像素≠畫質(zhì) 手機拍照的決定因素竟是它

　　【手機中國 評測】之前和各位看官介紹過ISO Cell傳感器的歷史由來以及演變過程，不少讀者表示對IMX系列傳感器同樣感興趣。自14年開始智能手機成像畫質(zhì)都有趕超數(shù)碼相機的趨勢，尤其是弱光和夜景這些昔日被認為是智能機拍照痛點的場景。除了和光學(xué)防抖、大光圈引入有關(guān)，還和IMX系列傳感器自身不斷優(yōu)化有莫大關(guān)系，從前照式、背照式再到堆棧式結(jié)構(gòu)一步步提高弱光下曝光量。而近期引入的DTI畫質(zhì)增強技術(shù)則類似之前所說的ISO Cell像素結(jié)構(gòu)，在保證傳感器曝光充足前提下，進一步提高畫面整體純凈度，大幅抑制噪點的生成。除此以外，IMX系列傳感器還引入了硬件HDR攝錄、4K視頻、相位對焦等功能。在介紹IMX傳感器家族之前，我們先分享一些基本行業(yè)術(shù)語。

前照式、背照式和堆棧式區(qū)別

　　前照式（FSI，F(xiàn)rontside illumination）像素結(jié)構(gòu)我們并不陌生，當(dāng)年的諾基亞PureView 808正正就是采用了這種結(jié)構(gòu)。眾所周知，和后來采用背照式傳感器的諾基亞Lumia 1020相比，同樣是4100萬像素，后者相比前者在傳感器尺寸稍微縮小了的前提下，在弱光下表現(xiàn)相比諾基亞PureView 808更勝一籌。問題在于前照式傳感器的線路部分遮擋了感光層從而削弱了進光量。

　　背照式（BSI，Backside illumination）像素結(jié)構(gòu)分支是Exmor R CMOS，也就是索尼家的背照式傳感器，換句話說，OV（OmniVision）、三星和松下等傳感器生產(chǎn)商也能夠制造出自家的背照式傳感器。背照式傳感器并不是哪一家廠商的專利名詞，但是Exmor R CMOS則是索尼家商標(biāo)。

　　堆棧式CMOS（Stacked CMOS）又名積層式CMOS，堆棧式像素結(jié)構(gòu)分支是索尼Exmor RS CMOS，同理，堆棧式結(jié)構(gòu)并不是索尼專用的，但是Exmor RS CMOS則是索尼家商標(biāo)。首代Exmor RS CMOS傳感器有三個型號：IMX135、IMX134和ISX014。在OPPO Find 5首發(fā)的堆棧式傳感器采用的正是IMX135，OPPO Find 5也是全球首批采用堆棧式傳感器的智能手機之一。

前照式、背照式和堆棧式傳感器間區(qū)別（圖片來自互聯(lián)網(wǎng)）

　　簡單總結(jié)一下從前照式到背照式，再到堆棧式結(jié)構(gòu)三者之間，傳感器內(nèi)部究竟怎么變？我們簡單地將CMOS傳感器看作只有兩層結(jié)構(gòu)：電路層和像素層，前照式時候電路層基本上完全覆蓋像素層，讓弱光下和夜景表現(xiàn)十分差勁，像素層得不到充分的曝光。背照式時候?qū)⑦@兩層結(jié)構(gòu)互換了位置，像素層曝光更加充分，但是電路層還是有一部分電路元件占據(jù)了像素層位置。堆棧式結(jié)構(gòu)進一步將這些“殘余亂黨”轉(zhuǎn)移到電路層，最終實現(xiàn)電路層和像素層兩層結(jié)構(gòu)基本實現(xiàn)獨立運營。堆棧式結(jié)構(gòu)相比背照式結(jié)構(gòu)，傳感器里的像素點和電路是分開獨立的，所以像素點部分可以進行更高的畫質(zhì)優(yōu)化，電路部分亦可進行高性能優(yōu)化。

