拜耳传感器 手机摄像头最好选择？ 点评索尼IMX214

手机摄像头最好选择？ 点评索尼IMX214

| 责编：商皛

IMX214这个名字想必大家已经听说很多次了，虽然看起来很复杂但是他却是索尼半导体产品中非常好记的一款，IMX代表着他采用了CMOS工艺制成，而214只是一个单纯的序列号而已。IMX214之所以被那么多人记住无非是因为众多手机厂商在自己的发布时把他拿了出来，当然同时出现的还有“世界最佳”的名头等等。那么这个世界最佳是否符合事实呢？就让我们往下看吧。

其实提到索尼IMX214笔者一直觉得是个有意思的事情，很显然现在全球工业化的背景下，一个厂商如果没有几十家世界知名的供应商那是不可能的事情。不过能把供应商大肆拿来宣传的也只有手机市场了，尤其是国内某些手机厂商的新品发布会，连续出现50个其他人的Logo，我只能说你们的关系真的是够好的。

锤子发布会上的IMX214

在这样的背景下，索尼IMX214被拿到台面上也就成了显而易见的事情，当然与他同时出现的还有诸如“最强”、“最优秀”、“最好”等等褒奖之词，不过现实总是很可惜，我拼尽全力在索尼官方的日语以及英语2种语言的文档中搜索，无奈索尼对于这类形容词真的很吝啬，这我就没办法了。当然了，索尼的吝啬并不会影响IMX214的地位，而今天的文章讲述的依旧是IMX214这款产品的事情。

到底什么是积层式传感器

说到IMX214就要说说什么是积层式传感器，积层式传感器又叫做堆叠式传感器，他是在背照式传感器基础上的一种改进工艺，按照不同人的说法，这已经可以算是背照式传感器出现后的第2，或者第3代工艺了，而他最大的优势就是集成度更高（因为大量电路放置在了底层），表面感光能力更强（也是因为大量电路放置在了底层）。至于他具体是什么，笔者觉得其实那不重要，而且我也难以在很短的篇幅内说清楚这件事情，所以我们就来谈谈他的特性好了。

积层式传感器的官方结构说明

事实上现在的积层式传感器还分为2类，一类是采用了积层式的表面结构设计，具备更好的灵敏度（也就是感光能力），他仍然以IMX为开头，先后2款1300万像素产品IMX135以及IMX214都属于这个东西。而另一类积层式以ISX为开头，目前曝光的产品为ISX014，他最大的特点就是在底层加入了完整的处理器（ISP），也就是我们只需要加入简单的接口电路，就可以直接读取到完整的照片。前者是现在的商业化主流，至于后者目前还在观望当中。

积层式传感器开始使用了RGBW四色设计

最早的积层式传感器采用了RGBW的四色设计，这种设计对于传感器整体的信噪比提升是很有意义的，但是却会造成部分颜色信噪比过低，所以量产的积层式传感器全部采用了标准的RGB拜耳阵列设计。所有的积层式传感器全部是由背照式传感器结构改进而来的，所以所有积层式传感器都是背照式传感器。总的来说，积层式传感器是一种改进结构的传感器，感光部分所占比例更大，底层扩展能力强，是目前最为复杂，也是最为先进的传感器形式，但是注意，这并不代表着他有多好。

IMX214到底比IMX135强在哪

然后我们来说说IMX214相比上一代产品IMX135到底强在哪了，首先在技术层面上，IMX214并没有什么明显高于IMX135的地方，虽然IMX214采用了全新的色彩滤镜工艺以及后端电路，但是在感光材料部分，IMX135与IMX214使用的是几乎一样的工艺，再加上IMX135已经是当时最先进的工艺，这也就意味着IMX214的理论画质（信噪比、灵敏度等等参数）只可能微弱的领先IMX135。

