為什麼說像素越高，拍照就越好
這篇文章主要來自我2015年回答知乎上的問題 如何評價魅族官方說「高像素等於好畫質」？ - 知乎 ，這次追加了一些料和說明。其實就這兩年的學習經驗，這篇文章還是有一些值得商榷的地方，比如此文評論中@麥克斯偉 大神提到的內容，大家可以去看一看。我們在談高像素「就是好」的時候，卻發現絕大部分專業高端單反沒有在走高像素路線，且三星近兩年的旗艦手機在攝像頭的解析度方面卻有著倒退，但這大體上並不妨礙這個論調的形成。
很多人被大量媒體（還有被HTC）洗腦說，高像素沒意義，要看也得看單個像素尺寸之類云云。這篇文章並沒有進行非常深入的探討，是我前兩年寫的了，主體上提供了一種思路。這篇文章針對的閱讀群體仍是大眾人群。
另外，隨著對「雜訊（Noise）」這個概念的理解深入，我們越發認為，不同畫幅的設備拍照，其畫質好壞很多時候可能不應該考慮像素尺寸，而應該考慮不同畫幅的圖像感測器前方的光圈究竟有多大的問題，這裡的多大是指光圈孔徑尺寸，而非F值——好比一個F1.8的殘幅鏡頭，一個F1.8的全幅鏡頭，為保持相同的取景視野，其光闌直徑相較，全幅相機會明顯更大。
不過這裡並沒有要深入探討這個問題，即便它對於佐證文章觀點甚至還有那麼點價值。
為什麼很多人說高像素沒意義
這其實很好理解，事實說明問題，就是很多超1000萬像素的手機攝像頭，拍出來的照片還不如某些800萬像素的手機（如iPhone 5s），甚至連高像素優勢所在的解析度都不及，這還不足以說明問題嗎？（而且2000萬像素？拜託那麼大，誰用得上啊！）
的確，探討相同尺寸的CMOS圖象感測器（比如大家都是1/3英寸），如果不在設計和工藝上做出改進，畫質是會變糟的。這就要談到可以讓很多人高潮的單個像素點尺寸了：一個800萬像素的1/3英寸圖象感測器，單個像素點的尺寸是1.4μm；一個1300萬像素的1/3英寸圖象感測器，單個像素點的尺寸是1.1μm。
在圖象感測器尺寸不變的情況下，被切分得越多塊（也就是像素數目越大），則單個像素尺寸越小，像素密度越大。像素密度越大，臨近像素產生串擾的情況也會愈發嚴重。什麼意思？看下面這張圖：
（圖1）
上圖圖左是兩個像素，一個感紅像素，和一個感藍像素。圖左就是串擾的情況，即外界光在穿過透鏡和色彩filter以後，它可能會穿越到其他臨近像素（此例中是原本屬於感藍像素的光穿越到了感紅像素）的感光二極體上——但這部分光本來是不屬於臨近像素的。這樣像素之間就產生了串擾。這會對成像造成比較惡劣的影響。
不止是串擾，還有一些問題。看上面這張圖，光線在抵達圖象感測器的時候，首先要經過上面的「micro lens」，也就是微透鏡。仔細觀察相鄰兩個微透鏡中間其實有個小間隔。想一想，如果外界光線是照射到這個小間隔的位置，那麼這部分光就浪費了（死在了半路上）。如果說像素密度提高，這種浪費會變得愈加嚴重。
（圖2）
還有在設計上更為現實的問題。比如說，每個像素並非所有區域都用來感光的，感光區域周圍有一部分是電路，如上圖左邊這個圍繞在黃色像素區域周圍的Circuit section藍色部分就是電路。1300萬像素1/3英寸圖象感測器單個像素尺寸肯定比800萬像素的小了，那麼這部分感光區域還要進一步縮小。手機級別的圖像感測器，那點可憐的像素尺寸本身就很無奈，更何況還要讓電路佔據位置。
其實像素變多，但設計不變的話，還會有更多的問題產生，上面列舉了幾個頗重要的。下面這兩張圖來自國外深度拆解專家Chipworks，對於各位同學理解「像素（Pixel）」的概念是有幫助的。
