■性能飙升！盘点2020年那些摄像头新技术

从年初令人震撼的三星S20 Ultra百倍变焦开始，到小米10 Pro和OPPO Find X2 Pro双雄称霸DXOmark排行榜，我们发现今年发售的新手机在影像方面提升相当大。一亿像素、百倍变焦、多合一像素点等特性层出不穷。但相应的， S5KHM1、IMX 689、全像素全向对焦等专业名词也浮出水面，让人看得一头雾水。今天，我们就来盘点一下那些关于摄像头的新技术和新传感器，让大家了解一下2020年有关手机摄影的最“潮”技术。

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一亿像素
代表机型：小米10 Pro
说到1亿像素，大家最先想到的或许是活跃在影楼或是广告工作室的中画幅相机，体积巨大的它们虽然成像素质极佳，但动辄十万元的售价和复杂的操作让其难以进入寻常百姓家中。更关键的是，一亿像素由于像素值大，存储信息较多，一张照片就占用好几十MB的容量，不仅在日常使用中难以用到，而且在分享和存储过程中也不太方便，所以这类相机一般也只会出现在专业拍摄场景中。
直到去年11月小米CC9 Pro的出现，迅速拉近了普通用户与1亿像素的距离，让用户第一次感受到千万级像素无法呈现的照片细节。而当小米10和小米10 Pro发布后，标配一亿像素摄像头的机型将涌入越来越多的家庭，带给用户革命性的拍摄体验。当然，这一切都要从三星发布的ISOCELL Bright HMX（后用HMX代替）传感器说起。
去年8月12日，三星宣布推出全新的1.08亿像素的HMX传感器，这也是手机圈里首款达到亿万级像素的传感器。作为亿级CMOS ， HMX拥有1/1.33英寸的大底设计，其尺寸相比此前的三星 GW1、索尼IMX486等高像素CMOS要更大一些。要知道，感光元件越大，可捕捉的光子就越多，感光性能越好，能够带来更细腻的画质，分辨率自然就越高。不过在手机有限的体积中，感光元件的面积显然是有所限制的，这也限制了单像素大小和像素点的多少。我们可以将感光元件的面积看做是一个碗，每个像素点就像一粒糖，在碗的容积一定的情况下，你可以选择更小但更多粒的糖（高像素取向），或是更大但更少粒的糖（大尺寸像素取向），前者会带来更清晰的拍照细节，后者会带来更好的暗光环境成像表现。正是由于要均衡像素和像素大小的关系，厂商往往会选择“中庸”之道，在像素数量和像素大小中取得平衡，所以在高像素的追求上，自然不能放开手脚。

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▲小米10 Pro拥有来自三星的HMX传感器，最高可拍摄1亿800万像素的照片。
直到2017年三星推出四像素合成 (Tetracell) 技术，与传统的RGB (红绿蓝) 传感器不同，在使用了搭载四像素合成技术技术的图像传感器中，每四个拥有相同色彩滤镜的像素紧紧排列在一起。当手机在低光条件下拍摄时，该算法将每组像素中的信息和数据进行结合，最终将四个较小像素转变成一个较大像素，提高感光表现。而在在高光条件下，四像素合成技术技术将像素重新映射，通过被称为“像素重排技术”(Re-mosaic) 的算法变为传统的 RGB 模式，生成高分辨率照片。

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▲四像素合成可以在暗光环境下将四个像素合并为一个，从而提高感光度。
当更大的传感器面积和更成熟的Tetracell技术融合后，小米10 Pro既可以在弱光环境下输出2700万像素，带来更高的画面亮度。又可以在光线充足的环境下输出1亿像素，带来更精细的照片。值得一提的是，相比此前发售的CC9 Pro ，小米10 Pro完全没有了照片生成时间过长、多摄像头切换卡顿等现象，这是因为在更换了骁龙865旗舰处理器和ISP后，数据吞吐性能终于不再是一亿像素的瓶颈。分页标题

