21年之后，手機CMOS終于迎來了“終極答案”

圖書館三千零一 2021-03-27

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前言：拍照手機誕生已經(jīng)21年，但火起來卻并不久

2000年，一款名為J-SH04的夏普手機在日本上市。即便以當(dāng)時的眼光來看，這款機型的工業(yè)設(shè)計水平也相當(dāng)一般，既沒有流行的折疊機身，屏幕也著實算不上大，產(chǎn)品本身定位也不屬于當(dāng)時的頂級商務(wù)觸屏“PDA（個人數(shù)字助理）”。

但就是這樣一部其貌不揚的手機，卻創(chuàng)造了一個意義非凡的歷史。因為它是業(yè)界第一臺搭載了攝像頭的手機，也從此使得“拍照”成為手機彩屏多媒體時代的一個重要標(biāo)志。

當(dāng)然，早期手機上的相機無論是從硬件規(guī)格、還是實際效果上，都沒有比玩具強多少。再加上當(dāng)時的移動網(wǎng)絡(luò)并不發(fā)達(dá)，即便是少數(shù)“鍵盤機”時代的頂級拍照手機用戶，也不會有現(xiàn)在這種“隨手拍”與“影像社交”的習(xí)慣。

最早的拍照手機的屏攝和樣張

追溯歷史不難發(fā)現(xiàn)，雖然“帶攝像頭的手機”誕生已有21年之久，但消費者開始將手機作為主流影像記錄設(shè)備，真正普遍重視起手機的影像表現(xiàn)，卻是在最近這幾年才發(fā)生的事情。

從像素大戰(zhàn)到對焦革命，早期手機CMOS沒少走彎路

2010年伴隨著3G網(wǎng)絡(luò)的鋪開，一批早期安卓系統(tǒng)的智能手機開始進(jìn)入消費者的視野。在它們當(dāng)中，有一款機型的“畫風(fēng)”格外特別，這就是摩托羅拉的XT720。

與當(dāng)時熱銷的旗艦型號“里程碑（XT702）”相比，摩托羅拉XT720取消了家族式的側(cè)滑蓋鍵盤，同時將XT702上的500萬像素攝像頭升級到了800萬像素，同時更用上了高能耗的氙氣補光燈。很顯然，這是一款“為拍照而特化”的機型，而這個思路則反映了當(dāng)時消費者對于“更高像素”的追求。

索尼自家的Xperia系列，沒少被它獨占的高像素CMOS坑

與“核心數(shù)越多越好”類似，“像素越高一定越好”也是當(dāng)時消費者對于配置的一個常見誤區(qū)。受此影響，手機廠商也很快就開始了“堆像素”的技術(shù)進(jìn)程。從500萬到800萬，從1300萬到1600萬，再到2070萬和2300萬……在短短4年時間里，早期智能手機的攝像頭像素就“膨脹”了超過4倍之多。

但是消費者很快發(fā)現(xiàn)，快速增長的像素，卻并沒有帶來與之相應(yīng)的拍照效果改善。不僅如此，它還存在著低光效果極差、對焦速度太慢的兩大缺點。正因如此，伴隨著谷歌初代Pixel與三星Galaxy S7系列的發(fā)布，“大像素”與“全像素雙核對焦”兩個新的技術(shù)方向，很快就取代了2000萬級別的高像素CMOS，成為了新的寵兒。

1200萬像素的幾臺機型在當(dāng)時DXO榜單上力壓2300萬與2500萬像素的競爭對手

平心而論，無論是谷歌使用的IMX378，還是三星研發(fā)的S5K2L1，時至今日都依然算得上是非常出色的頂級CMOS。一方面，它們擁有比IMX220這樣早期高像素方案大得多的單像素面積，大幅增強了各種環(huán)境下的感光能力，有效地減少了噪點、色塊等現(xiàn)象，讓1200萬像素拍出了比過去2300萬像素更清晰的效果。而另一方面來說，三星在手機上引入的“全像素雙核對焦”技術(shù)，首次實現(xiàn)了幾乎不用等待的超高速對焦體驗，真正讓“隨手拍”成為現(xiàn)實。

