從RGGB到RYYB淺析手機(jī)鏡頭傳感器的結(jié)構(gòu)

手機(jī)攝像頭的組成部分

在智能手機(jī)的各個(gè)組成部件中，攝像頭應(yīng)該算是物理結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜的元件之一（圖1），它通常都是由PCB主板、CMOS傳感器（SENSOR）、固定器（HOLDER）和鏡頭（LENSASSt Y）構(gòu)成。其中，鏡頭又是由透鏡（5片起步，數(shù)量越多越好，玻璃材質(zhì)優(yōu)于樹(shù)脂）、濾光裝置（以RGB原色分色法和CMYK補(bǔ)色分色法為主）和鏡筒組成（圖2），不同的光圈和焦距可勝任不同的拍攝環(huán)境，如果想支持OIS光學(xué)防抖，還需集成額外的馬達(dá)和陀螺儀等單元。

來(lái)自CMOS的物理瓶頸

對(duì)智能手機(jī)而言，它在拍照方面的終極目標(biāo)，就是擁有媲美專(zhuān)業(yè)相機(jī)的成像水準(zhǔn)。然而，受限于兩類(lèi)設(shè)備的體型差異，手機(jī)鏡頭的開(kāi)孔普遍只有8mm（圖3），這又如何能與單反專(zhuān)用的“長(zhǎng)槍大炮”對(duì)決？

傳感器尺寸

智能手機(jī)想要縮短與專(zhuān)業(yè)相機(jī)之間的差距，只有不斷提升CMOS成像畫(huà)質(zhì)這么一條出路。比如，增加CMOS傳感器的尺寸，獲得“底大一級(jí)壓死人，的先天優(yōu)勢(shì)。

問(wèn)題來(lái)了，想在追求纖薄的智能手機(jī)體內(nèi)塞進(jìn)更大尺寸的傳感器是不現(xiàn)實(shí)的，歷史上諾基亞808PureView所武裝的11/1.2英寸就已經(jīng)是極限了。時(shí)至今日，無(wú)論是IMX586、IMX600還是IMX650，這些頂級(jí)超大像素傳感器的尺寸也只有1/2.0英寸和11-1.7英寸左右（圖4），雖然較手機(jī)常用的那些1/2.×英寸傳感器相比算是“大底”，但是和專(zhuān)業(yè)相機(jī)的鏡頭相比就完全不夠看了（圖5）。

提升進(jìn)光量

再比如，提升CMOS傳感器的進(jìn)光量，從而具備捕捉更多光線的能力，這樣就能在同樣的環(huán)境下拍攝出亮度更高、噪點(diǎn)更少、更清晰的照片。對(duì)CMOS而言，提升進(jìn)光量的手段有很多，增加傳感器尺寸、增大鏡頭光圈、增加單個(gè)像素感光面積、引入U(xiǎn)ltraPixel超像素?cái)z像頭（如HTC One M7）等都是可行的手段。

然而，歷史已經(jīng)證明UltraPixel超像素?cái)z像頭這條路走不通，鏡頭光圈和傳感器尺寸一樣，對(duì)手機(jī)的小身板而言f/1.6差不多就是極限。IMX586通過(guò)Quad Bayer陣列和四合一像素聚合技術(shù)可實(shí)現(xiàn)等效1.6 um的單個(gè)像素感光面積（圖6），更高端的IM×600傳感器也不過(guò)2.0 um，依1日存在天花板。

在這個(gè)大環(huán)境下，大家就只能另辟蹊徑，從改造CMOS傳感器的底層架構(gòu)嘗試著手了。

神奇的拜耳陣列

我們之所以能夠看到繽紛的色彩，是因?yàn)槿搜凵蠐碛懈兄煌l率光線的多種細(xì)胞。CMOS傳感器同樣存在可以感知不同顏色的“細(xì)胞”，只是它們被稱(chēng)為像素點(diǎn)，并以“拜耳陣列”（Bayer arraY）的形式加以排列。

什么是拜耳陣列

歷史上，柯達(dá)公司的影像科學(xué)家布萊斯·拜耳（Bryce Bayer）最早發(fā)現(xiàn)人眼對(duì)紅綠藍(lán)三原色中的綠色敏感度最高，于是他嘗試在CMOS上方增加了一塊濾鏡，采用1紅2綠1藍(lán)（RGBG，也可稱(chēng)為RGGB）的排列方式將灰度信息轉(zhuǎn)換成彩色信息，讓呈現(xiàn)在CMOS上的色彩最接近人眼的視覺(jué)效果（圖7）。因此，幾乎所有的CMOS傳感器都采用了RGBG排列方式，也就是我們常聽(tīng)說(shuō)的“拜耳陣列”，或者“拜耳濾鏡”。