然而，這些問題都可以解決的
有關注過手機所用圖象感測器的同學，對於第一部分援引的這兩張圖應該都不會陌生。尤其是第二張，這是索尼用於宣傳自家堆棧式圖象感測器的圖片（但發明這種堆棧式結構的似乎並不是索尼）。就是如前文所述，既然像素周圍有電路，犧牲了感光區域的尺寸（像上面的X光圖一樣），那就把這個電路移到下層去，這樣上面不就有更多的空間拿來感光了嗎？圖2的右邊部分就是這麼做的。
這個設計其實的確是成效卓著的，尤其在手機這種圖像感測器尺寸小得可憐的設備上。索尼給手機所配的第一代堆棧式圖象感測器的典型代表產品是IMX135——這顆感測器在三星Galaxy S4手機身上發揮出了很好的實力。即雖然1300萬像素的單個像素點尺寸變小了，但每個像素的感光區域面積卻相較800萬像素沒什麼損失。所以各項指標相較上代800萬像素圖象感測器都有提升，不光是解析力。
這就是個典型的，在圖象感測器尺寸不變的前提下，提升像素數量，但畫質也跟著提升的例子。當然，這裡面還有一些可以拿來說的點，就是堆棧式圖象感測器是建立在背照式BSI的基礎上的。
背照式圖像感測器，或者叫BSI，其實也就是將色彩filter和感光層之間的電路移到後面去，這種方案也能一定程度解決串擾和光線利用率低的問題。可能很多人會奇怪，既然此種策略成效如此卓著，那人類早幹嘛去了呢？其實無論是背照式，還是什麼堆棧式，對製造工藝都還是有一定要求的，人類科技進步才有了這樣的基礎。
說到串擾，第一部分就談到，如果光線是斜著照射進像素，那麼很可能在經過微透鏡和色彩filter之後就穿越到其他像素去了（圖1）。解決這個問題的方案就如圖1右側那樣，在像素井之間加入隔斷就可以了，運用類似設計的像是三星比較著名的ISOCELL圖象感測器，還有蘋果iPhone 6s/6s Plus首次將像素數量提升到1200萬時，像素間也用上了這種隔斷的設計。實際上，現如今的絕大部分旗艦手機攝像頭都已經用上了所謂的像素隔離技術，小米還曾大肆宣傳過這種方案。
（索尼的DTI像素隔離技術示意）
至於第一段說到的微透鏡中間有個小間隔，這個問題也完全可以通過將小間隔去掉的方式來解決嘛，無非就是每個微透鏡覆蓋區域變大一些不就好了——當然這一步的邁進也並不像我們說得這麼簡單。
像素究竟怎麼設計本身就是一門藝術，比如charge well究竟多深，微透鏡曲率該是多少，感光二極體的形狀尺寸等等。隨著索尼、東芝（圖象感測器部門已經被索尼收購）、OV這類企業的努力，圖象感測器的設計都是在日趨完善的。並不像很多人想的那樣，像素數量和成像質量沒多大關係。而之所以要這麼完善，總體上是在朝著高像素的方向發展。雖然這樣的完善需要時間、精力和金錢，而且可能是大量資金砸進去。
你以為索尼、東芝真的那麼傻，在搞像素競賽忽悠群眾嗎？
高像素就等於好畫質！
當然，這個小標題是有前提的，要不然前面的內容也就白說了。前提一是ISP演算法和鏡頭用料相同的情況下，其次就是前面探討的重點，工藝需要提升。在這樣的前提下，奔著高像素去，是利大於弊的。
或許很多人會覺得奇怪，究竟何以要那麼高的像素，眼瞧著4K屏幕都還沒普及，4K屏幕也就800萬個像素，所以拍照要5000萬像素幹嘛？高像素的一大核心就是縮圖大法。什麼是縮圖大法？就是把2000萬像素的照片縮成800萬像素——索尼就很喜歡這麼干，Xperia好幾代的拍照高級模式，出片都是800萬像素，並不是因為考慮存儲空間，而是縮圖大法的奧義。圖片只要一縮，一切都變得更加美好了，為什麼？
