浅谈手机摄影及传感器发展

2023-06-05 酷安数码

作者 | FlowRay（酷友）

写在开头：这篇文章应该是今年开更以后的第三篇 CMOS 相关的文章了，有的写得还不错被大家认可的，也有无人问津的，不过还是决定有时间继续更下去，等我把我熟悉的东西写完了就会督促我学习新的内容。这次因为种种原因，我的资料都暂时打不开了，全凭我的印象在写，所以这篇文章可能会有些错误，不如以往的严谨性高。本文的所有内容均为个人观点，对于未来的预测也纯属个人猜测，如有雷同纯属巧合。

本文篇幅较长 (全文约 6000 字)，并且纯文字，请做好心理准备。

手机相机内卷已经不是现在的新现象了，不如说手机相机的内卷一直都在。我记得我有一台 01 年生产的三星 X199 翻盖手机，我的是不具备**头的，而有一枚 30W 像素的**头的顶配版则要高出将近一千块钱。在仅仅不到十年的时间里，手机厂商相机的水平一路直冲，出现了光学变焦（夏普的小体积方案），5MP 高像素等卡片机级别的技术。但是在下来的几年中，手机相机第一次来到了瓶颈期，手机的像素保持在了 8MP 的上限，而在那个百花齐放的年代，大部分厂商都选择另辟蹊径，索尼爱立信首当其冲，透明手机，Walkman 手机，各种神奇的机型都被设计出来。在那个瓶颈期打破僵局的，是三星和诺基亚。三星利用其在相机技术的积累，首次在手机上设计了卡片机同款的伸缩镜头；诺基亚则是利用东芝半导体的强大技术一口气将像素拉到了 41MP（尺寸也来到了 1/1.5’’）。不过这些都只是昙花一现，便携性决定了这些技术必然被淘汰。随着索尼在堆栈式传感器领域的高速突破发展，手机行业的相机内卷也告一段落，毕竟，索尼给安排的明明白白的。

之前的文章也聊过了 gen 级不同架构的区别，这里不再解释。gen 级基本上是由索尼来定义的，因为索尼半导体确确实实领先了业界一大截，比如 19 年发布的 gen5，gen6，至今是独一家。在基本控制了移动端 CMOS 的这几年里，索尼倒是一点都没闲着，不知道是早有预谋，还是索尼每次技术突破的时间都这么稳定，但是总体上来看，整个手机界确确实实处于集体的高速发展状态。

索尼早期最具有代表性的 CMOS 是 IMX135（1/3.06’’），也就是 XperiaZ 所使用的 CMOS。这颗 CMOS 是当时索尼最早发布的三颗 gen2 架构 CMOS 中的旗舰型号。其工程样本设计的思路则更为激进大胆，将传统拜耳阵列（RGGB）替换成了 RGBW 排列，首次让手机也能实现不错的夜间拍摄（大幅提升感光能力）。不过在量产版中，索尼来不及完成 RGBW 的优化，改用 RGGB 草草收尾上市。IMX135 搭载了 BME（Binned multiplexed exposure）技术，又名 iHDR。该技术在传感器上的间隔两行分别进行长短曝光，最终合成一张像素行数减半的图像（IMX135 输出 HDR 图像最大为 3.2MP）。该技术首次实现了可实时预览 HDR，因为同时进行了长短曝光，也有效改善了 HDR 带来的鬼影等副作用。唯一的缺点就是分辨率会因此减半。他的弟弟 IMX134 则引入了 dol-HDR，同为硬件级 HDR，但相对效果较差。BME 采用两帧图像进行并帧，而 dol-HDR 则需采用三帧。

IMX135 宣告着堆栈式传感器时代的来临，他所搭载的技术也让手机相机的发展，出现了一道转机。接下来的内容我将挑选一些比较有划时代意义的 CMOS 来讲，毕竟自堆栈式传感器应用以来，发展太快了。