拜耳陣列的缺陷

需要注意的是，CMOS在進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的過(guò)程中是無(wú)法得到顏色信息的，它只能取得不同的強(qiáng)度信息。拜耳陣列的機(jī)制類(lèi)似于“分色”，其濾鏡上的紅色、綠色和藍(lán)色像素只允許與之相對(duì)應(yīng)顏色的光線通過(guò)，阻擋其他色光進(jìn)入，這樣一來(lái)每個(gè)像素就都獲得了顏色和明暗的信息（圖8）。

然而，“分色”的過(guò)程存在一個(gè)缺陷，過(guò)濾光線的同時(shí)會(huì)折損一部分光的強(qiáng)度，在同一個(gè)點(diǎn)上也只能獲得一種顏色信息，而該位置上的其他顏色信息就全部損失掉了。想要得到最接近于真實(shí)的顏色，需要根據(jù)相鄰像素點(diǎn)上的顏色信息來(lái)“猜出”這個(gè)位置上所損失掉的其余顏色信息，業(yè)內(nèi)將這種“猜色”的過(guò)程稱(chēng)為“反拜耳運(yùn)算”。換句話(huà)說(shuō)，由于拜耳陣列存在“猜色”的環(huán)節(jié)，所以理論上CMOS永遠(yuǎn)也無(wú)法100%還原真實(shí)景物的色彩，它只能無(wú)限接近于真實(shí)，現(xiàn)實(shí)中拍出的照片出現(xiàn)了“偏色”現(xiàn)象，就是“猜色”過(guò)程中猜錯(cuò)了。

對(duì)拜耳陣列的改良

“拜耳陣列”之所以流行，是因?yàn)樗枪J(rèn)的最佳CMOS結(jié)構(gòu)。但是，隨著手機(jī)內(nèi)置ISP單元性能的提升和各種成像算法的不斷優(yōu)化，給了優(yōu)化CMOS結(jié)構(gòu)的空間。于是，我們就看到了所謂的“RGBW”、“RWWB”和“RYYB”等CMOS結(jié)構(gòu)。

RGBW結(jié)構(gòu)

由于人眼對(duì)綠色敏感度最高，所以拜耳才會(huì)在每個(gè)RGBG陣列中用上2個(gè)綠色像素（G）。此時(shí)，如果我們將其中一個(gè)綠色像素（G）換成透光性更強(qiáng)的白色像素（w），組成所謂的“RGBVV”陣列排布（圖9），不就可以解決提升進(jìn)光量的問(wèn)題了嗎？

歷史上，最早推出RGBW結(jié)構(gòu)CMOS的廠商來(lái)自O(shè)mniVision （OV），摩托羅拉旗下的Moto×、Moto DroidMini、Droid Ultra、Droid Maxx等產(chǎn)品都曾用過(guò)這類(lèi)CMOS，只是摩托羅拉當(dāng)年將其稱(chēng)為“Clear Pixel”技術(shù)?？上В琌V在傳感器、摩托羅拉在手機(jī)市場(chǎng)的影響力有限，這種RGBWCMOS并沒(méi)被太多用戶(hù)知曉。

真正將RGBW發(fā)揚(yáng)光大的，則要數(shù)201 5年索尼推出的IM×278傳感器（后續(xù)推出的IMX298也是這種結(jié)構(gòu)，后者曾被用于華為Mate8、小米5、一加3和vivo X7 Plus等手機(jī)），其主打改善手機(jī)暗光拍攝，號(hào)稱(chēng)在低亮度下感光能力可提升32%，噪點(diǎn)降低78%，并曾被華為P8、OPPO R7 Plus和魅藍(lán)6T等產(chǎn)品所武裝。

RWWB結(jié)構(gòu)

既然RGBW已經(jīng)“摳掉—了一個(gè)綠色像素替換成白色像素，那何不更進(jìn)一步，將另外一個(gè)綠色像素也換成白色呢？同樣是201 5年，聯(lián)發(fā)科在發(fā)布曦力Helio P10時(shí)就曾主打一項(xiàng)名為“True Bright”的圖像引擎（圖1 0），其主要的構(gòu)成部分就是采用“RWWB”結(jié)構(gòu)的CMOS傳感器，將傳統(tǒng)拜耳陣列上的兩個(gè)綠色像素全部替換為白色，進(jìn)光量比RGBW結(jié)構(gòu)還要大。 可惜，雖然聯(lián)發(fā)科在發(fā)布Helio X20時(shí)依1日主打這一技術(shù)，但時(shí)至今日也沒(méi)有一款RV＼/WB CMOS出爐，我們可以將其視為“理論上的存在”。

純黑白結(jié)構(gòu)

雖然聯(lián)發(fā)科提倡的RVVWB CMOS一直停留在紙面階段，但這并不妨礙大家拿來(lái)借鑒參考。既然RWWB已經(jīng)將2個(gè)綠色像素點(diǎn)給替換了，那為何不干脆徹底丟掉分色濾鏡，讓CMOS實(shí)現(xiàn)光線全透呢？于是，索尼就第一家推出了專(zhuān)業(yè)的IMX Mono黑白攝像頭，擁有極高的進(jìn)光量，可以記錄暗光環(huán)境下的更多細(xì)節(jié)。