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▲在光线充足的环境下，传感器又会将像素重新映射，从而提高清晰度。
另外为了提升存储和分享的便捷性，小米10 Pro还支持全新图像编码形式—HEIF格式，它可以支持更高的压缩比，在保持图片质量的同时只需JPEG的一半体积左右。这对于用户日益增长的照片数量有很大的帮助，另外HEIF格式还支持了一些新型照片特性，如深度信息、动态照片、HDR等，而这些在当下的手机摄影中已经相当常见。

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▲小米官方公布的小米10 Pro在太空拍摄的地球样张
10倍混合变焦+百倍数码变焦
代表机型：三星S20 Ultra
随着科技的发展，手机除了在像素方面得到提升外，变焦能力也有了长足的进步。在去年发售的手机中， OPPO Reno和和华为P30 Pro的10倍混合变焦在某种程度上给用户带来了媲美传统高端相机镜头的惊喜，并且将数码变焦的规格提升到50到60倍。当时间来到2020年2月，三星发布的全新旗舰机型—S20 Ultra则将手机变焦能力提升至百倍变焦，这强悍配置的背后也隐藏着用户的好奇，三星究竟是如何做到的呢？

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▲三星S20 Ultra上搭载了迄今为止最强劲的拍摄模组之一
通常来说，镜头想要拍清楚远处的东西，就需要较长的焦距，而想要让手机镜头焦距更长则需要更厚的机身来容纳镜头。为了能让焦距尽可能长一些，最简单的办法就是加厚机身并让摄像头凸起，更厚的机身和更突出的摄像头可以容纳更长的焦距。但考虑到手机的厚度是有限制的，而希望做出更极致的科技产品，潜望式镜头此时便登场了。
潜望式长焦镜头的核心原理是通过一块棱镜将光线折射九十度，改为利用手机的长度空间来作为镜头变焦的空间，也就规避了机身厚度的限制。但要想实现九十度折射并达到优秀的成像效果并没有描述的这么简单，并且为何多款手机都使用了潜望式长焦镜头，只有三星S20 Ultra可以拥有100倍的变焦效果呢？这与该镜头所使用的传感器有直接关系。

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▲市面上搭载潜望式摄像头的先行者——夏普2004年发布的V602SH
三星S20 Ultra的潜望式镜头使用了来自索尼的IMX586传感器，其拥有4800万像素，传感器尺寸达到1/2.0英寸，并且支持OIS光学防抖。正是由于搭载了这颗素质极高的传感器，三星S20 Ultra通过AI计算并裁剪，可以实现4倍光学变焦、10倍混合变焦以及100倍的数码变焦。此外，除了通过AI计算和裁剪以外，三星S20 Ultra还从主摄像头庞大的一亿像素传感器中提取数据，并将其与远摄摄像头的图像数据结合起来以提供最终结果。S20 Ultra可以访问来自两个传感器的更多图像数据并将其组合在一起，从而实现“空间缩放” 。

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▲三星S20 Ultra的潜望式镜头拆解图
同是拥有一亿像素的传感器，三星S20 Ultra主摄所使用的S5KHM1要比此前的S5KHMX更进一步，在夜景方面拥有更好的表现。虽然两者的光圈、单位像素面积以及像素数量都一致，但HM1在四像素合成技术 (Tetracell) 技术的基础上升级为九像素合成技术（Nonacell），它可以实现相邻九个0.8μm像素合成模拟2.4μm大像素，输出1200万像素的图像，从而提升画面亮度。分页标题