800萬和2000萬以上像素傳感器演變過程

　　前戲看完了，我們馬上進入今天的高潮環(huán)節(jié)。先回顧一下近幾年智能手機中的IMX傳感器都出現(xiàn)了哪些主要型號。

這幾年IMX系列傳感器進化史

　　我們先按像素值大概劃分出三個不同的檔次。如圖所示，在2012-2014年時候，IMX家族傳感器主要還是以800萬像素和1200/1300萬像素兩條主線為主，型號也不多，每條產(chǎn)品線基本上就是一年一更新的樣子。2013年底出現(xiàn)在索尼Xperia Z1上的IMX220基本上屬于索尼獨享，魅族MX4和魅族MX4 Pro在14年下半年也終于等到索尼對外出售這顆高像素大底傳感器。2000萬像素級別這條產(chǎn)品線對于索尼來說也是變化不大，從索尼Xperia Z1到索尼Xperia Z3+ Dual連續(xù)幾代旗艦機都使用了IMX220。后來的升級版IMX230對外出售之后也沒見用在自家的旗艦中。當(dāng)然，最后我們知道索尼Xperia Z5系列其實是在等IMX300。

　　踏入2015年，市面上流通的IMX傳感器的種類開始變得多了起來，乃至年底的時候還有IMX298和IMX300兩款全新的CMOS分別出現(xiàn)在華為和索尼旗艦機之中。有些廠商繼續(xù)在1300萬像素上面深挖潛能，有些廠商則開始向更高的1600萬像素以及2100萬像素沖擊。剛過去四個月的2016年，部分手機廠商開始把攝像頭像素往回縮，從而換取更大的單位像素面積，從而改善弱光下成像效果。

　　接下來我們開始拆解上面這張看上去比較復(fù)雜的歷史演變圖，先從相對簡單的800萬像素和2000萬以上像素傳感器開始聊起。

800萬像素和2000萬以上像素傳感器進化歷程

　　IMX系列這幾代的800萬像素傳感器變化仿佛都不大，從我們體驗過的三星S3（IMX145）、索尼Xperia L（IMX134）和魅族MX3（IMX179）三款產(chǎn)品的成像畫質(zhì)橫向?qū)Ρ葋砜矗滋斓膮^(qū)別更多的體現(xiàn)在手機廠商的白平衡調(diào)校等方面。根據(jù)官方參數(shù)顯示，IMX179重點增大了傳感器面積并提高了單位像素面積，實際的弱光表現(xiàn)并沒有宣傳中描述的那么立竿見影。當(dāng)然，光圈值還是穩(wěn)步提升的。最后就是從IMX134開始也獲得了索尼堆棧式傳感器的特征之一，錄制視頻時候能夠?qū)崿F(xiàn)硬件級別HDR，讓視頻光線變化過渡得更加自然。

　　2000萬像素以上級別的三顆堆棧式傳感器的變化還是可圈可點的。IMX230是索尼在15年對外出售的傳感器中像素值最高的一顆，相比IMX220最大的變化在于引入了相位對焦技術(shù)，根據(jù)索尼官方介紹，IMX230最多支持192個自動對焦點，即使拍攝較高速運動的物體也不容易出現(xiàn)過去常見的拖影。還有就是硬件級別HDR攝錄支持到4K級別分辨率。對我來說，印象最深刻的還是Moto X 極這款評測過的產(chǎn)品，IMX230傳感器和驍龍810加上原生Android系統(tǒng)的配合下，合成HDR照片無須等待。

IMX230支持相位對焦技術(shù)和實時HDR攝錄

　　IMX300延續(xù)了大底傳感器（1/2.3英寸）抑制噪點的特色，自動感光度在極限情況下能夠飆高到12800。IMX300能夠?qū)崿F(xiàn)將Phase Detection（相位檢測）和Contrast Detection（對比度檢測）對焦技術(shù)加以融合并迅速偵測與景物距離，將自動對焦距離時間縮短到0.03秒。當(dāng)然攝像頭像素值還是有輕微提升的。