IMX214提供了更好的HDR效果

那么IMX214真的是没有进步嘛？显然是不可能的，他最大的进步就在于后端电路（读出电路）的改进，上一代产品IMX135只能实现1080P分辨率，每秒钟30帧的输出能力，也就是刚好满足全高清的标准，而这一代产品IMX214却可以实现高达1300万像素（1080P每秒钟只有207万像素）每秒钟30帧的输出，更可以轻易满足4K标准的每秒钟30帧以及1080P标准的每秒钟60帧的采样能力。虽然4K仍然是个可望而不可即的东西，但是采样4K视频，输出1080P可以让视频清晰度拥有极大的提升。

IMX214提供了更高的采样能力

除了采样能力以外，IMX214仍然有着不少其他方面的提升，比如全新的滤镜结构（缩短了滤镜与感光电路部分的距离，日文低背化结构）让传感器对于侧面来光的敏感度提升了接近10%的数字，全新的读出算法让HDR模式下的分辨率有了极大的提升。总而言之IMX214极大提升了采样效率，而且也改善了不少细节上的东西，但是这些都改变不了这款产品只是一个小改进型号，仅此而已。

IMX214真的是最强吗

这里边我们就又回到了一个问题，IMX214真的是最强吗？毫无疑问，他采用了目前传感器当中的最尖端技术，目前量产的所有传感器在工艺水平上全部逊于这款产品。而且IMX214符合目前手机产业的绝大多数主流需求，对于4K视频、HDR这种“新鲜玩意”也有非常全面的支持，就这点上来讲很是不错。

传感器的面积非常决定画质

但是他仍然有一个硬伤，那就是传感器面积过小，无论这款传感器有多么的优秀，他的单位像素尺寸仍然仅有1.12μm，他的传感器整体面积仍然只有1/3寸那么大。如果他要与1/2.3寸的主流小型相机相抗衡，那么他每个像素的感光能力需要比大尺寸产品高60%，换算成年代工艺大约是6年。而现在新品相机谁会使用6年前的传感器呢？

手机受限于镜头厚度传感器很难做大

所以说IMX214不是最强的，因为他的面积只有1/3寸，这也就意味着他的画质只能在特定条件下接近1/2.3寸的产品，而永远不可能超得过。再加上手机行业本身在影像技术方面不够成熟，后期算法对于画质的影响颇为巨大，所以说IMX214的画质绝对算不上优秀。不过我们也得承认IMX214是目前采样能力最强，功能最为全面的传感器，只是画质仍然有些缺失而已。

到底有谁在画质上比IMX214强

既然说了IMX214不够好，那我就得说说谁比较好了，虽然大家都以拍照作为自己的宣传点，但是真正在拍照上有优势的手机并不算多，在结论这一页我们来说一说到底有什么手机真的在拍照方面有硬优势。而所谓硬优势，就是传感器面积要比一般手机大一些。他们分别是苹果iPhone5s、诺基亚808、诺基亚1020、诺基亚1520、索尼Z1、索尼Z2、金立E7、三星S4 Zoom、三星K Zoom、IUNI U2。

诺基亚808绝对是拍照神器

这些产品当中最差也使用了来自OmniVision的1600万像素1/2.3寸背照式CMOS传感器（iPhone5s的特规产品除外），而最好的808传感器尺寸高达5/6寸，如此的尺寸优势自然会让很多小相机感觉到汗颜，对于那些1/3寸的传感器来说更不是问题了。所以说如果亲们真的想要一台拍照足够好的手机，还是在以上这份名单当中选一个吧。当然我们不能否则IMX214本身是个很优秀的产品，但是今天笔者必须说，采用这款传感器的产品往往不会太大，但是永远到不了优秀的水平。

三星GALAXY K Zoom则提供了很大的便利

最后笔者要说的是，手机摄影最大的价值在于它的便利性，按照目前技术发展的进步速度来看，手机的画质想要追上目前的入门级单反，大概需要30年左右的时间，但是被抛弃的永远只可能是单反，对于照片来说，分享才是重中之重，手机摄影之所以能够大行其道正是因为他的快速便捷的分享，而不是他真的有多出色，IMX214的确是个代表画质的好符号，至于世界最佳什么的，就让我们一起忘了他吧。

