高像素机型已经逐渐扭转了包括我们三易生活在内的众多媒体与用户的印象,成为了当前以及未来可能是最为主流的智能手机影像设计方向。

【本文图片来自网络】

公司名称:西安宏略贸易有限公司
主营产品:德国E+H,德国VEGA