從 HUAWEI P20 淺談四像素合一技術

前言

對花家印象改變最大是從 HUAWEI P9 開始，較好的做工，有特色的徠卡色彩濾鏡都讓人印象深刻。上個月，花家更是發布了擁有 40MP 的 HUAWEI P20 Pro ，即使作為諾粉也頗為感動。

作為世界上第三款擁有 40MP 的手機，HUAWEI P20 Pro（下簡稱 P20P ）在技術上相比過去又有什麼突破呢？今天就淺談 P20P 感測器上提到的 「Quad Bayer」 四像素合一技術。

不過在此之前，你可能需要知道 P20P 不是世界上第一款採用該技術的產品。早在數年前，就有不少產品採用該技術。比如 iPhone 6 的前置，OV 爆款的前置，R11s 後置那顆 20MP ，還有 Nokia 7 Plus 前置。有關四像素合一技術，各家的叫法有不同。比如索尼稱作 Quad Bayer，三星稱作 Tetracell，OmniVison 稱作4-CELL 。

四像素合一是一種「硬體+軟體」的技術。

一、傳統攝像頭感測器

在了解四像素合一技術前，先簡單看看傳統攝像頭感測器的技術原理。傳統 CMOS ，採用的 RGB（RGBG） 結構，這個結構由拜耳發明，因此也叫做拜耳濾鏡。

由於 CMOS 本身並不具備辨別顏色的能力，所以此前的照片都是黑白的。拜耳的做法是，在每個像素上都加一個不同顏色的濾鏡，根據人眼對綠色敏感的原理，綠色的像素是最多的，使得每個顏色都能識別一個顏色。

但是每個像素只有一個顏色是遠遠不夠的，所以還需要通過後期演算法去猜色（反拜爾演算法），最後形成一張完整的彩色照片。

二、四像素合一感測器

隨著影像技術不斷發展，除了拜耳濾鏡以外，還有越來越多不同結構的感測器。比如 HUAWEI P8 採用的 IMX278 ，採用的是 RGBW 感測器，去掉一個綠色的濾鏡，該像素感測器上全部光線都可以通過，理論可以增加感測器的感光度。

而四像素合一技術，其實也是類似地使用 RGB 拜耳的排列，但是在具體像素上卻做了調整。它使用四個同色像素排列在一起，形成一個大的像素。

以 Nokia 7 Plus 和小米 Note 3 前置來說，它們都是使用 1/3.06 英寸感測器，16MP，1.0um 。以目前 CMOS 的工藝來說，1.0um 在光線充足情況下還可以（勉強）使用，但是在暗光情況下就會受限於小尺寸而感光不足。因此在暗光時，通過四像素合一技術，每個同色的像素變成 2.0um 。

但是當感測器以 2.0um 採樣時，得到了一最終生成的照片卻只有原來的 1/4 像素，也就是 16MP 感測器只能輸出每個像素 2.0um，總像素 4MP 的照片。然後通過後期演算法，重新分隔大像素，使得2.0um 大像素重新恢復到 1.0um ，這樣子整個畫面以 1.0um 計算的話又恢復了 16MP ，可是整個畫面卻有 2.0um 大像素高光的效果。最終實現了在小尺寸 1.0um 像素上實現了 2.0um 高感光的效果。

注意這個並不是插值，感測器物理像素就是 16MP ，不需要通過演算法增加像素，後期只是負責重新排列像素。

簡單來說四像素合一技術的大致工作流程：

1）感測器採用四個同色像素排列順序

2）暗光時，四個同色像素同時採樣，得到一張四倍感光的低像素照片

3）通過演算法重新排列像素，恢復原本小尺寸的單個像素，最終輸出一張高像素的照片

以上也可以解釋為什麼一些軟體檢測 Nokia 7 Plus 的時候顯示「前置400萬像素」。一方面是數據錯誤，另一方面檢測軟體僅僅以大尺寸同色像素作為單個像素，所以顯示400萬像素。（這時候是2.0um呀）。當然也可以自己買一台 Nokia 回來拆解，Nokia 7 Plus 前置是1/3.06，16MP。但是不是每個軟體都會完全使用到四像素合一自帶的「重新恢復像素」的演算法，所以也不排除部分第三方相機自拍只有 4MP ，但是前幾年 OV 已經超級多前置高像素產品，（比如 VIVO X7 開始就用四像素合一）所以主流拍照軟體都會適配。