既 IMX135 之后，索尼很快的又推出了一颗划时代意义的 CMOS。这颗 CMOS 当时没能掀起波澜，因为，他是苹果定制的 IMX145 (苹果从来不公开型号)，该 CMOS 首发搭载于 iPhone5S。这颗 CMOS 被公开在大众面前已经是后来的事了。IMX145 还拥有一个变种：IMX145-PDAF，就是字面意思，这个变种增加了相位对焦的功能，这也是首个支持相位对焦的 CMOS。同时 IMX145-PDAF 还是首颗全独占的定制 CMOS，也标志着 CMOS 未来的定制化大趋势，也标志着新一轮手机相机的差异化之战打响了。

由于 IMX135 的量产版离预期相差甚远，索尼很快的在之后的 XperiaZ1 中引入了 IMX220。IMX220 继承了 IMX135 的所有特性，并且直接将尺寸拉到了 1/2.3’’，手机上的大底之战正式拉开序幕。这里要科普一个知识，在小于 1/2’’的时候，一英寸按照 18mm 换算，而大于等于 1/2’’时一英寸改为 16mm 换算。如果将 IMX586 按照 18mm 换算，则只有 1/2.25’’，而 IMX220 的像素数量更少，这也就意味着索尼在 13 年推出的这款 CMOS 的感光水平已经接近 (在不考虑工艺区别带来的入射损失的情况下，仅做比喻) 了 19 年推出的公版 ——IMX586。

Lumia1020 所带来的的 41MP 大底之所以不能成为主流，则是因为他过于庞大的数据量，导致产生拍片一秒输出半天的致命**。而 IMX220 显然要做的更为保守，IMX220 的 20MP 相比 1020 的 41MP 压力小了很多，并且也带来了较大的单像素面积（1.2μm）。加上索尼自己设计的端口，大底也能继续**读出。随着高通的 **P 进步，XperiaZ2 首次在手机上实现了可实时预览的 4K 30fps HDR **录制。

这里补充一个插曲，大底，大像素，高速读出其实都是所有厂商已经考虑过很久的思路了，比如 HTC 当年就提出过一个方案，使用了更低像素的传感器，以保证单像素质量。但可惜的是那个年代，最高也就 8MP，相比之下 HTC 的方案就像是自寻死路，消费者并不能认可这样的方案，最后也和 1020 一样昙花一现。IMX220 就是基于各种方案后诞生的最优解。

短短的几年内，exmor 成功打败了 isocell 和 omnivision，成为了市场的主导，三星在 S4 和 S5 系列上的混用经验中也发现自家传感器的劣势。同样的方案，同样的架构，做出来的东西就是打不过。三星不得不在跟进研发的同时，改用定制的索尼旗舰 CMOS。IMX240 算是比较有代表的了，从各方面来看都算均衡，总像素**在 16MP，保证了单位像素依旧有 1.12μm，并且首次在安卓阵营引入了相位对焦。

同年，索尼在自家手机上再次引入超旗舰级 CMOS：IMX300，华为加入影像之战。IMX300 再次作为一颗划时代的 CMOS 出现，虽然在这里我还不能确认他是否是一颗 gen3 的 CMOS，但我可以肯定这颗 CMOS 的意义远大于是否首发新架构。IMX300 采用了可变画幅的设计，搭载陀螺仪影像防抖技术，最高支持五轴防抖（E**），标志了计算摄影时代的到来。可变画幅不同于裁切成片的方式，在维持高分辨率下依旧可以改变画面比例（CMOS 非标准 4:3 或 16:9）。IMX300 是索尼自用 CMOS 中首次引入相位对焦的 CMOS，并支持反差式 + 相位对焦的混合对焦模式，一跃达到了了业界最快的 0.6s 对焦速度。索尼后来曾在 X performance 上激进的取消了 4K 录制，将对焦升级为预测式混合自动对焦，再次大幅提升了对焦的精准度和速度，当然这并没有获得市场的认可，也是昙花一现。IMX300 不具备前代使用的 BME 技术，但原生 25MP（最大利用 23MP），默认**输出 8mp 的照片，这个过程中就进行了超采样，可以实现降噪，HDR 等效果。从某种意义上来说这也是后来多合一的雏形。华为进入影像之战的第一枪选择了 IMX278，看名字各位可能极其陌生，但是我换个叫法各位就明白了。前文提到的那个 IM135 的原型，使用 RGBW 的方案，没错，就是他。时隔两年，索尼终于把当年没完成的 RGBW 方案做好了。但是效果，不需要我说，市场已经给出了证明，华为 P8 并没有排上当年的摄影旗舰序列。毕竟当时的 RGBW 严格意义上来说，也算是个半成品，加之华为当时的算法积累并不怎么好，最终没能掀起波澜。