當(dāng)然，這個階段的1200萬像素CMOS并不是沒有缺點，因為它們的傳感器面積客觀上來說確實比此前2000萬像素時代的CMOS普遍要小的。換而言之，雖然用戶體驗提升了，但也暴露出了2016~2018年前后，智能手機拍照設(shè)計在進(jìn)一步“大底化”的道路上難以為繼的瓶頸。

大底高像素時代來臨，但毛病也隨之浮現(xiàn)

2019年年初，隨著曾經(jīng)的紅米手機“轉(zhuǎn)型”Redmi，兩款全新的千元機也進(jìn)入了消費者的視線。它們就是采用了三星GM1的Redmi Note7，以及采用索尼IMX586的Redmi Note7 Pro。

客觀而言，Redmi Note7系列并不是最早的大底高像素機型，但它卻毫無疑問是第一個真正將“高像素”這個概念普及的產(chǎn)品。而它的出現(xiàn)，也標(biāo)志著“大底高像素”時代的正式到來。差不多半年后，Redmi Note8系列首發(fā)了6400萬像素主攝，而僅僅只過了幾個月，小米CC9 Pro與小米10系列，就將1億像素CMOS推向了主流市場。

與1/2.6英寸時代的1200萬像素CMOS相比，2019年的大底高像素CMOS最大的優(yōu)勢，就在于它們擁有普遍更大的感光面積（4800萬像素1/2英寸，6400萬像素1/1.7英寸，1.08億像素1/1.33英寸）。配合新的“四像素合一”設(shè)計，以及結(jié)構(gòu)更復(fù)雜的鏡頭，這些大底高像素CMOS往往能提供相當(dāng)不錯的夜景觀感。與此同時，尺寸上更接近于相機的大底，還帶來了一個額外的好處，那就是讓此類高像素機型的焦外虛化效果變得非常自然，甚至已經(jīng)完全不再需要算法來“模擬”虛化了。

大底高像素的背景虛化很美，但對焦表現(xiàn)確實受影響

然而此前關(guān)注過我們?nèi)咨钕嚓P(guān)內(nèi)容的朋友或許還記得，這個階段的大底高像素CMOS，在用戶體驗上也有著相當(dāng)明顯的缺憾。一方面，此類CMOS為了實現(xiàn)“高像素”，將單像素尺寸從1.4微米大幅縮小到了0.8微米，造成其真正打開“高像素”模式后，拍照的畫質(zhì)縮水反而相當(dāng)嚴(yán)重，遠(yuǎn)遜于此前的小底1200萬像素方案；另一方面，這個階段的高像素CMOS更是普遍取消了此前已經(jīng)在1200萬像素時代被充分證明有效的全像素雙核對焦功能，更是直接導(dǎo)致了從2019年到2020年，從入門級到旗艦機型在對焦體驗上的集體退步。

而能夠證明這種集體退步最好的證據(jù)，就是所謂“獨立微距鏡頭”的出現(xiàn)。要知道，過去IMX363、IMX333、S5K2L4這些全像素雙核對焦CMOS，是完全可以讓手機直接用主攝拍微距照片的，那為什么現(xiàn)在許多像素更高的機型要配備“微距鏡頭”呢？其實，就是因為大部分高像素CMOS喪失了近距離對焦能力的緣故。

高端CMOS“技術(shù)自救”，GN2或許就是終極答案

正因為早期的大底、高像素CMOS問題頗多，它們的“普及”于是就開始伴隨著一種奇怪的現(xiàn)象，即很多千元級機型會積極地采用6400萬，甚至是1.08億像素的CMOS，并以“超高像素”作為產(chǎn)品賣點。但與此同時，旗艦機型卻會在“主攝像素”上顯得更加謹(jǐn)慎，事實上許多旗艦產(chǎn)品現(xiàn)在使用的都是4800萬或5000萬像素的主攝規(guī)格，乍看之下“像素值”反而會比自家的千元機還要低一些。

