學會看手機樣張 細節後面的技術魔鬼 [夏昆岡]

《學會看手機樣張》可能寫成一下小系列，我們計劃從成像的一些量化和觀感指標上去讓大家學會分析樣張，分析其畫質、分析其背後可能用到的技術。我們儘可能用通俗易懂的方式描述，不知道反響如何，先來一篇有關細節的、之後可能還有HDR、防抖、EXIF相關的，以及實例解析。

解析力、細節

解析力、細節是被法師們經常提起的，其實差不多就是一回事。解析力傾向於硬體能力的描述，而細節說的是看到的結果，其實想表達的意思都是「看起來真清楚」。解析力和細節與像素井結構設計有關，與像素密度有關，也與感光器解析度有關，除此之外，還和鏡頭的光學素質有關。還和軟體有關。

像素井的鏡子

iPhone 6s 所採用的感光器的像素井改良設計

iPhone 6s 發布之時，提到了改進的像素井結構，它在像素井之間插入了「鏡子」，讓光線不再斜射到隔壁的像素井，這樣讓光線實現了更精準的捕捉，降低了像素井之間相互的影響，它對提高成像的細節是有幫助的。這個技術其實不是蘋果首發，而是三星，三星在自家ISOCELL感光器上使用了F-DTI[Front-Side Deep-Trench Isolation 前側深槽隔離]及VTG[Vertical Transfer Gate垂直傳輸]技術，其實就是一回事。

FSI、BSI和堆棧式

前照式[FBI]感光器結構

前照式[FSI]和背照式[BSI]感光器結構差異

背照式和堆棧式感光器的結構區別

古老的的感光器的感光單元結構，它從上至下的層分布為微透鏡、色彩濾鏡、金屬連接層、基板的受光面。這種結構叫做前照式[FSI,Frontside illumination]。前照式受光面位於像素井井底，光線入射角度較大時，受光效率會降低，處於感光器邊緣的像素井會受光不足，容易出現暗角。改良的結構是背照式[BSI, Backside illumination]，它將金屬連接層放置到受光面下方，這樣像素井變淺，能接受更大角度的入射光線。它的好處是不只是受光效率的提升，它還更好的支持了大光圈鏡頭，因為暗角和邊緣成像都獲得了改善。

堆棧式[Stacked]是背照式的一種衍生結構，它受光面中佔用面積的電路基板放置於受光面下方，在像素井面積沒增加的情況下，受光面積獲得提升。堆棧式對高密度像素的感光器成像質量的改進是相當明顯的，它已經成為當前手機感光器的技術主流。相機用感光器像素井結構也在逐漸在普及這些技術。

RGBW

感光器的拜耳陣列

傳統的感光器子像素結構是RGGB，即紅綠綠藍四個子像素構成。在子像素上層有個色彩濾鏡，濾鏡實際上是會影響透光率的。所以出現了RGBW結構，用一個白色的子像素替代綠色的子像素，理論上，白色的子像素可以更好的感知光學的明暗變化。另外還有OmniVision的RGBC，其實和RGBW是一個意思。三星也搞過更激進的RWB，即用白色子像素完全取代綠色。

缺失的綠色怎麼處理？靠軟體猜色還原，早期的演算法有問題，這種感光器的成像雖然看上去噪點確實少一些，但色彩看上去怪怪的，現在情況有了改變，RGBW在色彩表現上已經和正常設計沒什麼太大區別。

暴力的堆棧成像

當前的手機感光器都具有高帶寬高速度的技術特點，大部分型號可以輕鬆達到20FPS-30FPS的全像素連拍能力，甚至更高，這背後的技術支持是足夠的的數據帶寬以及強大的圖像處理器。

Microsoft 微軟 Lumia 950XL 智能手機-實拍-全尺寸原圖-野渡無人舟自橫

製造商=MICROSOFT;型號=LUMIA 950 XL;焦距=0毫米;等效焦距=0毫米;光圈=F1.9;測光模式=平均;感光度=ISO50;白平衡=手動;曝光補償=0.0EV;曝光時間=549/1000000秒;場景類型=標準;日期=2016.05.16 14:42:33;鏡頭=手動

