顶级规格——细数旗舰机型的主摄传感器

在昨天的头条，笔者按照时间顺序为读者朋友介绍了近几年来比较重要手机影像传感器。虽然这两年各家在超广角、长焦端也进行发力，但消费者最重视、让厂家投入精力最多的还是主摄传感器，它也是整部手机上最强大的那颗影像传感器。因此，本文将会通过读者朋友更为熟悉的手机厂商逐个切入，分别介绍各厂家各旗舰机型上的主摄传感器及其背后的先进技术。
稳中有升的iPhone

手机影像传感器对比相机等专业设备传感器存在尺寸方面的巨大劣势，仅在进光量这一方面就无法和相机相比。所以长久以来，手机厂商们为提升手机捕捉光的能力耗费了大量精力，这之中的重要环节便是采用更高素质的影像传感器。苹果作为手机领域的执牛耳者，在这方面的投入自然也十分巨大。
在苹果新一代iPhone 13系列上，上代旗舰iPhone 12 Pro MAX的主摄IMX603被下放给了13系列的基础款，而在拳头产品iPhone 13 Pro和13 Pro Max上，苹果为它们的后置三摄分别升级了镜头与传感器。其中升级幅度最大的就数它们的主摄传感器了。在保持最大像素数量1200万不变的情况下，较之上代12 Pro Max的主摄传感器IMX603，全新升级的IMX703的总尺寸增加到了1/1.65"，单像素尺寸随之由上代1.7微米增加到了1.9微米。单像素尺寸的增加与主摄镜头光圈的增大，使这一代iPhone 13 Pro Max的夜景拍摄能力获得极大提升。依照官网说法：其主摄最高提升2.2倍光线捕捉能力。

▲iPhone 13 Pro Max的影像模组较前代更加硕大
当然，传感器尺寸的增加所带来的提升不仅体现在暗光拍摄上，在成像速度与稳定性、成像质量等方面，这代iPhone也有着显著的提升。在更换了IMX703后，凭借A15仿生SOC的超强算力辅助，本次iPhone 13 Pro和Pro Max在上代已支持Apple ProRAW格式照片的基础上，进一步支持录制4K@60fps杜比视界视频和Apple ProRes格式视频的录制，同时新增的电影模式（目前仅支持1080p@30fps）也提高了可玩性。可以看到，本代iPhone的拍摄能力无疑是更加强大了，超广角对微距拍摄的支持和长焦端超级夜景的开放也补齐了前代的短板。

▲苹果着重宣传了iPhone 13 Pro的夜景能力提升
除了这些特性外，iPhone还独家实现了“传感器位移防抖”技术。有别于传统OIS防抖马达驱动镜组移动补偿运动的方案，传感器防抖则是通过挠曲件的加入使CMOS传感器悬空的方式实现防抖效果，这种方式避免了由于镜头体积与重量的增加驱动马达也要相应加大的问题，相比于去驱动沉重的镜头转而去控制更轻的传感器来实现防抖，降低马达功耗的同时也能提升相机应对高频震动时的防抖表现，可谓一举多得。
一亿像素的三星

在全球范围内，提到Android影像旗舰，人们往往先想到的品牌就是安卓老大哥—三星。年初，三星发布了新一代内置S pen的三星S22 Ultra。和S21 Ultra相比，三星没有为S22 Ultra更换新的主摄传感器，而是选择对自家S5KHM3进行持续优化。

▲三星S21 Ultra和S22 Ultra都选用了1亿像素的ISOCELL HM3。
S5KHM3尺寸为1/1.33"，其最大像素数量来到了夸张的1.08亿，单像素尺寸为0.8微米，支持通过像素九合一来到1200万像素并将单像素尺寸提高到2.4微米。HM3支持三星Smart ISO Pro技术，可使像素智能感光，同时捕捉高ISO帧和低ISO帧，利用高ISO获取到的暗部信息和低ISO获取到的高光信息进行融合，在降噪后将其合成为一张12bit色深的高动态范围图像，同时减少伪像，保留图像更多细节信息。