插个题外话，索尼的曲面 CMOS 也是在那个时期做出来的，不过放在现在的角度来看，应该是单纯的秀肌肉。良品率已经极低的情况下，曲面 CMOS 的稳定性也极低，甚至会因为环境因素导致 CMOS 出现碎裂。

2015 年可以说已经是很传奇的一年了，但是 2016 年初索尼继续发力，将 gen3 架构准时交付。三星定制的 IMX260 紧接着 IMX300 的步伐上市，首发搭载双核对焦技术（dual-PD），和 IMX300 的混合对焦也不分上下，随着后期的优化，dual-PD 的优势也逐渐显露 (优化好当然 dual-PD 更快)。IMX260 是我已知 CMOS 中首颗使用 gen3 架构的，也就是双层 DBI 堆栈技术。相比同期的 CMOS 也拥有读出速度的优势，最高支持 4K60fps 或者 1080P240fps 的**拍摄。其后还有改进型号 IMX333，依旧为三星定制使用。同期的华为继续加快追赶影像旗舰的步伐，引入了双摄融合的概念，使用两颗 IMX286 传感器，一颗 RGB 一颗黑白，进行计算摄影。不过 IMX286 的尺寸依旧不大（1/2.8’’），加上融合算法输出的图像只有 10MP（IMX286 为 12MP），使华为的影像之路仅仅能称得上探索，并不能称得上是合格的影像旗舰。但总之对于业界和华为来说，都是走出了新的一步。

索尼半导体也是没闲着，DBI 技术刚量产，反手又升级了 TSV 技术（详见之前 gen 级讲解一文）。2017 年，索尼的 Gen4 传感器 IMX400 横空出世，依旧为 1/2.3’’的尺寸，依旧拥有可变画幅，可以说继承了前代 IMX300 的所有特性，并且还优化了可变画幅，冗余像素减少至 20W。得益于 gen4 架构，索尼大幅改善了手机中的卷帘快门效应（果冻效应）。同样是得益于 gen4 架构，IMX400 获得了一项专业相机中的功能 ——960 帧慢动作，索尼直接丧心病狂的在 CMOS 中铺了一层 1Gbit 的 DRAM。次年，该技术下放给了三星定制的 IMX345，不过至今仍未有第三个厂商使用具备 DRAM 的传感器。其原因也很简单，从索尼自家的机型也不难看出，gen4 架构对于静态照片是没有任何帮助的，而对于三星这种**堆栈的计算摄影模式则非常友好。之前的文章中也说过，索尼最早的 DRAM 串扰严重，还有漏电的情况，IMX400 只能说是一次激进的探索，副作用则是带来了业界超级慢动作的内卷。这种副作用其实并不好，因为除了具备 DRAM 的机型都是插帧实现的，效果一塌糊涂。至于为什么不定制 gen4 架构的传感器，当然是因为**高昂，难以**优化，不如做个插帧算法来的实惠。至此，索尼的新架构传感器基本不再能对业界产生影响，导致业界开始向计算摄影发展。同年业界基本完全被索尼的 IMX400 压制了，多摄开始流行，大多数方案是增加一颗两倍（50mm 左右）的定焦镜头来进行融合接力变焦，也有小部分继续在打磨融合方案。华为就深陷计算摄影的泥潭，继续打磨黑白融合方案。而华硕则是激进的尝试了潜望镜式的真光学变焦。

