用了一堆黑科技，为何手机拍照还是差（CMOS篇）

【【【前言：传感器：手机拍照进步的最大功臣】】】

关于手机和相机拍照的那点事，前几天，我们已经讲完了【镜头篇】和【快门篇】——从中，大家相信已经看出，即使经过了好几年“突飞猛进”的发展，手机的摄像模组依然受制约于整体成本与体积，在光学与机械部分相较于传统相机（哪怕是不可换镜头相机）差距甚大。

那么问题就来了——这几年来“突飞猛进”的发展，到底发展的是什么呢？相信大家都猜到了，其实主要发展的就是相机传感器——昨天笔者就看到读者留言中有提问说，是否传感器才是手机和相机的最大差距——这种说法并不正确。事实上，现阶段的手机传感器经过几年几乎可以说是跨越式的发展，在某些新技术的采用上甚至超越了单反的传感器（注意只是技术更新，但并不意味着性能更优）。

相比之下，还是多年未曾有进步的手机镜头及快门技术，相对于相机的差距更大。只是因为这些差距比起传感器的差异来说更难量化，所以才会造成一般消费者的错觉，以为手机的镜头和快门并不如传感器那般重要——而打破这种错误的观念，正是笔者这系列文章的目的之一。因此，笔者很高兴大家能够提出疑问，我也将不吝啬为大家解答更多疑惑。

【【【像素不是关键，“底大”才能压死人】】】

要讲到手机传感器的进步，就不能不提到传感器像素方面的“大跃进”——从2000年仅具备10万像素的世界首款拍照手机夏普J-SH04，到2002年摄像头可拆卸的索尼爱立信T68i也才“进化”到了30万像素，拍照效果只能作娱乐之用，毫无记录意义。

之后又过了3年，随着索尼爱立信于2005年发布K750i，200万像素、自动对焦系统和氙气闪光灯第一次出现在手机上，独立快门键和专门设计的界面让手机的拍照体验第一次有了接近（当时的）数码相机的感觉。之后诸如诺基亚N93（2006年，320万像素，三倍光学变焦），N95（2007年，500万像素），索尼爱立信C905（2008年，800万像素），手机的拍照像素开始加速提升。

到了塞班末期，诺基亚808 pureview以4100万像素（冗余设计，实际有效像素3800万）以巨大的机背隆起为代价实现了至今没有被其他手机厂牌超越的解析度——但有趣的是，那时，移动社交已经兴起，808强悍的拍照实力反倒不利于社交传播，最终也没能拯救塞班、拯救“那时的”诺基亚。

808 pureview的像素数量直至今日也没有其他厂牌的手机能够超越——如果要说“手机中的单反机”，那也是非它莫属了——事实上当时诺基亚也确实请了不少摄影师来宣传808。那么，为什么时至今日，我们很少看到再有使用808或是之后的Lumia1020“代替单反”的呢？其实原因很简单，就是即便是到了如此“高像素”地步的手机，其画质和单反甚至是和单电都还差得十万八千里。

为什么这样说呢？稍微对相机有些常识的人都会听说过“底大一级压死人”这句话，这里的“底”指就是手机/相机的传感器，而“底大”则是描述的传感器尺寸。到底有多大呢？看看下面的这张不同传感器尺寸的对比图就知道了（注意，为了让大家看得清楚，图中传感器面积为近似四倍放大之后的大小）：

能明显看出，和高端相机（为什么我不说单反？是因为现在连中画幅都有无反相机了）使用的中画幅以及全画幅感光元件尺寸相比，手机上常见的1/3.06吋和1/2.3吋感光元件简直是小的可怜（你得在脑中将其缩小四倍，因为这是放大示意图）！

由于数码时代的感光元件们依然“遵照”着胶片机式的光学原理，靠镜头将捕捉到的光线投射到感光元件上来产生影像，因此问题就很简单了：越大的“底”，在光圈相同的前提下，单位时间所接受到的光线信息量肯定更多。此时，如果“大底”的像素数量和“小底”相近，那么每个像素的进光量（感光能力）大底都会更高；而如果“大底”选择和“小底”差不多大的像素面积，那么就意味着总像素数量“大底”传感器将会是数倍多于小底传感器——相较之下，成天将不到黄豆（绿豆？）大小的传感器相互比较大小的做法就显得如此可笑了。