▲HM3 支持Smart ISO Pro技术，可以输出12bit色深的图片。
在此基础上，HM3还支持交错式高动态范围技术（Staggered HDR），利用电子快门滚动的特性将第一行的短曝光和下一行的曝光同时进行，在同一单位时间内实现更快地完成HDR拍摄，在拍摄高对比度、大光比场景时也能游刃有余。相比传统的多帧HDR合成，此技术有利于降低拖像、重影等情况发生的概率。

▲Staggered HDR技术可同时拍摄不同曝光时长的照片并将他们进行合成。
在视频方面，这颗传感器最高支持录制8K@30fps、4K@120fps 以及 1080p@240fps 规格的视频。有骁龙8 Gen1新一代ISP和优化后算法等的合力加持，三星S22 Ultra在全焦段，尤其是超长焦段的成像水平比S21U获得很大提升。可以说，三星S22 Ultra在今年上半年乃至全年，仍然是拍照机皇宝座的有力竞争者。

▲三星S22 Ultra的影像系统覆盖了从13mm超广角到230mm超长焦的多焦段。
微单同底的索尼

提到手机摄影，最绕不开的厂商就是索尼。这不仅仅是因为索尼在相机、电影机领域的强大实力，更因为索尼是全球最大的CMOS传感器供应商。在手机产品上，索尼在去年推出了自家影像旗舰—索尼Xperia PRO-I。这个产品最大的亮点就是它搭载的1"主摄传感器，这是来自黑卡数码相机RX100 Ⅶ（俗称黑卡7）的同款传感器，并经过了对手机的专项优化后来到了手机端。

▲Xperia PRO-I主摄镜头拥有F/2.0和F/4.0的可变双光圈设计。
由于手机体积和镜头高度的限制，Xperia PRO-I只能利用这颗2100万像素传感器60%的像场（视频拍摄时则仅有52.7%)，换算后的等效尺寸为1/1.31"，有效像素数量为1200万，单像素尺寸2.4微米。此传感器在手机端拥有315个能够覆盖90%画面的相位检测自动对焦点，同时引入“眼部对焦”与“物体追踪”功能，可在多种场景中实现快速且准确的自动对焦功能。

▲索尼给Xperia PRO-I提供了高规格镜头模组和黑卡微单的同款大底。
为了配得上这颗超级传感器，索尼为它搭配了移动版BIONZ X 影像处理器和前端 LSI，镜头方面则在其六枚镜片中加入一枚蔡司非球面玻璃镜片，并实现了F/2.0、F/4.0可变光圈。堆料满满的Xperia PRO-I在各个焦段都有着较为不错的表现，对于索尼粉丝来说是一部让人惊叹的影像旗舰。
看完了国际大厂的表现，我们把目光转回国内。近年来，国产手机的进步我们有目共睹，而进步最大的方面便是影像拍摄实力。接下来，就让我们看看国产旗舰们都选择了什么主摄传感器方案。
持续发力的华为

只要是关注手机摄影的朋友，就一定不会忘记华为P20 Pro上的那颗IMX600给业内外带来的震撼。自华为P20系列之后，在国人的人认知中，华为就和拍照好画上了等号。在较为艰难的近几年间，华为仍然推出了P40系列、Mate40系列等众多优秀产品。虽然华为并不是第一个采用非传统拜耳阵列CMOS传感器的厂商，但它对此类传感器的打磨确实是独树一帜。

▲华为Mate 40系列无论是在设计、性能和影像等方面都可称之为当年的标杆。
在华为Mate 40 Pro上的IMX700通过将RGGB阵列上的绿色滤光片替换为了黄色，改为独特的RYYB滤光阵列。黄色虽不是三原色，但却是红色与绿色的结合，黄色像素可以同时吸收两种光信号减少进光量折损，实现40%的进光量提升。

