像素≠畫質(zhì) 手機(jī)拍照的決定因素竟是它

　　【手機(jī)中國(guó) 評(píng)測(cè)】之前和各位看官介紹過(guò)ISO Cell傳感器的歷史由來(lái)以及演變過(guò)程，不少讀者表示對(duì)IMX系列傳感器同樣感興趣。自14年開(kāi)始智能手機(jī)成像畫質(zhì)都有趕超數(shù)碼相機(jī)的趨勢(shì)，尤其是弱光和夜景這些昔日被認(rèn)為是智能機(jī)拍照痛點(diǎn)的場(chǎng)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(qiáng)技術(shù)則類似之前所說(shuō)的ISO Cell像素結(jié)構(gòu)，在保證傳感器曝光充足前提下，進(jìn)一步提高畫面整體純凈度，大幅抑制噪點(diǎn)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(duì)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(yǔ)。

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(lái)采用背照式傳感器的諾基亞Lumia 1020相比，同樣是4100萬(wàn)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(wèn)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(jìn)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(shuō)，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(gè)型號(hào)：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(jī)之一。

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

　　簡(jiǎn)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(jiǎn)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(shí)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(shí)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(jìn)一步將這些“殘余亂黨”轉(zhuǎn)移到電路層，最終實(shí)現(xiàn)電路層和像素層兩層結(jié)構(gòu)基本實(shí)現(xiàn)獨(dú)立運(yùn)營(yíng)。堆棧式結(jié)構(gòu)相比背照式結(jié)構(gòu)，傳感器里的像素點(diǎn)和電路是分開(kāi)獨(dú)立的，所以像素點(diǎn)部分可以進(jìn)行更高的畫質(zhì)優(yōu)化，電路部分亦可進(jìn)行高性能優(yōu)化。

800萬(wàn)和2000萬(wàn)以上像素傳感器演變過(guò)程

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

這幾年IMX系列傳感器進(jìn)化史

　　我們先按像素值大概劃分出三個(gè)不同的檔次。如圖所示，在2012-2014年時(shí)候，IMX家族傳感器主要還是以800萬(wàn)像素和1200/1300萬(wàn)像素兩條主線為主，型號(hào)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(dú)享，魅族MX4和魅族MX4 Pro在14年下半年也終于等到索尼對(duì)外出售這顆高像素大底傳感器。2000萬(wàn)像素級(jí)別這條產(chǎn)品線對(duì)于索尼來(lái)說(shuō)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(jī)都使用了IMX220。后來(lái)的升級(jí)版IMX230對(duì)外出售之后也沒(méi)見(jiàn)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(shí)是在等IMX300。

　　踏入2015年，市面上流通的IMX傳感器的種類開(kāi)始變得多了起來(lái)，乃至年底的時(shí)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(jī)之中。有些廠商繼續(xù)在1300萬(wàn)像素上面深挖潛能，有些廠商則開(kāi)始向更高的1600萬(wàn)像素以及2100萬(wàn)像素沖擊。剛過(guò)去四個(gè)月的2016年，部分手機(jī)廠商開(kāi)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(lái)我們開(kāi)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(duì)簡(jiǎn)單的800萬(wàn)像素和2000萬(wàn)以上像素傳感器開(kāi)始聊起。

800萬(wàn)像素和2000萬(wàn)以上像素傳感器進(jìn)化歷程

　　IMX系列這幾代的800萬(wàn)像素傳感器變化仿佛都不大，從我們體驗(yàn)過(guò)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?lái)看，白天的區(qū)別更多的體現(xiàn)在手機(jī)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(diǎn)增大了傳感器面積并提高了單位像素面積，實(shí)際的弱光表現(xiàn)并沒(méi)有宣傳中描述的那么立竿見(jiàn)影。當(dāng)然，光圈值還是穩(wěn)步提升的。最后就是從IMX134開(kāi)始也獲得了索尼堆棧式傳感器的特征之一，錄制視頻時(shí)候能夠?qū)崿F(xiàn)硬件級(jí)別HDR，讓視頻光線變化過(guò)渡得更加自然。

　　2000萬(wàn)像素以上級(jí)別的三顆堆棧式傳感器的變化還是可圈可點(diǎn)的。IMX230是索尼在15年對(duì)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(duì)焦技術(shù)，根據(jù)索尼官方介紹，IMX230最多支持192個(gè)自動(dòng)對(duì)焦點(diǎn)，即使拍攝較高速運(yùn)動(dòng)的物體也不容易出現(xiàn)過(guò)去常見(jiàn)的拖影。還有就是硬件級(jí)別HDR攝錄支持到4K級(jí)別分辨率。對(duì)我來(lái)說(shuō)，印象最深刻的還是Moto X 極這款評(píng)測(cè)過(guò)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(wú)須等待。

