從RGGN到RYYB，手機感測器能逆襲單反嗎？

[PConline 雜談]本來嘛，我也沒拆過智能手機，不過上次為了證明魅族16s是否有點膠，確實過了把癮，將一台手機拆了個底朝天。四三認為在現在的智能手機中，攝像頭應該是物理結構最為複雜的元件之一，它通常是由PCB主板、CMOS感測器（Sensor）、固定器（Holder）和鏡頭（Lens Ass』Y）組成。但是實際上，主要負責拍照、錄像的還是由CMOS負責。寫這篇文章主要還是想科普下最基礎的像素點排列方式對CMOS的影響吧。

首先大家都知道攝影是用「光」的藝術，而光是要傳到感測器上話，則需要透過鏡頭的折射，鏡頭一般由透鏡（5片起步，數量越多越好，玻璃＞樹脂），再通過濾光裝置（以RGB原色分色法和CMYK補色分色法為主，後文將詳細解釋）打到CMOS，拍攝出你想要拍攝的畫面。至於其他不同的光圈和焦距則可以方便你在不同的場景中拍攝出景深和焦段好看的照片，許多廠商主打的OIS光學防抖則需要集成額外的馬達和陀螺儀元件進行輔助。

對於智能手機而言，許多廠商的終極目標就是擁有媲美單反相機的成像素質。然而，受限於CMOS的物理瓶頸，手機鏡頭普遍開孔只有8mm，這怎麼與單反專用的CMOS對決呢？所以為了縮小與單反相機之間的差距，只有不斷提升CMOS成像畫質這麼一條出路。玩攝影的都知道一句話「底大一級壓死人」。所以既然突破不了物理限制，那麼就走增加CMOS感測器的尺寸這麼一條路能不能行得通呢？

那麼問題來了，在現在最求纖薄的智能手機，與加大CMOS尺寸的發展方向是違背的，比如歷史上首台裝進了1/1.2英寸的諾基亞808?PureView，為了塞入這個1/1.2英寸的CMOS感測器，諾基亞808?PureView相機部分厚度17.95mm。所以作為今年主打的IMX586/IMX600還是IMX650，這些頂級超大像素感測器的尺寸也只有1/2.0英寸和1/1.7英寸，雖然比平常手機常用的那些1/2.X英寸的CMOS感測器來說算是「大底」，但是和專業的單反CMOS來比，那就是弟弟。

那麼來說說第二條路，提升CMOS感測器的進光量可不可行呢？因為增加感測器的進光量可以在相同場景下拍出亮度更高、銳度更清晰以及噪點更少的照片。對於CMOS來說，增加進光量的方法還是很多滴，比如增加感測器尺寸、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（某涼了的火腿腸?ONE?M7）。

然而，市場還是證明UltraPixel超像素攝像頭不被認可，同時鏡頭光圈和感測器尺寸也一樣，對於手機那可憐的8mm的小身位來說，F/1.6的光圈幾乎就是極限了。IMX586通過Quad?Bayer陣列（索尼提出的一個「四像素合一」的技術）可以實現等效1.6μm單個像素感光面積，更高端的IMX600感測器也才2.μm，依舊存在天花板。

在目前的科技樹條件下，要想PK單反，就只能從CMOS感測器的底部架構入手了。

開始介紹CMOS底層架構之前，首先先說說拜耳陣列，我們人眼睛能看到不同的色彩，主要是因為人眼上有可以感知不同頻光線的細胞，CMOS就是相機裡面可以感受不同顏色的「細胞」，只是我們稱他們為像素點，並以拜耳陣列（Bayer?array）的形式加以排列。

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最敏感，所以他嘗試在CMOS上方加入了一塊濾鏡，採用1紅2綠1藍（RGGB）的排列方式將黑白信息轉換成彩色信息，讓呈現出CMOS上的色彩更加接近人眼的視覺效果。因此，幾乎所以的CMOS感測器都採用了RGGB排列方式，也就是我們常說的「拜耳陣列」，或者「拜耳濾鏡」。

但是拜耳陣列也是有缺陷的，因為CMOS在進行光電轉換過程中無法得到顏色信息，拜耳陣列則是起到了分色的作用，光線經過濾鏡時，只允許同種顏色的光進入，紅光進紅像素，綠光進綠像素，其他顏色的光則被擋在門外，因此我們成像時，除了得到顏色外，還多出了一些明暗的信息。分色也會在過濾光線時候，損失一些光線強度，其他顏色信息也會全部損失掉，記住這是考點：全部。所以拜耳陣列加持下的CMOS是永遠無法百分百還原真實景物的色彩，只能無限接近於真實，人民為了得出最接近真實的顏色，則需要根據相鄰的像素點顏色信息來「猜出」這個位置上過濾掉其他顏色的信息，這種「猜色」環節則被稱為「反拜耳運算」。這也解釋出為什麼拍出的照片會出現「偏色」現象，這是在「猜色」環節中猜錯了。