舉個空想的有趣例子，如果說有兩個圖象感測器，尺寸都是1/2.3英寸（按照索尼2070萬像素的IMX220假定的尺寸），但它們的物理像素數目不同，一個是2000萬像素，一個是800萬像素。拍出來以後，我們將2000萬像素拍攝的照片尺寸縮成800萬，去和原生800萬像素拍出來的照片對比。只要工藝相差並不太大，縮圖後的照片必然比另一個直出片就是800萬像素的照片要高，為什麼？
數字照片拍出來都會有雜訊，尤其100%放大後可以看到各種悲催的問題，不管是拜耳結構排列本身的問題，還是感光性能不佳之類。如果說，能將多個像素合成為1個像素，那麼不管是何種演算法（假定是幾個像素取亮度均值，合成1個新的像素），其信噪比或者叫純凈度都會更出色。基於此，在信噪比的問題上，必然是2000萬縮成800萬像素的成片，比原本就只有800萬像素的直出片更好。這是「過採樣」原本就該有的優勢，高像素之所以應用「縮圖大法」，就是對「過採樣」的追求。
另外還可以考慮銳度的問題，這個在概念上並不容易說明白。通常我們認為，某個被攝物與周邊環境交界處相鄰像素的亮度反差越大，則銳度越高（銳度可一定程度反映清晰度）——人眼很多時候為什麼會認為某張照片清晰，這與銳度有很大關係，比如某個物體的邊界，與其周圍環境的像素的亮度差異比較大，則人眼通常會認為這東西拍得比較清晰。
如果作量化，可以說亮度從10%-90%需要經過多少個像素，這個值可以用以反應畫面銳度——經過的像素越少，自然就是銳度越高。一張2000萬像素的照片，縮成800萬像素，無論先前的銳度是多少，在縮了以後，亮度從10%-90%經過的像素數量都會變少，這就是銳度的提升。
所以，如果你需要獲得一張800萬像素的照片，必然是用2000萬像素的手機去拍，然後縮成800萬像素，可以獲得更好的效果，不管是在信噪比還是清晰度上。高像素的意義自然就能夠凸顯出來。要不然為什麼諾基亞要搞808Purview和Lumia 1020這種4100萬像素的手機（當然，它們還有一層意義是在於圖象感測器明顯更大）。究其本質，就是「超採樣」或者「過採樣」。如果說東芝定製一款1/1.2英寸的圖像感測器，卻只做了500萬像素，這是個怎樣的故事呢？
尤可類比的，有沒有聽過Lucky Imaging的說法？幸運成像。就是按下一次快門，相機實際拍攝好幾張照片，然後把這幾張裡面最好的選出來，或者將其中幾張最好的進行合成，算出一張最乾淨的——這也是一種過採樣。上述高像素的過採樣在原理上與此是一樣的，只不過層級不同，高像素的這種過採樣是「空間過採樣」。
另外，解決一個問題，很多人說。單個像素尺寸變小了，高感必然變差。我在去年寫的Lumia 950與iPhone 7拍照對比的文章中已經明確提到過，高像素的解析力優勢，在暗光環境下拍攝時可能會逐漸喪失，但也沒有比低像素設備更差，且在信噪比方面也有更優的表現。
有縮圖大法在，或許高感都不再是問題，只要圖象感測器是在上述理想狀況下。這其實非常好理解，再舉個不是很恰當，但易於理解的例子，Lumia 1020的圖象感測器單個像素尺寸實際是1.12μm，而iPhone 6的圖象感測器單個像素尺寸是1.5μm，如果把兩者所拍照片都縮到500萬像素的尺寸，顯然4100萬像素具備了碾壓性的優勢，根本無視什麼單個像素尺寸，足見縮圖大法的牛掰。