當(dāng)然，由于Mono黑白鏡頭無(wú)法記錄彩色信息，所以它必須和另外一顆彩色CMOS搭配（圖11），通過(guò)雙攝+算法的方式獲得遠(yuǎn)比采用傳統(tǒng)RGBG以及RGBWCMOS的單攝更好的夜拍效果。時(shí)至今日，這種黑白+彩色鏡頭的組合還在流行，而RGBW CMOS則已經(jīng)被掃進(jìn)了歷史的塵埃。

RYYB結(jié)構(gòu)

得益于多攝矩陣模塊的流行，RGBW CMOS已經(jīng)徹底失去了市場(chǎng)。但是，CMOS對(duì)進(jìn)光量的需求卻沒(méi)有減少，如何進(jìn)一步拉近手機(jī)與專(zhuān)業(yè)單反（或其他競(jìng)品手機(jī)）在夜拍時(shí)的成像差距，更是成為了智能手機(jī)未來(lái)的重點(diǎn)發(fā)展方向。

華為P30系列和榮耀20應(yīng)該算是時(shí)下夜拍效果最好的智能手機(jī)代表，拋開(kāi)傳感器尺寸、光圈和單個(gè)像素感光面積等參數(shù)不談，這幾款手機(jī)采取了劍走偏鋒的一招險(xiǎn)棋——將傳統(tǒng)RGBG拜耳濾鏡（為了便于對(duì)比，下文將以RGGB描述）換成了“RYYB”濾鏡，將2個(gè)綠色像素（G）用黃色像素（Y）替代。

和RGGB相比，RYYB可以減輕前者在濾色過(guò)程中所帶來(lái)的光之強(qiáng)度折損，可以讓進(jìn)光量提升高達(dá)40%（圖12）。以華為P30 Pro為例，該產(chǎn)品的ISO高達(dá)409600，是iPhone Xs Max的64倍！從而只需一絲亮光就能記錄下純黑環(huán)境下的顏色細(xì)節(jié)（圖13）。

問(wèn)題來(lái)了，光的三原色是紅、綠和藍(lán)，也就是RGBG拜耳濾鏡的組成部分，而黃色只是印刷顏料的三原色之一（還包含紅色和青色），缺少了關(guān)鍵的綠色又該如何還原真實(shí)的顏色？

實(shí)際上，黃色是可以由紅色+藍(lán)色得來(lái)（R+G=Y），即黃色是綠色和紅色的結(jié)合（圖14），在亮度上是兩者的疊加。將三原色重塑后，RYYB CMOS在色彩原理上就將與RGGB產(chǎn)生根本性的變化-RGGB光學(xué)三原色是加色法，表現(xiàn)的是吸收的光（綠色通道吸收綠光），R+G+B是白色，即吸收了一切光;RYB三原色是減色法，表現(xiàn)的是反射的光（黃色反射了紅光和綠光），R+Y+B是黑色，即反射了一切光。

需要注意的是，RYYB濾鏡雖然可以提升進(jìn)光量，但其本質(zhì)卻是變相增加了紅色的進(jìn)光量，從而提升了弱光環(huán)境下的表現(xiàn)。同時(shí)，由于黃色像素較多，偏色問(wèn)題將難以避免，同時(shí)綠色像素的缺失也會(huì)影響飽和度。

因此，想要完美駕馭RYYB CMOS，背后需要一套更加強(qiáng)大的硬件ISP和更為成熟的成像算法支持。華為終端手機(jī)產(chǎn)品線總裁何剛先生就曾表示，為了保證RYYB陣列在調(diào)色方面的準(zhǔn)確性，華為付出了整整3年的時(shí)間。但是，P30系列上市初期，依1日有不少用戶(hù)曝出7拍照偏色的問(wèn)題，隨著后續(xù)固件的升級(jí)這個(gè)現(xiàn)象才慢慢變少。

小結(jié)

在智能手機(jī)的外觀設(shè)計(jì)、SoC和其他硬件趨于同質(zhì)化的今天，誰(shuí)能在影像之路上走得更遠(yuǎn)，勢(shì)必可以顯著提升競(jìng)爭(zhēng)力。而定制CMOS的濾鏡結(jié)構(gòu)，就是現(xiàn)階段最能體現(xiàn)廠商技術(shù)實(shí)力的表現(xiàn)之一，我們也期待會(huì)有更多的廠商可以拿出自己對(duì)影像的獨(dú)到見(jiàn)解，向傳統(tǒng)宣戰(zhàn)。畢竟，隨著Al技術(shù)的不斷革新，新一代成像算法已經(jīng)足以彌補(bǔ)各種“猜色”和“偏色”的問(wèn)題，也給了CMOS供應(yīng)商和手機(jī)廠商更多發(fā)揮的空間。