小米10至尊紀(jì)念版，采用的就是“只有”4800萬像素的超大底方案

為什么會這樣？原因其實很簡單，因為這些旗艦機所使用的4800萬、或5000萬像素CMOS，與中低端產(chǎn)品配備的6400萬甚至1.08億像素CMOS，是完全不同級別的產(chǎn)品。在它們看似更低的總像素數(shù)量下，反映的正是廠商面對“大底高像素”風(fēng)潮的技術(shù)自救。

比如說最近剛剛曝光，小米與三星聯(lián)合研發(fā)的GN2 CMOS，就堪稱是體現(xiàn)了對此前整個手機拍照技術(shù)發(fā)展史的反思，以及對全部先進(jìn)、有效設(shè)計的“大統(tǒng)合”。

GN2有什么特別的？首先它采用了迄今為止已發(fā)布的手機用CMOS中最大的傳感器面積，1/1.2英寸的尺寸意味著幾乎已經(jīng)接近部分專業(yè)相機里的“1英寸”規(guī)格。但在這個基礎(chǔ)上，GN2僅僅只有5000萬像素，而這也就代表著這5000萬顆像素點，每一個的尺寸都達(dá)到了1.4微米，也恰好與1200萬像素時代的那些旗艦CMOS相當(dāng)，比現(xiàn)有的高像素CMOS主流0.8微米像素整整大了三圈。

并且GN2不僅僅是在單像素尺寸上重新致敬經(jīng)典，它還采用了一個非常特別的對焦/感光設(shè)計……“全像素八核對焦（三星稱之為Dual Pixel Pro）”。這是什么意思呢？簡單來說，首先GN2本質(zhì)上其實是一顆全像素雙核CMOS，也就是說它的每個像素點其實有兩個感光單元組成。這使得它不僅可以在“5000萬像素”模式下實現(xiàn)快速、近距離對焦，同時還能進(jìn)一步通過“四像素合成”，以八顆像素為一組的模式來實現(xiàn)上下、左右、斜向八方向的更強、更快的對焦和追焦效果。

除此之外，GN2還從6400萬像素的GW1上，學(xué)來了“雙原生ISO”技術(shù)。通過在CMOS上配備白天與夜晚兩套信號轉(zhuǎn)換電路，GN2在增強夜拍的同時，白天也可以避免大底CMOS常見的過曝問題。然而與GW1、GW2這些6400萬像素CMOS不同的是，GN2的兩套信號轉(zhuǎn)換電路還可以同時使用，輸出兩張ISO不同的照片，然后再合為一張。這就是此前僅在三星自家旗艦機型Galaxy S21 Ultra上才具備的“iDCG”技術(shù)么，而這也意味著GN2將有能力拍攝12bit，也就是688億色的超高寬容度照片。

你以為這就結(jié)束了？并沒有。除了回歸大像素設(shè)計、重新開發(fā)全像素對焦機構(gòu)、引入信號轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)外，GN2還專門針對視頻拍攝進(jìn)行特殊設(shè)計。其完美支持最新的堆棧式HDR曝光方式，而這是一種目前僅有驍龍888、三星Exynos2100，以及聯(lián)發(fā)科天璣1200這些最新旗艦平臺才支持的新型視頻曝光方式。它帶來的最大好處，就是能夠同時實現(xiàn)“高分辨率、高幀率、高動態(tài)范圍（HDR）”三大特性在視頻拍攝功能上的共存。換而言之，GN2不僅可能是當(dāng)前最強的靜態(tài)拍照CMOS，它的動態(tài)視頻攝錄能力也或?qū)⑹堑欠逶鞓O的水準(zhǔn)。

當(dāng)然，我們可以說GN2的這一整套設(shè)計，完完全全是將從2016年至今全部最好的、最成功的CMOS功能元素全部堆到了一起，并且摒棄了那些華而不實、對體驗不利的設(shè)計。從智能手機CMOS技術(shù)的發(fā)展史來看，它無疑是至今為止手機影像方面的一個“終極答案”，并且在未來很長一段時間里可能都難以被超越。

那么問題就來了，使用了這樣一款CMOS的智能手機，它的拍照實力究竟會有多強呢？或許我們并不用等太久，就能知道問題的答案了。