當然了，畢竟底大一級壓死人，Lumia 1020的底比iPhone 6大得多了去了。有興趣的各位可以去DxOMark看一看同樣是全畫幅的同代單反，在高感表現上，是否像素多少無甚區別（主要表現在DxOMark給出的Print輸出，類似於大家都把圖片縮成800萬像素，一旦如此，高像素總是有好處的），這更能說明問題。
到這裡，我幾乎又要再重複一次結論了，就是高像素就是好，高像素就是棒，雖然是有前提的，就是圖象感測器在設計和工藝上做得足夠到位，那麼高像素的確是會帶來好處的。
高像素的另一點優勢，很多人大概是忘了，Lumia 1020可以幹什麼？無損變焦，也就是截幅變焦。高像素帶來的另一個好處就是截取某部分，畫質也不會有太大犧牲，這對構圖，尤其是手機這種物理焦距不能變的設備而言顯得很有意義。或者說，像我這種常年要參加發布會的人，都是隨時要按下快門的，後期截取其中部分，高像素的價值自然能夠體現出來。
擴展閱讀，也是我寫的：為什麼Lumia 1020拍照在DxOMark排名中這麼差？ - 知乎專欄
超高像素可能會受制於衍射效應
其實圖象感測器解析度做得很高，首先需要鏡頭能跟得上，鏡頭自己也有解析力的限制，所以這兩者必須要搭配得宜才行：鏡頭可能會是一個短板。而且另一個問題是，高像素帶來單個像素點尺寸變小，對鏡頭而言，這會產生衍射效應的加劇。所謂的衍射效應，對成像不了解的同學大概沒怎麼聽說過。這裡說點常識。
有用單反的各位應該知道，鏡頭存在著各種像差，比如說拍出來的照片中央區域跟周圍的解析力有差異啦，或者畫面周圍有暗角啦，或者畫面有畸變啦，甚至顏色表現存在偏差，這些都可以統稱為像差。絕大部分像差是可以通過收縮光圈來改善的，比如拍的時候不要用鏡頭的最大光圈，將光圈收縮2-3檔，畫質會有明顯改善。
但有一類像差（或者也有不將之歸於像差的），會隨著光圈的收縮變得越來越嚴重，那就是衍射效應。用過單反的同學知道，剛開始收縮光圈，畫質會越來越好，但收縮到一定程度（如f/11），畫質又會開始下降，畫面的解析力變得越來越糟。這主要是衍射效應導致的。手機攝像頭當然不能改變光圈，但手機攝像頭的光圈孔徑本身就小，而且像素點極小，這會產生問題。
有個概念叫衍射極限光圈，意思就是當超過這檔光圈以後，再收縮，畫質就會開始變差。推論公式：衍射極限光圈=像素尺寸/(1.22x光波波長)，紅光的光波波長最長，所以紅光更容易產生衍射效應。這個公式里，像素尺寸也是個要素。
上面這種類似暈輪的東西叫Airy Disc愛里斑，衍射就會產生這種斑，不僅周圍的光暈對周遭像素產生影響，而且對解析力造成的影響更為嚴重。這個問題在單反攝影領域探討得很多，尤其是在如今全畫幅甚至APS-C畫幅的機子採用高像素的情況下。但在手機上，似乎從未探討過。
點到這裡就差不多了，有興趣的各位可以自行去對極限衍射光圈做深入的了解，這是光學對半導體的一種限制。我也沒有能力繼續做探討。這個問題大約早就在影響手機成像了（尤其像素超1300萬，光圈小於f/2.0的設備）。
最後回歸正題，結論：魅族的這種說法是不無道理的。但成像實際還涉及到ISP演算法、鏡頭這兩個重要的因素，尤其是ISP演算法。為什麼iPhone那麼多年讓800萬像素保持不敗之地，很大程度是因為ISP演算法極其優秀，這些就不做深入探討了。* 轉載請註明作者歐陽洋蔥，和出處周三科技
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