2018 年，业界已经准备着手 5G 的开发，谁也没想到反而是这一年手机厂商扔出了一串王炸。打磨了两年融合的华为，突然醒悟似的，在 P20 上使用了 IMX380（12MP，1/2.3’’），P20Pro 则是激进的使用了 IMX600（40MP,1/1.7’’），大底重回**。仿佛致敬诺基亚一样，华为同样选择了 40MP 的方案，只不过这次 IMX600 使用的的是四拜耳阵列（quadbayer），在各方面都要远远均衡于 1020，可以说是当时最优秀的一颗 CMOS 之一。三星 **OCELL 同时技术重大突破，gen4 架构的 S5K2L3 横空出世，借助三星半导体的技术优势，三星在 CMOS 中铺设的 DRAM 体积更小，功耗更低，速度更快。这算是多年来三星首次追平索尼的 CMOS。(只能说从效果上来说，但是实际上索尼的架构更为复杂) S5K2L3 与 IMX345 的规格基本一致，由于三星 DRAM 层的优势，S5K2L3 实现了更低的串扰，效果优于 IMX345。然而 2018 年的精彩还不止这些，索尼借助自家在安全监控领域使用的技术，设计出了具有原生 51200**O 高感的 Xperia XZ2premium，至今这一记录无法被打破。索尼通过专门设计的 AUBE 芯片，实现了黑白 + 彩色的实时融合，将 IMX400 的原生 **O 翻了 4 倍，在 XZ2premium **可以实现手持不长曝拍星空，以及在低光环境下的**录制。顺带一提，这颗黑白 CMOS 为 IMX379，也就是同期华为 P20 的主摄的黑白版，堪称奢侈的配置。玩黑白融合的当然不止索尼一家，即使是借尸（HMD）还魂的诺基亚也设计了黑白融合芯片，不过配置就更激进了，使用了 5 颗 IMX386 传感器（2 黑白 + 3 彩色），通过算法能合成实现单反级的自然景深（无**深技术）等技术。此时厂商纷纷清醒过来，计算摄影的前途很广，大底也可以上手机，手机也能实现极端环境的拍摄，**头还可以更多。

2019 年作为 5G 元年，厂商纷纷推出了自己的 5G 商用手机，但也没忘记影像技术的发力。首当其冲的还是华为，在 IMX600 吃到了甜头以后，华为联合索尼，借助安森美的 RYYB 方案，推出了 IMX650（IMX600Y），并且 P30 全系搭载，通过华为的算法以及长曝堆栈，最高可实现等效 40W 的 **O。随着 quadbayer 在 IMX600 的成功，索尼也发布了公版 CMOS：IMX586，可以说 IMX586 是继 IMX363 后最热门的公版 CMOS，没有之一。通过四拜耳阵列，索尼也设计了 QBC（quad bayer coding）算法，比如可以实现 4in1 大像素，或者是片上 HDR。在 4in1 模式下，索尼使用每四个像素为一组，进行长，短，中三种曝光长度的同时进行，合成便成为 HDR 图像。三星自然也没示弱，同期推出了和 IMX586 规格极为相似的 S5KGM1，但是由于解 QB 算法未完成，实际上这颗 sensor 无法输出 48MP 的图像。不过索尼也不止这一手王炸，在甩出 IMX586 的同时还甩出了两颗中尺寸 CMOS：IMX445 和 IMX563。这两颗 CMOS 都是 1/2.55’’，12MP 的规格，分别首发了 gen6 和 gen5 架构。（详见前一文）。索尼在 gen6 上对读出速度进行了大幅度强化，丧心病狂的将 IMX445 的 DRAM 扩大至了 2Gbit，再次优化了果冻效应。IMX445 的读出能力，让索尼能在使用 dol-HDR 的同时，还能输出 4K30 帧的**，相当于在 4K 输出时，进行了每秒 90 帧的采样（仅为等效换算）。而 IMX563 采用像素直连，可以实现更好的信噪比（没有 DRAM 的串扰），同时理论上也能实现 gen6 同级别的读出速度。这点也在年底的 IMX608 上得到了证实，不过 IMX608 值得说的太多了，建议直接看我之前的文章。三星在年底也是甩出了另一张底牌，利用工艺的优势实现了更小的像素尺寸，做出了 1/1.33’’的尺寸，以及 108MP 的 S5KHMX，当然，HMX 已经支持 qb **了，可以四合一输出 27MP。虽然我个人很不喜欢这颗 CMOS，但我不得不承认，HMX 打响了手机端大底高像素的第一枪。不仅仅是 CMOS，手机的光学镜头也展开了一场博弈，华为和 OPPO 几乎同时推出了搭载 5 倍（约 120mm）光学镜头的旗舰手机，配合融合算法，可实现等效 50 倍的数码变焦。