　　還記得之前在介紹ISO Cell傳感器時候，我們提及過三星在自用和對外出售的傳感器型號中采取了區(qū)別對待的政策，例如三星S7之前那些自用的ISO Cell傳感器都能夠在16：9取景畫幅下實現(xiàn)全像素的照片輸出，而在之前另一篇評測文章中出現(xiàn)過的幾款對外銷售ISO Cell傳感器全部都只能夠在4：3取景畫幅下生成全像素的照片。另一個經(jīng)常被閹割的功能就是硬件級別HDR攝錄。

對外出售的IMX220在參數(shù)上弱化了

　　無獨有偶，索尼在這個方面也有類似的做法。在對外出售IMX220時候，索尼并沒有將這顆傳感器的硬件HDR功能解禁。其它方面的差距就是魅族MX4和魅族MX4 Pro上面2070萬像素攝像頭的鏡頭光圈從F2.0變成了F2.2，鏡片數(shù)從6P下調(diào)為5P。理論上在虛化效果、進光量和解析力方面都會有所削弱，但是眾所周知的是，當(dāng)年這兩款旗艦的解析力十分出眾主要得益于魅族的銳化算法。當(dāng)然，除了IMX220的減配，索尼G鏡頭和BIONZ專業(yè)影像處理器兩項索尼專用配置自然也沒有繼承下來。

IMX300 CMOS+G鏡頭+BIONZ影像處理器

1200萬-1600萬像素傳感器演變過程

　　接著我們重點看看1200萬-1600萬像素這些傳感器的演變過程，這也是這幾代IMX傳感器關(guān)系最復(fù)雜的地方。

1200萬-1600萬像素傳感器演變過程

　　索尼Xperia S（LT26i）首次突破千萬級別像素值，當(dāng)時也有人稱索尼已經(jīng)提前將堆棧式傳感器用在了這款機型主攝像頭上。不過索尼對外宣布首款突破千萬級別像素值的堆棧式傳感器并不是這顆1200萬像素CMOS，而是13年的IMX135。正如IMX220一樣，對外銷售的版本并沒有集成硬件HDR攝錄功能，而且由于是第一次駕馭千萬級別的堆棧式傳感器，各大手機廠商在對這顆傳感器進行調(diào)校的時候都出現(xiàn)了水土不服的現(xiàn)象。那個時期采用IMX135的旗艦機普遍出現(xiàn)白平衡不準(zhǔn)，嚴重的還會出現(xiàn)白平衡漂移。白天的成像表現(xiàn)相比800萬像素傳感器確實有了解析力上面的提升，但是一到晚上就沒有發(fā)揮出堆棧式傳感器相比背照式傳感器應(yīng)有的進步。

　　14年的IMX214作為IMX135正統(tǒng)繼承者，索尼對1300萬像素CMOS的駕馭開始變得輕松得多。而且對外出售的IMX214傳感器也集成了硬件HDR攝錄功能，用上了6P鏡片和F2.0大光圈，并且支持4K視頻錄制。在IMX135時候，很多手機廠商，例如OPPO和三星都需要自己研發(fā)和定制上述這些功能增強攝像頭的硬實力。IMX214的出現(xiàn)讓手機廠商優(yōu)化手機攝像頭的門檻瞬間拉低了不少。據(jù)索尼介紹IMX214最大的改進其實是夜景和弱光下成像畫質(zhì)。這個時期也是光學(xué)防抖、大光圈等提升夜景表現(xiàn)最有效的方法大量引入手機界的時候。相輔相成之下，搭載IMX214傳感器并引入光學(xué)防抖等技術(shù)的手機自然也在夜景中脫穎而出。IMX214還被HTC用在了雙攝像頭的組合上，搭配200萬像素景深鏡頭實現(xiàn)硬件級別的先拍照后對焦，最終成像效果虛化自然而且還能夠隨時在相冊中調(diào)整對焦點。