IMX230支持相位對(duì)焦技術(shù)和實(shí)時(shí)HDR攝錄

　　IMX300延續(xù)了大底傳感器（1/2.3英寸）抑制噪點(diǎn)的特色，自動(dòng)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(cè)）和Contrast Detection（對(duì)比度檢測(cè)）對(duì)焦技術(shù)加以融合并迅速偵測(cè)與景物距離，將自動(dòng)對(duì)焦距離時(shí)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(shí)候，我們提及過(guò)三星在自用和對(duì)外出售的傳感器型號(hào)中采取了區(qū)別對(duì)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(shí)現(xiàn)全像素的照片輸出，而在之前另一篇評(píng)測(cè)文章中出現(xiàn)過(guò)的幾款對(duì)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(gè)經(jīng)常被閹割的功能就是硬件級(jí)別HDR攝錄。

對(duì)外出售的IMX220在參數(shù)上弱化了

　　無(wú)獨(dú)有偶，索尼在這個(gè)方面也有類似的做法。在對(duì)外出售IMX220時(shí)候，索尼并沒(méi)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(wàn)像素?cái)z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(jìn)光量和解析力方面都會(huì)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(xiàng)索尼專用配置自然也沒(méi)有繼承下來(lái)。

IMX300 CMOS+G鏡頭+BIONZ影像處理器

1200萬(wàn)-1600萬(wàn)像素傳感器演變過(guò)程

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

1200萬(wàn)-1600萬(wàn)像素傳感器演變過(guò)程

　　索尼Xperia S（LT26i）首次突破千萬(wàn)級(jí)別像素值，當(dāng)時(shí)也有人稱索尼已經(jīng)提前將堆棧式傳感器用在了這款機(jī)型主攝像頭上。不過(guò)索尼對(duì)外宣布首款突破千萬(wàn)級(jí)別像素值的堆棧式傳感器并不是這顆1200萬(wàn)像素CMOS，而是13年的IMX135。正如IMX220一樣，對(duì)外銷售的版本并沒(méi)有集成硬件HDR攝錄功能，而且由于是第一次駕馭千萬(wàn)級(jí)別的堆棧式傳感器，各大手機(jī)廠商在對(duì)這顆傳感器進(jìn)行調(diào)校的時(shí)候都出現(xiàn)了水土不服的現(xiàn)象。那個(gè)時(shí)期采用IMX135的旗艦機(jī)普遍出現(xiàn)白平衡不準(zhǔn)，嚴(yán)重的還會(huì)出現(xiàn)白平衡漂移。白天的成像表現(xiàn)相比800萬(wàn)像素傳感器確實(shí)有了解析力上面的提升，但是一到晚上就沒(méi)有發(fā)揮出堆棧式傳感器相比背照式傳感器應(yīng)有的進(jìn)步。

　　14年的IMX214作為IMX135正統(tǒng)繼承者，索尼對(duì)1300萬(wàn)像素CMOS的駕馭開(kāi)始變得輕松得多。而且對(duì)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(shí)候，很多手機(jī)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(qiáng)攝像頭的硬實(shí)力。IMX214的出現(xiàn)讓手機(jī)廠商優(yōu)化手機(jī)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(jìn)其實(shí)是夜景和弱光下成像畫質(zhì)。這個(gè)時(shí)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(jī)界的時(shí)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(jī)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(wàn)像素景深鏡頭實(shí)現(xiàn)硬件級(jí)別的先拍照后對(duì)焦，最終成像效果虛化自然而且還能夠隨時(shí)在相冊(cè)中調(diào)整對(duì)焦點(diǎn)。

IMX214大部分參數(shù)列表

　　踏入15年，IMX278開(kāi)始取代IMX214，RGBW四色傳感器結(jié)構(gòu)被重新提出來(lái)。為啥說(shuō)是重新提出來(lái)？早在IMX135，也就是首款堆棧式傳感器推出時(shí)候，索尼已經(jīng)介紹過(guò)這項(xiàng)技術(shù)，可能當(dāng)時(shí)還不是特別成熟所以并沒(méi)有看到多少手機(jī)廠商在后續(xù)產(chǎn)品中用上這項(xiàng)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(shí)360手機(jī)幾款旗艦產(chǎn)品也將IMX278和IMX Mono組合起來(lái)打造雙攝像頭拍照體驗(yàn)，這時(shí)候的雙攝像頭并不是單純實(shí)現(xiàn)先拍照后對(duì)焦的功能，還能夠提升弱光下的成像表現(xiàn)，IMX Mono主要負(fù)責(zé)細(xì)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(jìn)光量。