接下来的 2020 年才过去不就，如各位所知，大底横行遍地，IMX586 转眼已经沦为了中尺寸 CMOS。OPPO 定制的 IMX689（1/1.4’’）首发了 2*2OCL （on chip lens）技术，顾名思义，在每四个像素上共用一个微透镜，在使用 4in1 的同时减少光损失，可以拥有更好的对焦速度等。三星推出了改进版的一亿像素传感器 S5KHM1，可以进行更合理的 9in1。华为联合索尼继续推出了新的 RYYB 传感器：IMX700，其 1/1.28 的尺寸无愧当年手机端最大底，50MP 的最大像素也保证了单像素的质量。IMX700 还有一个隐藏的优势，那就是最高 14bit 的采样，虽然不能直接输出成 14bit-raw，但是远高于输出的采样深度也能带来更好的动态范围。索尼和三星也推出了更大尺寸的新公版 IMX686 和 S5KGW1（均为 1/1.7’’，64MP），导致即使是千元机也加入了手机摄影的内卷。索尼自己则是推出了一颗 1/1.7’’的 gen6 大底：IMX557，具备业界最快 10ms 的读出速度，可以实现 20 张 /s 的 10bit 采样连拍，以及 4K120fpsHDR **录制。小米 10U 首次使用 OV 旗舰大底 OV48C，将相机端常用的双原生 **O 引入了手机端，使硬件级 HDR 的推进加快了一步。至于镜头方面，华为推出了 10 倍（240mm 左右）光学镜头的 P40Pro+，三星则是利用裁切 IMX586 配合 200mm 左右的长焦镜头实现同样的 10 倍镜头，而五倍潜望镜和中焦镜头也成了更多厂商的必备选择。

时间来到 2021 年，就是还没过去的这一年，想必我也不用多说了，夏普使用 IMX506 实现了手机体积下的一英寸传感器。小米使用三星 S5KGN2 和两枚 IMX586，实现三主摄。中兴推出原生 35mm 大光圈人文镜头。索尼使用 IMX663 的潜望镜，在一枚镜头上实现了 70 和 105 两个焦距。IMX766 成为新公版 CMOS 继续接替 IMX686 和 IMX586 的位置。VIVO 推出微云台，实现最大 3° 的补偿。vivo 和索尼引入高素质玻塑混合镜头。索尼使用 IMX478 一英寸大底裁切实现大底 + 超高速，配合前端 LSI 实现相位预测对焦，全镜头引入 12bit-raw。

··········

今年可圈可点的东西太多了，但是我不能盲目评价哪些是尝试，哪些又是必然趋势，加上资料公开程度低，便也不便多讲。纯人肉数据库，不足和偏差请谅解。

在即将开始的新一**战中，我不难推测大底依旧是主流思路。比如一直盲目追求大底的小米，现在已知有一颗和 IMX700 规格类似的大底，而 Ultra 上则很可能采用一英寸的 48MP 或者 50MP 传感器，副摄则也应该从 IMX586 升级到 IMX766 或者 S5KGN5。OPPO 则是已经在前置试水了新一代 RGBW 方案的 IMX709，后置很可能使用三主摄（3*IMX766 或 IMX789）。VIVO 则很有可能推出之前展示的光学变焦潜望镜，并且会继续打磨微云台。至于最受瞩目的华为，因为制裁以来并没有太多定数，Mate50 则很有可能采用之前说的 96MP 或者 80MP 的 IMX800，而欧菲光一年多前就试产成功的光学变焦潜望镜应该也能一起安排上。明年的大部分 CMOS 应该具备 12bit 的输出能力，相位对焦也是标配，在主摄提升困难的同时，我认为未来的方向是提升副摄的素质。

手机摄影发展至今的目的不是取代相机，而是让相机的主要功能 —— 记录，以一种更为便携的方式出现在我们的生活里。而手机所能容纳的硬件也是有极限的，这个极限在未来几年内也很快就会达到，到时候手机影像会再次进入瓶颈期。未来会怎么样没有定数，我们只能享受科技带来的美好当下，就像手机摄影的初衷一样，记录生活，珍惜容易错过的每一个瞬间。

文章为作者本人观点，不代表酷安立场

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