IMX214大部分參數(shù)列表

　　踏入15年，IMX278開始取代IMX214，RGBW四色傳感器結(jié)構(gòu)被重新提出來。為啥說是重新提出來？早在IMX135，也就是首款堆棧式傳感器推出時候，索尼已經(jīng)介紹過這項技術(shù)，可能當(dāng)時還不是特別成熟所以并沒有看到多少手機廠商在后續(xù)產(chǎn)品中用上這項技術(shù)。直到IMX278，華為P8宣傳用上了這種全新四色傳感器取代昔日的RGBG傳感器。同時360手機幾款旗艦產(chǎn)品也將IMX278和IMX Mono組合起來打造雙攝像頭拍照體驗，這時候的雙攝像頭并不是單純實現(xiàn)先拍照后對焦的功能，還能夠提升弱光下的成像表現(xiàn)，IMX Mono主要負責(zé)細節(jié)輪廓刻畫，只記錄黑白兩種顏色，比普通彩色傳感器增加2.8倍進光量。

彩色+Mono黑白夜視雙1300萬智慧雙攝理念

　　IMX278相比IMX214繼續(xù)提升夜景方面的表現(xiàn)，將傳統(tǒng)的RGBG傳感器更換為RGBW傳感器。網(wǎng)上關(guān)于RGBW傳感器介紹方式有很多，今天筆者采用一種并不是特別嚴謹?shù)歉菀桌斫獾姆绞竭M行介紹。R（Red）、G（Green）、B（Blue）、W（White）分別代表四種顏色的濾鏡，這些濾鏡的特色就是過濾自然光和人造光線，讓過濾后的光線最終抵達傳感器成像。R濾鏡只允許紅色光線通過，G濾鏡只允許綠色光線通過，B濾鏡只允許藍色光線通過，W濾鏡則允許所有顏色光線通過，換句話說新引入的W濾鏡就是為了提高弱光下進光量的。

RGBG和RGBW傳感器間區(qū)別（圖片來自互聯(lián)網(wǎng)）

　　部分讀者也應(yīng)該察覺到，如果根據(jù)這種方式設(shè)計的話，理論上確實能夠讓更多的光線進入到傳感器，但是也帶來了一個問題，那就是照片中綠色元素的表現(xiàn)力將會下降，而人眼對于綠色這種顏色變化相比紅色和藍色更為敏感。所以不少讀者擔(dān)心采用RGBW傳感器的手機在白天的色彩表現(xiàn)力上會有所下降。在后續(xù)實踐篇評測文章中我們會重點測試這個部分。IMX258則是IMX278的變種，主要是引入了相位對焦技術(shù)同時取消了RGBW傳感器，回歸到RGBG結(jié)構(gòu)。

　　接著我們看看兩顆1600萬像素傳感器：IMX234和IMX240。這兩顆傳感器相比上述那些傳感器有一個很重要的特征，那就是采用了16：9畫幅進行設(shè)計。換句話說，搭載這兩顆傳感器的機型理論上能夠在全像素，也就是1600萬像素下以16：9畫幅在取景框進行顯示。我們的手機屏幕基本上都是16：9的設(shè)計，所以剛剛就能夠全屏顯示取景框，普通那些傳感器限定在4：3取景畫幅下才能夠?qū)崿F(xiàn)全像素的照片生成，對于構(gòu)圖來說無疑是一大浪費，這在后續(xù)實踐篇的評測報告中會詳細說明。

　　翻查了索尼官方和其它網(wǎng)站的資料，發(fā)現(xiàn)這兩顆傳感器的資料都介紹得比較少，大部分資料都說兩者并沒有什么實質(zhì)性區(qū)別。而我們從手機廠商具體的產(chǎn)品宣傳海報中還能夠看出一些端倪。