当然，有的人可能要问：那手机上就没有真的大底了么？事实上从某种程度上来说是有的：譬如我们之前的文章中提到的松下CM1手机，就具备高达1吋的大型CMOS,而过去的一些老“拍照机”索尼爱立信K850i、诺基亚N95等，其传感器尺寸实际上比现在的手机也都要大得多。

为什么现在手机普遍“小底”呢？除了现在已经几乎不存在纯粹的“拍照专业手机”，厂商要综合考虑成本控制之外，那风行业界的超薄机身也是罪魁祸首：因为超薄机身设计，电池几乎占据了整个机身中下部的空间，哪还有位置留给巨大的CMOS以及闪光灯组件？

所以在“底”比起真正的“相机”小了不止一级的情况下，指望手机能有相同或者相近水准的画质、感光都是不现实的。

【【【天生底小怎么办：背照？积层？】】】

既然现阶段手机CMOS受到体积和成本的限制，本身完全不可能做到“大底”，那么它们为什么拍照性能还是在进步，甚至比过去的某些“大底”手机更强呢？这里面有着复杂的因素——传感器结构、数据传输带宽、图像处理器（ISP）性能的进步、合成算法的优化等等都起到了作用。但如果只挑出属于CMOS传感器的“解决之道”的话，那么基本上可以概括为两条：背照式结构、以及由高数据带宽所支撑的多帧合成算法。

背照式结构，全称“背面照射式CMOS”，英文缩写是BSI，Exmor R则是SONY专属的商品名称——其他厂出的背照式CMOS并不能用这个名字，不要搞错了喔。

从日推网友的技术讨论帖上，笔者找到了对背照式CMOS结构的一张解析图，以便大家能够直观地理解。简单来说，所谓“背照”，就是将原本布置在半导体感光层正面的电路，移到了感光层背面，这样一来，感光层没有了电路层遮挡，所接受到的入射光量就大大增加了，从而在不改变像素尺寸的基础上，增加了单个像素的感光能力。

那什么是积层式呢？由于SONY给积层式感光元件取了个Exmor RS的商品名，很多人以为积层式是背照式的“下一代”——其实不然。积层式并没有改变感光件本身的结构，它指的是电路板的设计——将原本排列在感光元件（CMOS）周围的其他辅助电路和芯片，“堆”到CMOS下面的电路板上去。

这样一来，积层式的好处就在于，它在电路板面积有限的前提下，可以作出更大的CMOS面积。但是，如果一个CMOS的面积已经被固定下来了，那么背照式和积层式区别的就只是整块电路板是“更宽扁”还是“更高挑”——对于CMOS本身性能是没有影响的。这也是为什么在单反等CMOS面积被规定好，而整机体积也完全够用的机器上，我们最多能看到背照式，看不到积层式CMOS的原因。

【【【相位对焦、像素隔离，那些厂商口中的黑科技】】】

我们平时看手机发布会的时候，常常会听到一些厂商声称自己用了一些“先进技术”甚至是“黑科技”：比如号称对焦很快的相位对焦（PDAF）、比如号称减少噪点的像素隔离（DTI）——这些技术是怎么来的呢？其实和手机厂商并没有太大关系，它们都是CMOS自带的特性——换句话说，手机厂商买了CMOS来用，相关的产品就会“自动”搭载这些黑科技了。

相位对焦（PDAF）是几十年以前就搭载在了单反上的技术，它属于被动对焦的一种，即需要感光元件有光射入，通过不同的相位对焦点之间成像角度的差异来测算被摄物的距离，从而调整焦距进行合焦。相位对焦相对于对比度对焦，好处在于对运动物体的距离检测更为精确迅速，而在静态拍照时，两者的性能表现并没有什么区别。如果拍照环境极黑，那么无论是相位对焦还是对比度对焦都将失去作用。这种时候就只有主动对焦技术才能发挥效果——比如说某些手机配有的激光测距对焦就属于主动对焦的一种，它独立于CMOS之外，不需要CMOS有光射入就能进行测距。

相位对焦原理图：通过不同对焦点的相差，估算出相对距离

过去，由于相位对焦的检测对焦点无法被内嵌到CMOS上，因此只有具备独立对焦传感器（大家可以想象成另一块CMOS，上面没有成像点，只有对焦和测光点）的单反相机才能配备相位对焦。而没有五棱镜反射分光机构的普通相机和手机自然就只能使用对比度对焦和主动（激光、红外）对焦。换句话说，相位对焦之所以别认为是“高端”，是因为它过去只能被用在单反上，而不是因为它性能就一定更好！