▲RYYB方案相较传统方案可以获得额外40％的进光量。
除开滤波阵列特殊，IMX700采用1/1.28"的大底，拥有5000万像素，支持像素四合一输出1250万像素的照片，同时支持基于Dual PD的全像素OCTA PD—全像素八核对焦（该技术基于全像素双核对焦，且IMX700为QuadBayer排列，二者相乘即为8），放在今年也依然是顶级的手机图像传感器。当然，大底和RYYB所带来的宽容度低、图像偏色等问题在这颗传感器上也存在，华为也是在经过三、四代手机的迭代，才逐渐解决了相关的问题。
由于第三方原因，导致在华为最新旗舰P50 Pro上只能采取折中方案，主摄传感器的选用改为IMX766。但华为通过添加仅记录明度信息的黑白镜头、多焦融合等方式，结合华为自身强大的计算摄影能力弥补了硬件上的不足，使得P50 Pro的影像能力依然不失顶级旗舰风范。这也让我们更加期待未来华为旗舰在高端市场上的表现。
勇追猛赶的小米

除了华为，另一家国产厂商小米近些年来在定制顶级传感器方面也从未吝惜投入。无论是小米10 Ultra上的那颗来自豪威的OV48C（48MP、1/1.32")，还是小米12 Pro上的IMX707（RGGB版本IMX700），都获得了不错的市场反响；但最让消费者们印象深刻的，还是随着去年小米11 Ultra一同亮相的S5KGN2。这颗GN2的尺寸为1/1.12"，5000万像素，支持像素四合一。超大的传感器尺寸带来了超高的信噪比（SNR）表现，在信噪比计算过程中我们可以推导出一个大致结论，即传感器信噪比基本正比于边长比，这也就是大底传感器相比于小底传感器拥有更好暗光拍摄能力的原因所在。在相同环境下大底可以获得更高的亮度和更纯净的画质。
就这颗GN2而言，其在ISO400下的画质与IMX363（1/2.55")在ISO100下的可以达到同一水平。在对焦方式上，GN2支持三星Dual Pixel Pro技术，此技术也可理解为三星对全像素双核对焦的升级方案。全像素双核对焦采用将一个像素点进行切割的方式把一个像素点分为左右两个光电二极管分别感光，由位置差异导致的入射光线差异使两个二极管接受的光线也有差异。比对所有像素的左右二极管接收的信息，依照相应算法便可得知准确的合焦位置。但由于所有像素均为单向切割，故传感器也只能检测单向相位差，在另一方向上的对焦表现则比较一般。

▲小米是首个采用1/1.12英寸定制大底的手机厂商。
这里就引出了三星的Dual Pixel Pro方案，三星对两组绿色像素进行了方向不同的对角线切割，从而获得检测多方向相位差的能力，增强传感器对焦性能。

▲三星Dual Pixel Pro技术示意图。
TIPS

在本文及上篇提到的包括IMX800在内的众多传感器中，它们大多数都采用了多像素合成技术，而且它们之中的大多数又是采用QuadBayer阵列的，所以我们在这里以QuadBayer为例来讲解采用多像素合成传感器的成像过程。
手机像素本来只能记录光线明暗信息，所以传感器也只能记录明暗信息，无法记录色彩，此时，引入彩色滤光片阵列（CFA）就可以解决这个问题。

▲加入彩色滤光片阵列使得传感器具有了记录色彩信息的能力
最常见的拜耳（Bayer）阵列就是由RGB光学三原色的滤光片交替排列组成，由于人眼对绿色更敏感，所以绿色蓝色红色滤光片的比例为2:1:1，此时有了彩色滤光片的加入传感器就有了同时记录明度信息和色彩信息的能力。由于手机图像传感器面积较小导致单像素面积较小。为了解决这一问题CIS厂商们就引入了QuadBayer阵列—以四个同色像素为一组将每组滤光片交替排列组成QuadBayer阵列，但由于手机的图像处理芯片（ISP）是无法直接识别QuadBayer信息的，所以要先将QuadBayer信息转化为手机可以识别的Bayer信息。

