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手机拍照中的像素合成技术，从噱头到杀手锏

晰数塔互联网快讯
2020-01-20 09:42

编者按：本文来自微信公众号“三易生活”（ID：IT-3eLife），作者三易菌，36氪经授权发布。

前不久，我们三易生活曾撰文回顾了2019年智能手机在拍照上的“超高像素”风潮。在那个时候我们明确提出了，“超高像素这一设计并非一开始就好用，但其确实在2019年逐渐变得真正有价值了”这一观点，并且也得到了不少读者朋友的响应。手机拍照中的像素合成技术，从噱头到杀手锏

不过事后我们发现，在讲述超高像素手机拍照设计的相关技术进步时，我们多少遗漏了一个至关重要的部分。这就是现如今大家已经司空见惯的CMOS“像素合成”技术——正是它成就了超高像素手机的基础。但也正是它，给至今为止的超高像素拍照机型加入了不少毁誉参半的成分。

不可否认，像素合成最初就是个噱头

何谓像素合成？简单来说，它描述的是超高像素拍照手机们在实际拍照时，通用的一种成像方式。比如说一枚4000万像素的CMOS，按下快门的瞬间的确是4000万像素都感光了，但最终输出的时候，却是将每四个像素捕捉到的光线信息“合而为一”，输出1000万像素的照片。这有什么好处呢？厂商会告诉大家，通过把四个、九个、甚至十六个像素“合成”一下，就能获得等效更大的单像素面积，从而有效改善在暗光（夜间）的感光能力。

像素合成拍夜景是挺好的

但是这样一来问题就出现了，首先正如我们三易生活很早前就已经“揭秘”过的那样，至少到目前为止，超高像素手机的“像素合成”机制，可能并不像厂商宣传的那样仅仅只在暗光环境时才会启动，而是日常默认开启的。这就意味着，一方面实际上手机的硬件（处理器、闪存）其实并没有真正为超高像素的成像做好准备，另一方面消费者花钱购买的超高像素拍照产品，最终得到的实际照片分辨率只有其“标称值”的几分之一，未免有点“货不对板”。

但是即便在白天，你默认也不是使用全像素模式

如今的超高像素拍照智能手机普遍都会默认开启像素合成模式，而不是默认以全部独立像素工作。这就说明手机厂商其实明白，要想得到更好的拍照画质，“大像素面积”到底还是比“高像素数量”更加重要的。那既然如此，为何不一开始就直接设计大底大像素的传感器，还要先搞名义上的超高像素CMOS，然后再把它“合成”缩减像素之后来用，岂不是人为的制造噱头吗？

厂商也不傻，他们当然懂得亡羊补牢

是的，正如我们三易生活半年前对超高像素所提出的批评和质疑中所说的那样，我们认为作为超高像素拍照手机的“核心设计”，像素合成技术在最初诞生的时候其实相当鸡肋，而且还带有浓厚的噱头意味的。毕竟消费者并不能真正的、默认享受到他们所购买的手机上标称像素值，光这一点就足以令人诟病了。手机拍照中的像素合成技术，从噱头到杀手锏

但是既然我们都能看出早期像素合成技术的槽点所在，那么手机厂商和传感器供应商会没有自知之明吗？他们当然明白，光靠一个“等效大像素”是没法真正让消费者信服的。为此他们实际上也是花了不止一年的时间，来改进像素合成式CMOS的设计，并逐渐令这种结构有了更多和更实用的功能。

最早出现的，除了改善夜拍之外的功能设计是所谓的“单帧HDR”。众所周知，最初的HDR（高动态范围）照片是要分别拍摄欠曝、正常曝光和过曝的至少三张照片，然后通过后期合成才能实现“亮处暗处都能看得清”的高动态效果。这不仅使得拍照的曝光时间变长，而且还很容易因为手抖或者被摄物体发生移动，而导致合成失败或者合成之后画质下降。

可对于超高像素的拍照手机来说，因为原本“像素合成”就是要在一次拍照的过程中，把至少每四个像素的信息合成一个来成像。因此只要在感光的过程中，分别对四个像素中的两对或者全部四个设定不同的感光度（或者曝光时间），就能实现一次拍照，四次（甚至更多次）感光，自动合成HDR照片的功用，既降低了ISP的计算量，加快了手机出片速度，也大大避免了手抖对于HDR合成的画质影像。很显然，这就是对超高像素传感器以及“像素合成”工作机制的一种有效利用。

随着技术进步，噱头也可能成为杀手锏

不止如此，如果大家过去经常关注我们三易生活关于手机拍照的内容，可能会记得我们不只一次称赞过曾经的“1200万全像素双核对焦”CMOS。不过估计很少有人知道，其实1200万像素的双核CMOS之所以被称之为“双核”，是因为它实际上有2400万个感光元件，只不过是每两个感光元件共用一个像素井和像素透镜，因此被视为一个像素。这种情况下，单个像素井内的两个像素因为存在相位差，因此就能被用于进行对焦计算，1200万对像素全部参与相位对焦计算，这就是“全像素双核CMOS”对焦奇快的奥秘所在了。手机拍照中的像素合成技术，从噱头到杀手锏

单纯超高像素、四像素合成超高像素、全像素双核以及全像素四核结构的区别

很显然，这种设计当然也可以流用到如今的超高像素CMOS上。比如说索尼就开发出了一种干脆让四个感光元件共用一个微透镜的“2x2 On-Chip Lens”CMOS。它融汇了“多核对焦”与“多像素合成成像”的全部优势，既具备原生“四合一像素成像”结构，方便手机厂商做出高像素数量、大“等效像素面积”的产品，同时还具备了以往每一个像素对应一个透镜的超高像素CMOS所不具备的快速对焦性能。更为重要的是，与曾经口碑甚佳的“全像素双核对焦”CMOS结构相比，这种“全像素四核对焦”的因为同时具备水平、垂直和斜向三方向的相位差像素，反而还有望实现比过去的最先进对焦技术还要更好的对焦和追焦性能。