彩色+Mono黑白夜視雙1300萬(wàn)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(yán)謹(jǐn)?shù)歉菀桌斫獾姆绞竭M(jìn)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(guò)濾自然光和人造光線，讓過(guò)濾后的光線最終抵達(dá)傳感器成像。R濾鏡只允許紅色光線通過(guò)，G濾鏡只允許綠色光線通過(guò)，B濾鏡只允許藍(lán)色光線通過(guò)，W濾鏡則允許所有顏色光線通過(guò)，換句話說(shuō)新引入的W濾鏡就是為了提高弱光下進(jìn)光量的。

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

　　部分讀者也應(yīng)該察覺(jué)到，如果根據(jù)這種方式設(shè)計(jì)的話，理論上確實(shí)能夠讓更多的光線進(jìn)入到傳感器，但是也帶來(lái)了一個(gè)問(wèn)題，那就是照片中綠色元素的表現(xiàn)力將會(huì)下降，而人眼對(duì)于綠色這種顏色變化相比紅色和藍(lán)色更為敏感。所以不少讀者擔(dān)心采用RGBW傳感器的手機(jī)在白天的色彩表現(xiàn)力上會(huì)有所下降。在后續(xù)實(shí)踐篇評(píng)測(cè)文章中我們會(huì)重點(diǎn)測(cè)試這個(gè)部分。IMX258則是IMX278的變種，主要是引入了相位對(duì)焦技術(shù)同時(shí)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(wàn)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(gè)很重要的特征，那就是采用了16：9畫幅進(jìn)行設(shè)計(jì)。換句話說(shuō)，搭載這兩顆傳感器的機(jī)型理論上能夠在全像素，也就是1600萬(wàn)像素下以16：9畫幅在取景框進(jìn)行顯示。我們的手機(jī)屏幕基本上都是16：9的設(shè)計(jì)，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(duì)于構(gòu)圖來(lái)說(shuō)無(wú)疑是一大浪費(fèi)，這在后續(xù)實(shí)踐篇的評(píng)測(cè)報(bào)告中會(huì)詳細(xì)說(shuō)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(shuō)兩者并沒(méi)有什么實(shí)質(zhì)性區(qū)別。而我們從手機(jī)廠商具體的產(chǎn)品宣傳海報(bào)中還能夠看出一些端倪。

16：9畫幅在各種拍攝場(chǎng)景取景時(shí)候更加靈活

　　采用IMX234的nubia Z9系列幾款機(jī)型并沒(méi)有重點(diǎn)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L(zhǎng)G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(cè)量場(chǎng)景中所有可見(jiàn)光，在昏暗環(huán)境中也能拍出色彩自然生動(dòng)的圖像。根據(jù)網(wǎng)上大量樣張顯示，這顆感應(yīng)器對(duì)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(xì)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(jī)和聯(lián)想VIBE Z2 Pro。三星重點(diǎn)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(shí)別場(chǎng)景并進(jìn)行全立體光場(chǎng)監(jiān)測(cè)，聽(tīng)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(wàn)像素傳感器尺寸相比1600萬(wàn)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(lái)的單位像素面積其實(shí)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(wàn)像素IMX298是IMX234和IMX240升級(jí)版，而1200萬(wàn)像素IMX260則是IMX278和IMX258的升級(jí)版，事實(shí)剛好相反。所以說(shuō)像素值和傳感器迭代并沒(méi)有直接關(guān)系。

　　雙攝像頭設(shè)計(jì)的華為P9使用IMX286替換掉IMX278并保留IMX Mono。由于下調(diào)到1200萬(wàn)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(shí)候就已經(jīng)出現(xiàn)，今年還搭載在小米手機(jī)5和vivo Xplay5、nubia Z11 mini上。這顆傳感器其實(shí)就是IMX278和IMX258合體，不僅引入RGBW傳感器還支持相位對(duì)焦技術(shù)，同時(shí)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(wàn)像素，所以攤分下來(lái)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(qiáng)技術(shù)，其實(shí)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(wèn)題，從而在保證曝光充足情況下同時(shí)提高弱光下畫面純凈度。

DTI畫質(zhì)增強(qiáng)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(wàn)像素傳感器。相比IMX234和IMX240略微增大傳感器尺寸，同時(shí)從1600萬(wàn)像素下調(diào)到1200萬(wàn)像素，造就其單位像素面積抵達(dá)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(qǐng)回顧之前評(píng)測(cè)文章。

　　總結(jié)：理論部分聊到這里，下期文章我們將會(huì)對(duì)這幾年一些具有代表意義的，搭載了IMX系列傳感器機(jī)型進(jìn)行橫向拍照對(duì)比，從而驗(yàn)證今天的理論部分?？纯碔MX系列傳感器經(jīng)過(guò)幾年的技術(shù)積淀，究竟能夠?yàn)槿粘Ｅ恼盏亩喾N場(chǎng)景帶來(lái)什么樣的畫質(zhì)提升？

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