手机拍照也数毛,6400万像素GW1实测

2019-12-10 22:31:34 3点赞 2收藏 3评论

对成像器件来说,传感器像素尺寸是最关键的设计点之一,像素越小,光电二极管能“容纳”的光生电荷数越小,像素信噪比越低,也会提高有效成像所需的光照亮度,可以说从这些先天条件来说,小尺寸像素需要更复杂的设计才能扬长避短。对相机而言,即便2000万像素M43的单位像素边长也有3.3微米,而索尼A7R4虽然足足有6100万像素,但单位像素反而是更大的3.76微米,因此相机传感器凭借着明显更大的面积,远没有达到现有模拟电路设计的极限。而现有新技术的突破点基本都在采用小底的手机端,内置模数转换、背照、堆栈等新结构新技术几乎都是在手机端首发,即便是1/2.3英寸1200万像素,单位边长也只有1.55微米,为了实现更高的总像素数,现有最小尺寸已经来到了0.8微米,三星甚至已经公布了0.7微米技术,在结合更大面积传感器的情况下,已实现如1/1.33英寸1.08亿像素三星HMX这种规格的量产。所以,虽然成像质量与传感器尺寸正相关,但迭代周期明显更短的手机端才是最新技术的集大成者。

手机拍照也数毛,6400万像素GW1实测

不过,针对手机为什么要这么高的像素,或者这么高像素对手机小底有没有意义的话题一直没断过,首先第一个问题:高像素能带来实质性的高画质么?其实相关的简要数学计算在A7R4的文章里我就已经做过了,这里就不再复述,一颗F1.8镜头即便在可见光谱段的点扩散函数受制于衍射极限,可见光最长760nm波段的艾里斑半径也有1.66微米,0.8微米像素也刚好踩在奈奎斯特频率上,所以理论上依然可以发挥出高像素应有的高分辨率优势。而实用中的镜头几乎都是点扩散函数受制于像差,比如点列图半径达到了5微米,系统性能这时候是受制于镜头,需要有对应的数字校正算法。所以,即便是采用相同传感器的手机,搭配不同的镜头和算法也会有明显不同的性能,不能一概而论。

手机拍照也数毛,6400万像素GW1实测

今天测试的这颗三星GW1为1/1.7英寸41平方微米,总计6400万像素,也就上图中间那颗,像素单位边长0.8微米,支持Tetra模式(也就是与索尼Quad-Bayer相同的技术),默认四合一1600万且支持原生6400万输出,测试基于三星A70s。接下来看样张,首先是ISO 32、1/200秒的白天样张:

手机拍照也数毛,6400万像素GW1实测

上图为1600万100%放大,下图为6400万等比缩放:

手机拍照也数毛,6400万像素GW1实测

差别可以说是非常明显,6400万输出的高频细节远强于四合一输出的1600万像素,也基本看不到强制锐化,这说明A70s的镜头性能和算法都没有扯后腿,6400万像素的进步是很明显的,而且继续放大到6400万100%也依然不算差:

手机拍照也数毛,6400万像素GW1实测

所以如果是需要拍摄丰富的细节,比如想拿照片做做4K显示器壁纸或打印大幅面照片的话,6400万全像素输出会很有帮助。

第二项测试是HDR,像素合并最大的优势就是不用多帧就可以实现HDR效果,只需要四个像素分别以不同时间曝光再数字阈融合即可,显然,这意味着如果是全像素输出,单帧HDR就不复存在了,在相同曝光参数下,无论是傍晚:

手机拍照也数毛,6400万像素GW1实测


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还是夜间的高光暗部细节对比:

手机拍照也数毛,6400万像素GW1实测

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都能很明显的看出合并像素后的效果更为出色,所以对于GW1这种多合一像素传感器机型来说,在拍摄有大光比的风光照时可以使用合并像素模式,与全像素输出按实际光线条件混搭使用可以提高照片的实用性。

第三项测试是弱光性能,只要在极限灵敏度阈值以上的光照条件下,输出信噪比只与输出分辨率有关,再加上手机ISP必然会有相当强的降噪涂抹,也就是用锐度换信噪比,所以此项对比的差距就更小了,不信你们可以自己猜,在均为ISO 2500、1/10秒、F1.8的情况下究竟谁是1600万100%,谁是6400万缩放到1600万:

手机拍照也数毛,6400万像素GW1实测

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事实上现有手机传感器还会用上最新的像素栅格材料以引导更多的光子入射,同时多会配置双模拟增益电路设计,GW1也不例外,之前在A7R4文章里我也简单分析过。若要直观理解,就相当于在像素结构里多设计了一个晶体管,低增益模式下这个晶体管可直接或间接成为额外的电容器,从而提高像素阱容,提高了强光下的动态范围;而在高增益模式下它不会接通到浮置电容,弱光环境下光电二极管可更快累积到高电荷值,光电转换(累积光生电荷/电容)后就有较高的电压值,进而提升高ISO时的成像素质,所以即便是6400万全开,弱光下的性能也是堪用的。

至于夜景模式,A70s采用的是裁切中心1000万像素(也就是合并前4000万)并辅以多帧的方式实现,相对现有iPhone 11、华为Mate30 /P30甚至自家老大哥Note 10+的强力方案来说,效果只能算马马虎虎,但这显然是定位使然。

严格从光学角度来考虑,在传感器尺寸越做越大的情况下,最难以解决的问题是镜头如何同时兼顾小巧和大像场,现有1/1.7英寸级传感器以上机型RAW模式下都能看到非常明显的暗角:

手机拍照也数毛,6400万像素GW1实测

而这种暗角就只能以机内强吃动态范围的方式来补偿,换言之就是图像边缘区域会出现相当明显的噪声,下图为ISO 32拍摄JPEG并100%裁切中心和边缘部分,它们物距都超100米,都在景深内,所以差别并非由虚化引起:

手机拍照也数毛,6400万像素GW1实测

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很明显,边缘区域因强制提高亮度而导致信噪比大幅降低。除此之外高像素密度的相对大底也会引发最短对焦距离的设计难题,变通的方法是用小底的广角摄像头来作微距,甚至也有采用专用的微距摄像头的机型,如果想让大底主摄上微距,解决这些难题的共同方法就是加大厚度,但这又与手机轻薄化的设计方向背道而驰。

总体来说,至少A70s上的GW1用一个词来形容就是“能屈能伸”,全像素输出时能带来实打实的分辨率提升,而且照片文件体积(全像素10~20MB左右)不算巨大,输出也几乎没有延迟,优化得还算不错,而合并1600万像素时又有很不错的单帧HDR效果,能获取与传统千万级手机成像基本相同的素质,并且这些优点在弱光下也依然可以发挥,当然,分辨率的差距几乎只能在输出到外置大尺寸显示器上观看才会明显,HDR相对就直观很多。

最后我想说的是,手机成像传感器之所以要往高像素发展一是工业进化使然,二是长远目标绝不是“在手机上够用就行”,而且结合合并像素不仅没有舍弃已有的技术优势,其实反倒更容易发挥这些优势,但同时又拓展出了高分辨率应用的方向。所以,在不影响用户主观使用体验的前提下,高像素只有好处,没有坏处。

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