RYYB傳感器是個什么鬼?手機鏡頭能否靠它逆襲單反?

CFan 電腦愛好者 2019-07-24 14:06產品 標簽:鏡頭 手機

在智能手機的各個組成部件中,攝像頭應該算是物理結構最為復雜的元件之一,它通常都是由PCB主板、CMOS傳感器(SENSOR)、固定器(HOLDER)和鏡頭(LENS ASS′Y)構成。

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CMOS傳感器(SENSOR)

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其中,鏡頭又是由透鏡(5片起步,數量越多越好,玻璃材質優于樹脂)、濾光裝置(以RGB原色分色法和CMYK補色分色法為主)和鏡筒組成,不同的光圈和焦距可勝任不同的拍攝環境,如果想支持OIS光學防抖,還需集成額外的馬達和陀螺儀等單元。

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來自CMOS的物理瓶頸

對智能手機而言,它在拍照方面的終極目標,就是擁有媲美專業相機的成像水準。然而,受限于兩類設備的體型差異,手機鏡頭的開孔普遍只有8mm,這又如何能與單反專用的“長槍大炮”對決?

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傳感器尺寸

智能手機想要縮短與專業相機之間的差距,只有不斷提升CMOS成像畫質這么一條出路。比如,增加CMOS傳感器尺寸,獲得“底大一級壓死人”的先天優勢。

問題來了,想在追求纖薄的智能手機體內塞進更大尺寸的傳感器是不現實的,歷史上諾基亞808 PureView所武裝的1/1.2英寸就已經是極限了。

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時至今日,無論是IMX586、IMX600還是IMX650,這些頂級超大像素傳感器的尺寸也只有1/2.0英寸和1/1.7 英寸左右,雖然較手機常用的那些1/2.x英寸傳感器相比算是“大底”,但是和專業相機的鏡頭相比就完全不夠看了。

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提升進光量

再比如,提升CMOS傳感器的進光量,從而具備捕捉更多光線的能力,這樣就能在同樣環境下,拍攝出亮度更高、噪點更少、更清晰的照片。對CMOS而言,提升進光量的手段有很多,增加傳感器尺寸、增大鏡頭光圈、增加單個像素感光面積、引入UltraPixel超像素攝像頭(如HTC One M7)等都是可行的手段。

然而,歷史已經證明UltraPixel超像素攝像頭這條路走不通,鏡頭光圈和傳感器尺寸一樣,對手機的小身板而言f/1.6差不多就是極限。IMX586通過Quad Bayer陣列和四合一像素聚合技術可實現等效1.6μm的單個像素感光面積,更高端的IMX600傳感器也不過2.0μm,依舊存在天花板。

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在這個大環境下,大家就只能另辟蹊徑,從改造CMOS傳感器的底層架構嘗試著手了。

神奇的拜耳陣列

我們之所以能夠看到繽紛的色彩,是因為人眼上擁有感知不同頻率光線的多種細胞。CMOS傳感器同樣存在可以感知不同顏色的“細胞”,只是它們被稱之為像素點,并以“拜耳陣列”(Bayer array)的形式加以排列。

什么是拜耳陣列

歷史上,柯達公司的影像科學家布萊斯·拜耳(Bryce Bayer)最早發現人眼對紅綠藍三原色中的綠色敏感度最高,于是他嘗試在CMOS上方增加了一塊濾鏡,采用1紅2綠1藍(RGBG,也可稱為RGGB)的排列方式將灰度信息轉換成彩色信息,讓呈現在CMOS上的色彩最接近人眼的視覺效果。

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因此,幾乎所有的CMOS傳感器就都采用了RGBG排列方式,也就是我們常聽說的“拜耳陣列”,或者是“拜耳濾鏡”。

拜耳陣列的缺陷

需要注意的是,CMOS在進行光電轉換的過程中是無法得到顏色信息的,它只能取得不同的強度信息。拜耳陣列的機制類似于“分色”,其濾鏡上的紅色、綠色和藍色像素只允許與之相對應顏色的光線通過,阻擋其他色光進入,這樣一來每個像素就都獲得了顏色和明暗信息。

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然而,“分色”的過程存在一個缺陷,過濾光線的同時會折損一部分光的強度,在同一個點上也只能獲得一種顏色信息,而該位置上的其他顏色信息就全部損失掉了。

想要得到最接近于真實的顏色,需要根據相鄰像素點上的顏色信息來“猜出”這個位置上所損失掉的其余顏色信息,業內將這種“猜色”的過程稱為“反拜耳運算”。

換句話說,由于拜耳陣列存在“猜色”的環節,所以理論上CMOS永遠也無法100%還原真實景物的色彩,它只能無限接近于真實,現實中拍出的照片出現了“偏色”現象,就是“猜色”過程中猜錯了。

對拜耳陣列的改良

“拜耳陣列”之所以流行,是因為它是公認的最佳CMOS結構。但是,隨著手機內置ISP單元性能的提升和各種成像算法的不斷優化,給了優化CMOS結構的空間。于是,我們就看到了所謂的“RGBW”、“RWWB”和“RYYB” 等CMOS結構。

RGBW結構

由于人眼對綠色敏感度最高,所以拜耳才會在每個RGBG陣列中用上2個綠色像素(G)。此時,如果我們將其中一個綠色像素(G)換成透光性更強的白色像素(W),組成所謂的“RGBW”陣列排布,不就可以解決提升進光量的問題了嗎?