附：堆栈式传感器 别逗比了

其实这里的内容已经和传感器本身没关系了，需要说的是，“堆栈”式传感器，长久以来我们一直对这个产品这么称呼，就如同他的日文名字：積層型CMOS，英文名字：Stacked CMOS一样。但是他真的应该叫做“堆栈”式传感器嘛？说到这个问题我们自然就要从什么是“堆栈”说起。

基层是传感器日文资料

堆栈其实是2个东西，他是计算机语言里边的2种数据结构，堆、栈，此外这2个词用在一起的时候还有一个特殊的意思，那就是一种“单向进出，先进先出”。生活中的堆栈颇为常见，最典型的就是我们每天都要乘坐的电梯，当然了中国的电梯往往比较宽，足以2个人同时进出，所以也就无法形成堆栈了。

基层是传感器英文资料

很明显堆栈只能是一种东西，或者是一种行为，他根本无法作为形容词去描绘任何东西，不过堆栈的英文很恰好就是stack，stack与stacked的关系大家都知道，再加上堆栈这个词拥有无比高大上的计算机含义，所以在某一次意外的发布会当中，这个词就流传开了。事实上在索尼之后发布的仅有一些官方文档当中，他们只把这类型传感器称之为“堆叠”式传感器，“堆栈式传感器”这个名字从未出过过。

基层是传感器最早的中文消息

其实这件事情笔者也很羞愧，毕竟我也有差不多1年的时间这么称呼过他，能让我发现这个问题也是非常非常的巧合。在这里我非常抱歉将错误的信息传达给那么多人，作为一个媒体人如此的失职实在是有愧我们的职业，我也希望大家从此不再使用这个错误的称呼去叫他。

索尼IMX214是一个最近被频繁提起的名字，在我们今天的文章当中，我们就来说一说这个产品到底有什么神奇。

商皛

RYYB传感器是个什么鬼？手机镜头能否靠它逆袭单反？

在智能手机的各个组成部件中，摄像头应该算是物理结构最为复杂的元件之一，它通常都是由PCB主板、CMOS传感器（SENSOR）、固定器（HOLDER）和镜头（LENS ASS′Y）构成。

CMOS传感器（SENSOR）

其中，镜头又是由透镜（5片起步，数量越多越好，玻璃材质优于树脂）、滤光装置（以RGB原色分色法和CMYK补色分色法为主）和镜筒组成，不同的光圈和焦距可胜任不同的拍摄环境，如果想支持OIS光学防抖，还需集成额外的马达和陀螺仪等单元。

来自CMOS的物理瓶颈

对智能手机而言，它在拍照方面的终极目标，就是拥有媲美专业相机的成像水准。然而，受限于两类设备的体型差异，手机镜头的开孔普遍只有8mm，这又如何能与单反专用的“长枪大炮”对决？

传感器尺寸

智能手机想要缩短与专业相机之间的差距，只有不断提升CMOS成像画质这么一条出路。比如，增加CMOS传感器尺寸，获得“底大一级压死人”的先天优势。

问题来了，想在追求纤薄的智能手机体内塞进更大尺寸的传感器是不现实的，历史上诺基亚808 PureView所武装的1/1.2英寸就已经是极限了。

时至今日，无论是IMX586、IMX600还是IMX650，这些顶级超大像素传感器的尺寸也只有1/2.0英寸和1/1.7 英寸左右，虽然较手机常用的那些1/2.x英寸传感器相比算是“大底”，但是和专业相机的镜头相比就完全不够看了。

提升进光量

再比如，提升CMOS传感器的进光量，从而具备捕捉更多光线的能力，这样就能在同样环境下，拍摄出亮度更高、噪点更少、更清晰的照片。对CMOS而言，提升进光量的手段有很多，增加传感器尺寸、增大镜头光圈、增加单个像素感光面积、引入UltraPixel超像素摄像头（如HTC One M7）等都是可行的手段。