▲在默认模式下，各家机型大都以多合一模式输出。
在常规模式（四合一）下，传感器直接将同组像素四合一集合读取，以合成后的大像素输出Bayer RAW以提升信噪比获得更好的暗光表现。而在高像素模式下，则要通过像素重排来实现图像信息的正确输出。目前市面上常见的支持像素多合一的传感器已大都具备片上Remosaic功能，即直接在传感器端完成通过线性插值将QuadBayer信息转化为Bayer信息的过程，手机ISP直接接收可处理的Bayer信息。
过程如下：在QuadBayer阵列下的36个特定像素群中取四组16个绿色像素为一大组，通过在这些绿色像素中取平均值的方法算出剩余20个像素的信息，以此将所有36个像素的信息值（绿色）计算而出，并将18个符合Bayer阵列的像素留下其余的空出，此时可得一大组符合Bayer阵列排列的绿色子像素。红色与蓝色的算色过程比绿色多一步，要先以取平均值的方式将红色/蓝色计算为类绿色像素组排列的形式，此时重复绿色像素计算步骤，可得红/蓝子像素排列，将得到的三种像素排列结合即可得到一组完整的Bayer阵列的像素群，对传感器上的全部像素群都这样做即可得到完整的Bayer信息。更多像素合一的传感器高像素模式像素重排过程也是一样的，只是计算量会更大。这一过程原理稍微有些复杂，读者朋友们可以结合配图进行理解。

▲在QuadBayer阵列下，所有红绿蓝色像素均以此规律排列。

▲绿色像素的QuadBayer 转Bayer过程。

▲红/蓝色像素QuadBayer 转Bayer 过程。
破而后立的荣耀

被迫与华为分家，蛰伏一年之后的荣耀在今年3月发布了旗下全新超大杯旗舰手机——荣耀Magic4至臻版。它最受市场关注的就是它全焦段强悍的影像能力。

▲荣耀Magic4至臻版首发了双自由曲面6400万超广角摄像头。
荣耀Magic4至臻版的主摄采用了一颗1/1.12"的5000万像素超大底定制传感器，达到了S5KGN2的相同规格，配合定制的8P F/1.6大光圈的高规格镜头，实现了等效1"大底配F/1.8光圈镜头的进光量。超广角端则全球首发了双自由曲面超广角镜头镜头，在视角达到126°的情况下还能较好地控制畸变；手机一同搭载的还有一颗光谱增强摄像头、3.5倍潜望长焦、8×8的dTOF和一颗Flicker传感器，并为这套系统单独搭配独立影像芯片和独家算法，实现全镜头参与全焦段融合，一举冲上DXOMark拍照榜首位。在其他方面，Magic4至臻版也是全面拉满，可以说是一部在各方面均无短板的旗舰手机。

▲荣耀Magic4至臻版是一部十分全面的旗舰手机。
在5月发布的荣耀70系列上，荣耀采用了索尼新一代1/1.49"尺寸的5400万像素IMX800大底传感器，在拍照水平上比上代数字系列有了更强的实力。
未来可期的vivo

vivo手机的销量一直在国内名列前茅，不过早期它在线上的声量不算太大。但在最近数年间，vivo的线上关注度有了明显提升。其中一个重要原因在于vivo旗舰手机在影像拍摄领域的表现相当出色。近日发布的X80系列更是将vivo手机的拍摄水平拔到了一个新高度。
X80标准版主摄首发搭载了IMX866传感器，Pro上则采用了定制传感器GNV。GNV（1/1.3" 50MP）相较于前篇已有介绍故不再展开讲解，而标准版的IMX866 反而值得说道说道。IMX866尺寸为1/1.49"，采用RGBW阵列，拥有5000万像素，采用与一加10 Pro上IMX789相同的16:11画幅，在拍摄照片时将画幅裁切至4:3（此时有效尺寸为1/1.56")，在拍摄视频时裁切为16:9，此举的好处在于传感器在视频拍摄的同时可以利用自身尽可能多的像场，避免传统传感器在视频拍摄时裁切导致的视角变窄的问题，带来更好观感。