而像素隔离（DTI）的历史就没有那么“悠久”了：它最早出现在2014年的三星ISOCELL传感器上（没错，就是三星S5上面那个），其原理是在感光像素和上方的透镜之间用内部为镜面的“井”相连接。这样可以最大程度地确保每个像素点的受光之间不会相互干扰，从而减少噪点。

ISOCELL的理论思路相当不错，因此，当SONY和三星签订了技术合作协议之后，他们的CMOS也引入了这一光路设计，并且命名为像素隔离（DTI）。

只不过，当DTI被用到手机上时，它的实际作用有点尴尬：当外部光线强烈时，手机那低成本的镜头模组早在图像射入CMOS前就已经产生了可观的眩光干扰，即使CMOS有DTI结构，也无法把已经被“污染”的光信号分辨开来了；而当外部光线很弱时，DTI固然能增加一点点感光能力，但依旧拯救不了手机CMOS“小底”所带来的可怜像素面积。DTI只能解决像素之间的漏光干扰，对于像素本身感光不足所产生的噪点却无能为力。

【【【一己之力撑起两个业界，索尼大法真的好】】】

说了这么多，相信大家也已经注意到了，在介绍手机传感器的种类和技术时，笔者我几乎全部都有提到一个厂商，那就是SONY——这可不是单纯出于“信仰”，而是因为这两年的手机CMOS技术进步，确实几乎完全得益于SONY产品的进步。而且，SONY的传感器横跨单反、微单、卡片相机直到手机，几乎完全占据了业界主流，其他如东芝、瑞萨、OV等厂商，有的只能靠过去的合作关系留住客户（比如东芝和微软、和奥林巴斯），有的只能绕开传统相机业界，去做安防和监控领域（比如瑞萨），有的干脆就销声匿迹，落得个被收购的下场（比如OV）。

纵观SONY的CMOS产品线，某些经典型号大家都耳熟能详了：比如首创背照的IMX135,比如高速化，支持4K摄像的IMX214，比如开创手机拍照超高像素时代的IMX220……当然还有现在大红大紫的IMX298、IMX300（SONY自用）、IMX378等等。

不过，这里要纠正一点，那就是SONY CMOS产品的编号和性能关系不是太大，通过编号只能看出传感器的发布时间新旧，但却不代表性能高低。比如说，即将发布的IMX398，其“编号”是目前最大的，但是论性能，其实是IMX260和IMX298的融合版，在保持298相同像素的基础上，使用了部分IMX260的双像素对焦技术（IMX260是整个传感器都能双核对焦，IMX398反而只有中间一块可以，实际上是简化版的技术）。又比如说，SONY提供给松下、尼康的某些单反用CMOS，无论是尺寸、性能、工艺都远比最新手机用型号先进，但是它们的名称不过是IMX1xx，或者IMX2xx而已……

【【【“定制传感器”会演变成新一轮军备战争吗】】】

当然，前面说到，手机厂商过去大多是被动“购买”SONY推出的量产型CMOS。而这几年来，由三星（S6 IMX240、S7 IMX260）、HTC（10 Pixel IMX378原本是定制型号，之后才开放销售的）带头，一批有实力的厂商也开始尝试和SONY合作，按照自身的成本和性能需求向SONY定制传感器。譬如说魅族MX6、OPPO R9s都是如此。

这些定制的传感器在性能上肯定要胜过一般的公开市贩型号，价格自然也会更贵。但用上了更好的传感器，并不意味着就会有更好成像效果。正如我们之前给大家说过，镜头、快门、传感器、图像处理器、甚至于手机拍照APP好不好用、成像算法是否稳定可靠、手机屏幕颜色是否真实准确、手机内存和主控速度够不够支撑高速多帧合成等等，都会影响到最终的出片效果。

但是，对于手机厂商而言，“定制传感器”当然会是个很大的噱头，而它能否促进厂商改进拍照的其他环节，最终给消费者带来真正的影像革命；还是说，“定制传感器”会如同当今的主控“核战”一样，沦为新一轮“军备竞赛”，这就要靠历史的进程和大家的良知来检验了。

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