然而，历史已经证明UltraPixel超像素摄像头这条路走不通，镜头光圈和传感器尺寸一样，对手机的小身板而言f/1.6差不多就是极限。IMX586通过Quad Bayer阵列和四合一像素聚合技术可实现等效1.6μm的单个像素感光面积，更高端的IMX600传感器也不过2.0μm，依旧存在天花板。

在这个大环境下，大家就只能另辟蹊径，从改造CMOS传感器的底层架构尝试着手了。

神奇的拜耳阵列

我们之所以能够看到缤纷的色彩，是因为人眼上拥有感知不同频率光线的多种细胞。CMOS传感器同样存在可以感知不同颜色的“细胞”，只是它们被称之为像素点，并以“拜耳阵列”（Bayer array）的形式加以排列。

什么是拜耳阵列

历史上，柯达公司的影像科学家布莱斯·拜耳（Bryce Bayer）最早发现人眼对红绿蓝三原色中的绿色敏感度最高，于是他尝试在CMOS上方增加了一块滤镜，采用1红2绿1蓝（RGBG，也可称为RGGB）的排列方式将灰度信息转换成彩色信息，让呈现在CMOS上的色彩最接近人眼的视觉效果。

因此，几乎所有的CMOS传感器就都采用了RGBG排列方式，也就是我们常听说的“拜耳阵列”，或者是“拜耳滤镜”。

拜耳阵列的缺陷

需要注意的是，CMOS在进行光电转换的过程中是无法得到颜色信息的，它只能取得不同的强度信息。拜耳阵列的机制类似于“分色”，其滤镜上的红色、绿色和蓝色像素只允许与之相对应颜色的光线通过，阻挡其他色光进入，这样一来每个像素就都获得了颜色和明暗信息。

然而，“分色”的过程存在一个缺陷，过滤光线的同时会折损一部分光的强度，在同一个点上也只能获得一种颜色信息，而该位置上的其他颜色信息就全部损失掉了。

想要得到最接近于真实的颜色，需要根据相邻像素点上的颜色信息来“猜出”这个位置上所损失掉的其余颜色信息，业内将这种“猜色”的过程称为“反拜耳运算”。

换句话说，由于拜耳阵列存在“猜色”的环节，所以理论上CMOS永远也无法100%还原真实景物的色彩，它只能无限接近于真实，现实中拍出的照片出现了“偏色”现象，就是“猜色”过程中猜错了。

对拜耳阵列的改良

“拜耳阵列”之所以流行，是因为它是公认的最佳CMOS结构。但是，随着手机内置ISP单元性能的提升和各种成像算法的不断优化，给了优化CMOS结构的空间。于是，我们就看到了所谓的“RGBW”、“RWWB”和“RYYB” 等CMOS结构。

RGBW结构

由于人眼对绿色敏感度最高，所以拜耳才会在每个RGBG阵列中用上2个绿色像素（G）。此时，如果我们将其中一个绿色像素（G）换成透光性更强的白色像素（W），组成所谓的“RGBW”阵列排布，不就可以解决提升进光量的问题了吗？

历史上，最早推出RGBW结构CMOS的厂商来自OmniVision（OV），摩托罗拉旗下的Moto X，Moto Droid Mini、Droid Ultra、Droid Maxx等产品都曾用过这类CMOS，只是摩托罗拉当年将其称为“Clear Pixel”技术。可惜，OV在传感器、摩托罗拉在手机市场的影响力有限，这种RGBW CMOS并没被太多用户知晓。

真正将RGBW发扬光大的，则要数2015年索尼推出的IMX278传感器（后续推出的IMX298也是这种结构，后者曾被用于华为Mate8、小米5、一加3和vivo X7 Plus等手机），其主打改善手机暗光拍摄，号称在低亮度下感光能力可提升32%，噪点降低78%，并曾被华为P8、OPPO R7 Plus和魅蓝 6T等产品所武装。

RWWB结构

既然RGBW已经“抠掉”了一个绿色像素替换成白色像素，那何不更进一步，将另外一个绿色像素也换成白色呢？同样是2015年，联发科在发布曦力Helio P10时就曾主打一项名为“True Bright”的图像引擎，其主要的构成部分就是采用“RWWB”结构的CMOS传感器，将传统拜耳阵列上的两个绿色像素全部替换为白色，进光量比RGBW结构还要大。