手機感光器單個像素單元尺寸很小，採樣質量不高，但可以通過多次採樣來提升質量。一次採樣不夠，那就採集4次？甚至更多。通過堆棧圖像提升成像質量。它可以通過對齊、對比像素差別排異等方法提升細節保留量。Google Pixel、微軟Lumia 950XL以及iPhone等機型都可能使用了這種成像方法。

多幀篩選噪點示意

堆棧成像是多幀的一種，但並不是多幀的全部，多幀不一定是堆棧。大家熟知的多幀降噪，是堆棧成像的一種。

高像素

高像素就是王道，這是放之四海而皆準的真理，前提是不湊數。高像素有什麼好處？諾基亞早已指明了道路，就是超採樣。4個像素單一個像素用，自然一顆賽艇，這是硬體層面的超採樣。堆棧成像也可以視為一種超採樣的方法，這是軟體層面的。超採樣帶來的細節是明顯提升的，諾基亞808並不是為了實現4000萬像素這個數量，而是為了實現更好的800萬像素的成像，808的4000萬像素在100%展示時並不會比普通手機好多少。現在的手機感光器像素止步於2000W左右，作為硬體超採樣還不夠多。

還有一種理論上可以實現的硬體超採樣的方法就是雙攝像頭，目前難以解決的是視差問題，一旦實現，比單攝像頭有明顯優勢是可能的。但目前，畫質最好的手機都是單攝像頭設計的。這也說明雙攝超採樣存在理論和現實的差距。

大像素單元

經常看到手機廠商提多少微米的大像素。說的是大面積的像素單元，簡單的道理，越大越好。其中HTC愛說的UltraPixel，最大可達4微米，然而，UltraPixel在同時期的成像質量對比中，並沒優勢。大像素單元意味著像素密度的下降，它是雙刃劍，像素密度與光學解像度是有一定正相關關係的，低解析度一樣會導致細節不夠。又是大像素單元又是高解析度感光器有沒有，當然有，就是大底們了。

鏡頭

手機攝像頭鏡頭體積很小，結構簡單，量產規模大，所以可以做到降低成本，且保持良好的光學素質。手機鏡頭鏡片很小，可以使用一些相對昂貴的鍍層，大部分手機的抗眩光能力其實不比中高端單反鏡頭差，而解像度也保持了非常高的水平，這麼小的鏡頭要完成幾千萬像素的成像，不好是不行的。這些年成像技術的進步，與鏡頭光學素質的提升緊密相關。至於LEICA蔡司G頭什麼的，只是個標，這些品牌對手機鏡頭的技術研發參與度其實不高。

鏡頭矯正

使用傳統的前照式感光器，是很難使用大光圈鏡頭的。隨著堆棧式的普及以及機內處理水準的提升，使用大光圈鏡頭也不會出現明顯的暗角。因為新型的感光器對於斜射光更加友好，所以手機也在使用更大的廣角，在數年前26毫米的等效焦距還是稀罕物，現在成為很多主流機型的選擇。

這背後是機內處理的功勞。機內處理包括畸變矯正、色散矯正、去暗角等。這些機內後期理論上都會引起像素重排導致畫質下降，但新演算法把畫質影響降低到了很低的程度。現在的手機拍照，枕形失真球形失真都不再明顯，紫邊綠邊很少見了，而邊緣畫質有了顯著的進步。對比最近2年和以前的樣張，能明顯的看出這種巨大差異。

細節表現的進步是技術綜合的體現

細節表現的進步是技術綜合的體現，不能簡單的說，因為用了LEICA鏡頭所以好，也不能說我堆棧了因此我牛，或者我大像素單元，SO成像杠杠的。進步依靠累積，它基於硬體軟體技術的綜合改善，我們看到手機樣張時，如果能對其後的技術有所了解，將會更容易明白所以然，而不會被例如德味這樣的洗腦，國產手機在攝像頭硬體上不落後，但軟體則明顯落後，這也是與優秀品牌差距所在。在後續的文章中，我們會有針對樣張的實例講解。

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