16：9畫幅在各種拍攝場景取景時候更加靈活

　　采用IMX234的nubia Z9系列幾款機型并沒有重點突出這顆傳感器的特征，而LG G4則引入了色譜感應(yīng)器，不排除是索尼為LG定制的。根據(jù)LG之前介紹，彩色光譜感應(yīng)器（Color Spectrum Sensor）可在拍攝前分析與測量場景中所有可見光，在昏暗環(huán)境中也能拍出色彩自然生動的圖像。根據(jù)網(wǎng)上大量樣張顯示，這顆感應(yīng)器對LG G4最大的提升就是在弱光下和夜景中白平衡更加準(zhǔn)確，色彩還原細節(jié)更加豐富。

LG G4上面的彩色光譜感應(yīng)器

　　接著我們看看IMX240，主要代表是三星幾款旗艦機和聯(lián)想VIBE Z2 Pro。三星重點突出其支持硬件HDR攝錄的特性，聯(lián)想VIBE Z2 Pro則引入了雙RGB Sensor，官方介紹是能夠智能識別場景并進行全立體光場監(jiān)測，聽上去和LG G4上面那顆彩色光譜感應(yīng)器區(qū)別不大。

雙RGB Sensor和彩色光譜感應(yīng)器作用相似

　　上面提到的這些傳感器，1300萬像素傳感器尺寸相比1600萬像素傳感器更小，但是由于后者需要塞下更多的像素值，所以最終攤分下來的單位像素面積其實都是1.12μm。

　　最后我們看看16年的三款I(lǐng)MX系列傳感器，很多人誤以為1600萬像素IMX298是IMX234和IMX240升級版，而1200萬像素IMX260則是IMX278和IMX258的升級版，事實剛好相反。所以說像素值和傳感器迭代并沒有直接關(guān)系。

　　雙攝像頭設(shè)計的華為P9使用IMX286替換掉IMX278并保留IMX Mono。由于下調(diào)到1200萬像素，所以IMX286單位像素面積相比IMX278稍微增大到1.25μm。

　　IMX298早在上年年底華為Mate 8時候就已經(jīng)出現(xiàn)，今年還搭載在小米手機5和vivo Xplay5、nubia Z11 mini上。這顆傳感器其實就是IMX278和IMX258合體，不僅引入RGBW傳感器還支持相位對焦技術(shù)，同時還支持硬件HDR攝錄。雖然傳感器尺寸大小相比IMX278增大了，但是像素值也增加到1600萬像素，所以攤分下來的單位像素面積還是1.12μm。另一方面，IMX298還引入了DTI畫質(zhì)增強技術(shù)，其實就是采用了類似ISO Cell像素隔離技術(shù)，減少像素之間光電串?dāng)_問題，從而在保證曝光充足情況下同時提高弱光下畫面純凈度。

DTI畫質(zhì)增強技術(shù)

ISO Cell像素隔離技術(shù)

　　最后我們看看IMX260這顆搭載在三星S7系列上面的1200萬像素傳感器。相比IMX234和IMX240略微增大傳感器尺寸，同時從1600萬像素下調(diào)到1200萬像素，造就其單位像素面積抵達1.4μm，配合三星S7上面光學(xué)防抖鏡片組和F1.7大光圈，在夜景下表現(xiàn)更加出色。由于篇幅所限，全像素雙核結(jié)構(gòu)相關(guān)內(nèi)容請回顧之前評測文章。

　　總結(jié)：理論部分聊到這里，下期文章我們將會對這幾年一些具有代表意義的，搭載了IMX系列傳感器機型進行橫向拍照對比，從而驗證今天的理論部分?？纯碔MX系列傳感器經(jīng)過幾年的技術(shù)積淀，究竟能夠為日常拍照的多種場景帶來什么樣的畫質(zhì)提升？

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