可惜，虽然联发科在发布Helio X20时依旧主打这一技术，但时至今日也没有一款RWWB CMOS出炉，我们可以将其视为“理论上的存在”。

纯黑白结构

虽然联发科提倡的RWWB CMOS一直停留在纸面阶段，但这并不妨碍大家拿来借鉴参考。既然RWWB已经将2个绿色像素点给替换了，那为何不干脆彻底丢掉分色滤镜，让CMOS实现光线全透呢？于是，索尼就第一家推出了专业的IMX Mono黑白摄像头，拥有极高的进光量，可以记录暗光环境下的更多细节。

当然，由于Mono黑白镜头无法记录彩色信息，所以它必须和另外一颗彩色CMOS搭配，通过双摄+算法的方式获得远比采用传统RGBG以及RGBW CMOS的单摄更好的夜拍效果。时至今日，这种黑白+彩色镜头的组合还在流行，而RGBW CMOS则已经被扫进了历史的尘埃。

RYYB结构

得益于多摄矩阵模块的流行，RGBW CMOS已经彻底失去了市场。但是，CMOS对进光量的需求却没有减少，如何进一步拉近手机与专业单反（或其他竞品手机）在夜拍时的成像差距，更是成为了智能手机未来的重点发展方向。

华为P30系列和荣耀20应该算是时下夜拍效果最好的智能手机代表，抛开传感器尺寸、光圈和单个像素感光面积等参数不谈，这几款手机采取了剑走偏锋的一招险棋——将传统RGBG拜耳滤镜（为了便于对比，下文将以RGGB描述）换成了“RYYB”滤镜，将2个绿色像素（G）用黄色像素（Y）替代。

和RGGB相比，RYYB可以减轻前者在滤色过程中所带来的光之强度折损，可以让进光量提升高达40%。以华为P30 Pro为例，该产品的ISO高达409600，是iPhone Xs Max的64倍！从而只需一丝亮光就能记录下纯黑环境下的颜色细节。

问题来了，光的三原色是红、绿和蓝，也就是RGBG拜耳滤镜的组成部分，而黄色只是印刷颜料的三原色之一（还包含红色和青色），缺少了关键的绿色又该如何还原真实的颜色？

实际上，黄色是可以由红色+蓝色得来（R+G=Y），即黄色是绿色和红色的结合，在亮度上是两者的叠加。将三原色重塑后，RYYB CMOS在色彩原理上就将与RGGB产生根本性变化——RGGB光学三原色是加色法，表现的是吸收的光（绿色通道吸收绿光），R+G+B是白色，即吸收了一切光；RYB三原色是减色法，表现的是反射的光（黄色反射了红光和绿光），R+Y+B是黑色，即反射了一切光。

需要注意的是，RYYB滤镜虽然可以提升进光量，但其本质却是变相增加了红色的进光量，从而提升了弱光环境下的表现。同时，由于黄色像素较多，偏色问题将难以避免，同时绿色像素的缺失也会影响饱和度。

因此，想要完美驾驭RYYB CMOS，背后需要一套更加强大的硬件ISP和更为成熟的成像算法支持。华为终端手机产品线总裁何刚就曾表示，为了保证RYYB阵列在调色方面的准确性，华为付出了整整3年的时间。但是，P30系列上市初期，依旧有不少用户曝出了拍照偏色的问题，随着后续固件的升级这个现象才慢慢变少。

小结

在智能手机的外观设计、SoC和其他硬件趋于同质化的今天，谁能在影像之路上走的更远，势必可以显著提升竞争力。而定制CMOS的滤镜结构，就是现阶段最能体现厂商技术实力的表现之一，而我们也期待会有更多的厂商可以拿出自己对影像的独到见解，向传统宣战。毕竟，随着AI技术的不断革新，新一代成像算法已经足以弥补各种“猜色”和“偏色”的问题，也给了CMOS供应商和手机厂商更多发挥的空间。

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