之前也不少媒體吐槽 OV 前置都是插值，很大程度是因為他們都不知道這個技術的存在。而且早期的軟體，大部分都無法識別出來，所以才會有這樣子的誤會。 以三星 CMOS 感測器為例，部分型號的感測器，會有傳統 RGB 類型以及 Tetracell 四像素合一，兩種不同排列的可以選擇。

三、四像素合一技術的優勢

1）最明顯的優勢就是，在小尺寸高像素的感測器裡面實現了高感光。十年前，Nokia N95 使用1/2.5英寸感測器，5MP ，單個像素要比現在的產品大數倍（大概接近 3.0um 了吧？）。但是隨著感測器不斷進步，現在 1.0um 也能成像。在手機變得越來越緊湊的時候，小尺寸感測器的優勢就非常明顯。而高像素意味著可以實現更多好玩的功能，比如超採樣，同時也給照片後期帶來更多可能性。

2）利用四像素排列的優勢，可以通過控制不同曝光時間，最後合成一張更好的 HDR 照片。下圖來自索尼官網，介紹的是這款 IMX294 產品使用了 Quad Bayer 技術，以實現更好的 HDR 效果。

3）個人覺得「高像素」也可以成為商業噱頭之一。比如早年的 VIVO X9 ，前置 20MP 的 IMX376 ，也是採用了四像素合一技術。去年三星推出的 2X7 感測器，24MP，1/2.8，0.9um。VIVO的 V7+，Y79 就使用這個感測器。今年索尼也推出同規格感測器，IMX576，HUAWEI Nova 3e 首發，同理。前置2400萬耶，好厲害的樣子。

四、 四像素合一技術的劣勢

由於四像素合一採用了非傳統拜爾排列分方式：1）後期演算法中「猜色」環境中，在同色像素中猜色不如傳統拜爾排列的成熟 2）比傳統拜耳佩列多一個「恢復像素」的過程 以上兩點都非常考驗演算法的能力。加上單個像素其實在尺寸上確實感光不足，所以目前四像素合一技術一般作用在前置上。（前置對亮度要求高，但是對細節要求不那麼高）

但是也有例外，比如R11s後置那顆 20MP，而且還是夜間才會啟用的攝像頭，就採用四像素合一技術。（20MP，1/2.8，1.0um） OPPO 的做法是夜間通過四像素合一技術以 2.0um， 5MP 成像，然後恢復 20MP 像素，最後壓縮 16MP 輸出（前後 20MP 不代表後置自動模式有 20MP 噢）。

但是即使四像素合一技術也無法兼顧亮度和細節，畢竟感光真的有限，所以你看到 R11/一加5 系列產品夜間拍照會比同類都暗很多。

五、四像素合一技術展望

P20P 採用四像素合一技術，實現了高像素和小尺寸的平衡。在極小的機身中，放下巨大的感測器（40MP，1/1.7，大約0.9um），自動檔輸出 10MP 照片，意味著單個像素 1.8um 感光。高像素意味可以過濾噪點，實現純凈畫面。四像素合一技術輔助，可以實現高感光，更好的 HDR 效果。

但是四像素合一技術和當年 Nokia 的 PureView 技術，是不同的。這是兩個完全不同的技術（因為我看到了有媒體把 OPPO R11s 的四像素合一比作 Nokia 的 PureView 來寫）。倒是 P20P 通過 40MP 壓縮成 10MP （還有數倍感光的 Mono 實現合成）實現 27-80mm 的變焦（數字變焦），和當年的 PureView 的做法非常相似（哭哭）。

如果日後四像素合一的演算法越來越成熟，在常規像素下（12/16/20MP）能更好兼顧亮度和細節，說不定手機像素還真的會突飛猛進，大概以後 40MP 也會很常見了？

全文完。

（第一次寫專欄，可能存在一些技術上的理解失誤，希望大家溫和地指出。感謝！

參考網站：

1.三星CMOS官網：

ISOCELL Mobile Image Sensor | Samsung Semiconductor

2.三星發布2X7感測器：

Samsung』s New Image Sensors Bring Fast and Slim Attributes to Mobile and IoT Applications | Samsung Semiconductor Global Website

3.索尼IMX294感測器介紹：

IMX294CJK | Sony Semiconductor Solutions

4.OmniVison官網產品介紹頁：

Above 13 megapixels

5.OPPO R11S介紹頁：

【OPPO R11s | R11s Plus全面屏拍照手機】前後2000萬 拍照更清晰!-OPPO智能手機官網

圖片來自互聯網...