▲IMX 866应采用了基于QuadBayer 的RGBW 方案
IMX866像素具体排列方式基于现有信息可知：它采用基于QuadBayer的新RGBW的像素排列方式，即将四个同色像素中的两个替换为白色。这样做的好处是四合一模式下在不影响颜色通道的空间分辨率的同时提升了进光量，并顺带解决了传统RGBW排列W像素易爆阱容的问题，但也正是因为这个原因使得它全像素输出时会比传统rgb更难还原出准确色彩。但无论是何种RGBW阵列，想要发挥其全部实力都对芯片算力和软件算法提出更高的要求。

▲IMX 866在视频拍摄时比传统比例传感器拥有更广的视野。
vivo为X80全系搭配的自研V1+独立影像芯片则可以很好地解决这一问题。与该系列搭配的还有蔡司的T*镀膜和顶级镜头组。显然，vivo对这一代X80系列手机寄予厚望，将它作为了开启vivo下一个十年的里程碑之作。

▲vivo X80全系搭载蔡司T*光学镜头和自研芯片V1+。
潜心沉淀的OPPO

与vivo相似，OPPO在国内也是一直致力于影像技术的研发。几年前，OPPO重启了Find X系列，该系列受到了来自线上线下两个市场的一致好评。除了积极探索未来手机的发展方向，Find X系列也肩负起了探索未来旗舰影像发展方向的重任。
在影像上首先为OPPO赢得赞誉的是Find X2 Pro，在它身上OPPO定制了一颗高素质主摄传感器IMX689（1/1.43" 48MP），其在2020年便拥有了2×2 OCL（片上微透镜）、双原生ISO、12bit采样等顶级传感器技术。2×2 OCL技术相比于1×1与2×1 OCL等方案，它使四个像素处于同一微透镜下，使得全部像素参与对焦，在大幅提高传感器暗光对焦能力的同时，实现全像素全向对焦。在X2系列之后的两代Find则践行双主摄战略，手机上搭载两颗IMX766分别作为主摄和超广角的传感器。

▲因采用悬浮防抖，Find X5 Pro的主摄模组要比同用IMX766的Find X3大不少。

▲OPPO系大量性价比机型搭载了IMX766，使预算不高的消费者也能用上影像不错的手机。
这个方案的优点在于可以让广角与超广角两个焦段在成像质量、白平衡等方面较好的保持一致。IMX766（1/1.56" 50MP)想必读者朋友们也不陌生，它拥有2×2 OCL、DOL-HDR等技术，这些由于文章之前都有所讲解故这里不再赘述。目前，OPPO已经将IMX766向低价位机型大量下放，这有助于推动行业着力提性价比机型的拍摄水平，让预算没有那么充足的消费者也能感受到手机摄影的乐趣。

▲主流旗舰图像传感器的实际尺寸对比。
面向未来的展望

可以看到，头部手机厂商们在影像方面的投入是十分巨大的。可以预料，未来它们在这方面的投入还会持续增加，旗舰机比之今日的影像能力还会有大幅提升，这对我们消费者当然是一个好消息。得益于此，我们将更容易使我们手上的手机拍出高质量的照片，更为便捷地记录美好生活中的精彩时刻。
看到这里，相信读者朋友对当前手机影响传感器的发展进程和重要技术已有了更深入的了解。但纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行。仅将这些手机们的纸面实力呈现给大家看是远远不够的，我们将在未来为大家带来多款旗舰手机的实拍效果，让大家可以从中了解不同的硬件与调校将带来怎样的表现。顶级Android影像旗舰们和iPhone相比，到底更擅长哪些环境的拍摄。