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歷史上,最早推出RGBW結構CMOS的廠商來自OmniVision(OV),摩托羅拉旗下的Moto X,Moto Droid Mini、Droid Ultra、Droid Maxx等產品都曾用過這類CMOS,只是摩托羅拉當年將其稱為“Clear Pixel”技術。可惜,OV在傳感器、摩托羅拉在手機市場的影響力有限,這種RGBW CMOS并沒被太多用戶知曉。

真正將RGBW發揚光大的,則要數2015年索尼推出的IMX278傳感器(后續推出的IMX298也是這種結構,后者曾被用于華為Mate8、小米5、一加3和vivo X7 Plus等手機),其主打改善手機暗光拍攝,號稱在低亮度下感光能力可提升32%,噪點降低78%,并曾被華為P8、OPPO R7 Plus和魅藍 6T等產品所武裝。

RWWB結構

既然RGBW已經“摳掉”了一個綠色像素替換成白色像素,那何不更進一步,將另外一個綠色像素也換成白色呢?同樣是2015年,聯發科在發布曦力Helio P10時就曾主打一項名為“True Bright”的圖像引擎,其主要的構成部分就是采用“RWWB”結構的CMOS傳感器,將傳統拜耳陣列上的兩個綠色像素全部替換為白色,進光量比RGBW結構還要大。

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可惜,雖然聯發科在發布Helio X20時依舊主打這一技術,但時至今日也沒有一款RWWB CMOS出爐,我們可以將其視為“理論上的存在”。

純黑白結構

雖然聯發科提倡的RWWB CMOS一直停留在紙面階段,但這并不妨礙大家拿來借鑒參考。既然RWWB已經將2個綠色像素點給替換了,那為何不干脆徹底丟掉分色濾鏡,讓CMOS實現光線全透呢?于是,索尼就第一家推出了專業的IMX Mono黑白攝像頭,擁有極高的進光量,可以記錄暗光環境下的更多細節。

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當然,由于Mono黑白鏡頭無法記錄彩色信息,所以它必須和另外一顆彩色CMOS搭配,通過雙攝+算法的方式獲得遠比采用傳統RGBG以及RGBW CMOS的單攝更好的夜拍效果。時至今日,這種黑白+彩色鏡頭的組合還在流行,而RGBW CMOS則已經被掃進了歷史的塵埃。

RYYB結構

得益于多攝矩陣模塊的流行,RGBW CMOS已經徹底失去了市場。但是,CMOS對進光量的需求卻沒有減少,如何進一步拉近手機與專業單反(或其他競品手機)在夜拍時的成像差距,更是成為了智能手機未來的重點發展方向。

華為P30系列和榮耀20應該算是時下夜拍效果最好的智能手機代表,拋開傳感器尺寸、光圈和單個像素感光面積等參數不談,這幾款手機采取了劍走偏鋒的一招險棋——將傳統RGBG拜耳濾鏡(為了便于對比,下文將以RGGB描述)換成了“RYYB”濾鏡,將2個綠色像素(G)用黃色像素(Y)替代。

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和RGGB相比,RYYB可以減輕前者在濾色過程中所帶來的光之強度折損,可以讓進光量提升高達40%。以華為P30 Pro為例,該產品的ISO高達409600,是iPhone Xs Max的64倍!從而只需一絲亮光就能記錄下純黑環境下的顏色細節。

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問題來了,光的三原色是紅、綠和藍,也就是RGBG拜耳濾鏡的組成部分,而黃色只是印刷顏料的三原色之一(還包含紅色和青色),缺少了關鍵的綠色又該如何還原真實的顏色?

實際上,黃色是可以由紅色+藍色得來(R+G=Y),即黃色是綠色和紅色的結合,在亮度上是兩者的疊加。將三原色重塑后,RYYB CMOS在色彩原理上就將與RGGB產生根本性變化——RGGB光學三原色是加色法,表現的是吸收的光(綠色通道吸收綠光),R+G+B是白色,即吸收了一切光;RYB三原色是減色法,表現的是反射的光(黃色反射了紅光和綠光),R+Y+B是黑色,即反射了一切光。

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需要注意的是,RYYB濾鏡雖然可以提升進光量,但其本質卻是變相增加了紅色的進光量,從而提升了弱光環境下的表現。同時,由于黃色像素較多,偏色問題將難以避免,同時綠色像素的缺失也會影響飽和度。

因此,想要完美駕馭RYYB CMOS,背后需要一套更加強大的硬件ISP和更為成熟的成像算法支持。華為終端手機產品線總裁何剛就曾表示,為了保證RYYB陣列在調色方面的準確性,華為付出了整整3年的時間。但是,P30系列上市初期,依舊有不少用戶曝出了拍照偏色的問題,隨著后續固件的升級這個現象才慢慢變少。

小結

在智能手機的外觀設計、SoC和其他硬件趨于同質化的今天,誰能在影像之路上走的更遠,勢必可以顯著提升競爭力。而定制CMOS的濾鏡結構,就是現階段最能體現廠商技術實力的表現之一,而我們也期待會有更多的廠商可以拿出自己對影像的獨到見解,向傳統宣戰。畢竟,隨著AI技術的不斷革新,新一代成像算法已經足以彌補各種“猜色”和“偏色”的問題,也給了CMOS供應商和手機廠商更多發揮的空間。

 

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