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▲三星S20 Ultra主摄拥有像素九合一技术，可以更好地提高感光度。
当然，这并不是简单合成像素就能完成的，随着像素数量增多，相邻像素点的干扰也会增加，为了解决这一问题，三星采用ISOCELL Plus技术攻克了难关，其利用一种新材料代替此前像素间的金属屏障，可以使光线的损失和反射达到最小化。
专属定制
代表机型：OPPO Find X2 Pro
说到手机摄像头，想必大家脑海中立马会浮现索尼IMX系列的若干型号传感器。虽然决定拍照效果的因素有很多，不单单是CMOS ，还要看手机匹配的图像芯片、镜头镜片、合成算法以及基本的摄影知识，但由于传感器拥有其他硬件或软件难以比拟的作用，所以传感器的好坏也就成为手机拍摄能力好坏的重要评判标准之一。
从2011年发布的iPhone 4s开始，苹果公司开始在iPhone上使用索尼为其量身定制的感光元件。iPhone 4s、iPhone 5和iPhone 5c使用了索尼IMX145 ，这款CMOS拥有1/3.2英寸的面积，单位像素1.4μm ，最高可拍摄800万像素的照片。iPhone 5s则使用了衍生版的索尼IMX145 ，虽然还是800万像素的CMOS ，但面积增大到1/3英寸，单位像素提高到1.5μm 。凭借优秀的算法优化和大像素的帮助，使用定制CMOS的iPhone一跃成为手机摄影界的领头羊。虽然各大手机厂商都可以使用索尼IMX传感器的市售版，但想要让自己品牌的手机在拍照上独树一帜，那么就需要与CMOS厂商合作，加入自己特殊的需求，生产定制版感光元件，从而发挥出更好的性能。
在最新发售的OPPO Find X2 Pro上，其主摄就使用了OPPO与索尼一同定制的IMX 689传感器。该图像传感器尺寸为1/1.43 英寸，单像素尺寸 1.12μm ，在经过四合一像素技术处理后，可以达到2.24μm的尺寸，单像素尺寸在业内位居前列。相较于上代产品， IMX 689的感光面积增加了96% ，感光灵敏度提升了130% 。

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▲Find X2 Pro上搭载了定制的IMX 689

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▲IIMX 689尺寸很大，是目前手机传感器中的佼佼者。
除了在硬件规格上的提升，更重要的是IMX 689首发搭载了全像素全向对焦技术（4PD对焦技术）和双原生ISO技术。全像素全向对焦技术是利用Quad Bayer的四像素排布方式，让位置相邻的4个相同颜色像素共用1个片上透镜，可以缩小色彩偏差并提升传感器的成像性和暗光环境下的对焦成功率。也正是由于该技术对焦覆盖面积大，同时能维持高水准的对焦速度和精度，因此不少单反相机也搭载类似技术，用以实现对焦性能上的突破。

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▲IMX 689采用了新的像素构造，让四个相邻像素点共用一片上透镜，增强了对焦性能。

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▲传统的专用像素检测相位差的方式仅可以将部分少量的像素作用于相位差检测，而IMX 689上全新的像素构造可以让所有像素都做相位差检测，大幅提升了对焦性能。分页标题
而双原生ISO技术则让Find X2 Pro可针对不同的场景智能切换感光度，暗光采用高感光度，拍得清晰又抑制噪点，高亮场景下采用低感光度，呈现更多的细节又能提升动态范围和色彩表现。值得一提的是，通过提高ISO的方式不可避免会让画面噪点放大，这是感光元器件本身的局限。而通过双原生ISO技术，即DCG技术的双增益信号转换，能够实现暗光场景和高亮环境的感光度智能切换。
此外， Find X2 Pro还可以输出12bit超精图像，相比大部分手机输出的10bit图像，更高色深的RAW格式可以提升照片的后期空间、扩展动态范围。事实上，从高通骁龙810开始就在ISP端支持14bit了，只是因为当时的手机CMOS尺寸较小， HDR视频和HEIF照片等新格式不够普及，所以迟迟没有手机支持更高精度的图像采集，而随着手机影像技术的不断发展，将手机CMOS的图像采集能力提升到12bit是一件很有意义且必要的事情。
写在最后
【■性能飙升！盘点2020年那些摄像头新技术】虽然2020年只过了第一季度，但从密集的发布会中也能窥见今年手机发展的趋势。从发展方向上看，今年手机摄影的追求是大底、高像素、多镜头以及多倍变焦。而在已经发售的机型中，三星S20系列、小米10系列、OPPO Find X2系列以及索尼Xperia 1 II系列都已经用不俗实力坐稳了影像旗舰的身份，虽然在硬件配置上大同小异，但在影像发展方向上已经出现了明显的不同。不过它们代表着今年手机的影像实力新高峰吗？在接下来的几个月里还有更多的手机会与之媲美吗？且让我们拭目以待吧。