說了這麼多，手機廠商應該怎麼改良呢？首先則是我們的RGBW結構的CMOS。

RGGB結構

上面也說了，人眼對綠色最為敏感，也因此拜耳才會在RGGB陣列上用上了2個綠色像素。那麼我們能不能將其中一個綠色像素（G）換成完全透光的白色像素（W）呢？所以第一款四色感測器誕生了，歷史上最早推出RGBW結構CMOS的廠商是omnivision（OV），摩托羅拉旗下的moto?X、Moto?Droid?MIni等產品都用過這類CMOS，只是當時摩托羅拉只將這個稱謂「clear?Pixel」技術。可惜OV在感測器市場以及摩托羅拉日漸式微，這種RGBW的CMOS感測器並沒有被很多人知曉。

真正將RGBW發揚光大的，則要推索大法的IMX278感測器（華為Mate8、一加3和vivo X7?Plus等採用這種感測器，而IMX298也是RGBW結構CMOS）。現在摘抄當年手機廠商宣傳口號「低亮度下感光能力可提升32%，噪點降低78%」因此被華為P8和魅藍6T等手機武裝上了。

RWWB結構

上面說了，扣掉一個綠色像素換白色像素就這麼強了，為什麼不再進一步呢？將兩個綠色像素換成兩個白色像素豈不是美哉。2015年，聯發科在發布Helio?P10時，就推出了一項稱為「True?Bright」的圖像引擎，這個技術的主要核心就是採用了「RWWB」結構的CMOS感測器，這種感測器將比RGBW感測器的進光量更大，可惜的是聯發科在發布Helio?X20時候還主打的這一個技術，直到現在仍舊沒有一款RWWB的CMOS出爐，我們可以將其稱為「薛定諤的感測器」。

純黑白結構

雖然聯發科的RWWB感測器還是是理論層面的存在，但是我們還可以拿來「借鑒借鑒」，比方說為什麼不丟掉拜耳濾色鏡呢？讓CMOS實現光線全透豈不是極大增加了CMOS的進光面積？於是，索尼推出了專業的IMX?Mono黑白攝像頭，擁有極高進光量，暗光環境下可以記錄更多暗部細節。

有利當然也有弊，去掉分色系統後，Mono黑白鏡頭無法記錄彩色信息，所以必須搭配另一顆彩色CMOS使用，通過雙攝 演算法的方式來獲得比傳統RGGB以及RGBWCMOS單攝更好的夜景拍攝效果。時至今日，這種黑白 彩色的雙攝組合還是非常的流行，單攝RGBW感測器則被遺忘在歷史的長河中。。。

RYYB結構

作為雙攝的先驅者，或者說市場選擇了多攝矩陣模塊吧，RGBW已經被市場淘汰了。單攝CMOS對於最求更高的進光量這個目標一直沒變，如何進一步完成拉近手機與專業單反（其他競品手機）在夜拍時候的成像差距，是現今智能手機的未來重點發展方向。華為P30系列和榮耀20系列應該算是時下夜拍效果最好的智能手機「班帶」了。如果不談感測器尺寸和光圈以及單個像素感光面積等參數，那麼這幾款手機幾乎是拿自己口碑去賭博，因為RYYB就是將兩個綠色像素（G）換成黃色像素（Y）替代。

和RGGB相比，RYYB可以減輕拜耳濾鏡在濾色過程中帶來光的進光量折損問題，同時可以讓進光量提升40%之多。以華為P30?Pro來說，這款手機的ISO居然可以達到409600，是iPhone?XS?Max的64倍！從而只需要一絲亮光即可拍攝到純黑環境下的顏色細節。

現在開始考試啦，上面在說RGBG，也就是最開始的拜耳陣列時說過，光是由三原色紅、綠和藍組成的，而黃只是其中之一，少了最關鍵的綠色又該如何還原真實的顏色呢？為此，黃色可以將紅色 藍色（R G=Y）來獲得，這也說明黃色是綠色和黃色的結合，在亮度上是由兩者疊加。所以將三原色重塑後，RYYB的CMOS感測器在色彩上將於RGGB感測器有根本性的變化，RGGB光學三原色是加色法，表現的是吸收光，什麼顏色像素吸收什麼顏色的光。R G B即是白色，白色會吸收一切光。RYB三原色則是減色法，表現的是反射的光，黃色反射紅色和綠色，R Y B是白色，黑色是不吸收光的，反射一切的光。

從理論來說，RYYB濾鏡雖然提升了進光量，但是本質還是變相增加紅色的進光量而已，從而提升在夜景拍攝中的表現。同時也因為黃色像素較多，會出現偏色問題，綠色像素的缺少也將影響成像質量，飽和度會出現問題。

華為想要完美駕馭RYYB感測器，則是需要一套更加強大的硬體ISP和更加強大的演算法。華為終端手機產品線總裁就表示，華為為了保證RYYB濾鏡的調色準確性，付出長達3年時間來調教。但是我們在剛開始評測P30的照片時候，就發現了會出現偏色的問題，隨後通過固件升級這個現象才慢慢變少。

總結

在智能手機的影像道路上，特定化的優勢會帶來顯著的競爭力。而定製的CMOS濾鏡結構則體現廠商技術實力的強悍，四三也希望有觀點廠商拿出自己對於拍照的獨特看法，挑戰傳統，實現手機戰單反的夢想。

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！