关于 OPPO Find X2 Pro 影像系统的深度分析
随着智能手机的发展,由多个 CCM 组成的多摄模组逐渐成为了手机影像系统的主流,前段时间发布的 OPPO Find X2 Pro 也不例外,该机使用了由 1/1.47" 1.12um QuadBayer CFA 2x2 OCL 的 4800 万像素 IMX689 主摄,搭配 f/1.7 和支持 OIS 的镜组,超广角则是由 IMX586 CMOS 担任,这枚 CMOS 在去年的旗舰机的主摄上被广泛使用,超广角镜头的光圈为 f/2.2,中长焦则是使用了带 OIS 的 f/3.0 5x 潜望式定焦模组,等效 80mm。
这篇文章会比较长,我想尝试从一个技术发展与选型的角度去看这台机器,以及未来这台机器可挖的潜力。影像系统的设计是妥协的艺术,而这次 OPPO 的选型做得不错。
这可能是你在网上能看到的最全面、最深度的 OPPO Find X2 Pro 影像系统理论分析。
主摄
根据发布会上的资料,该主摄 IMX689 搭载了数个新技术,其中比较亮眼的是 2x2 OCL 技术、12bit ADC、以及 DCG(Dual Conversion Gain)。
从一篇 IEEE 论文说开去
索尼在 2019 年的 IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM) 上发表了这篇名为 A 1/2inch 48M All PDAF CMOS Image Sensor Using 0.8um Quad Bayer Coding 2x2OCL with 1.0lux Minimum AF Illuminance Level 的文章,即《一枚使用 0.8um 像素 QuadBayer 排列 2x2 片上透镜的 1/2 英寸 4800 万像素全相位对焦的 CMOS 图像传感器》。
作为 IEEE 会员的好处就是可以不用花 33 美元就可获得此文(笑
IEEE 文章并不能保证一篇文章的客观性,因为可以选择性地呈现(笑
在 2x2 OCL 的部分我会详细说明。
RGGB vs RYYB,OPPO 做对了
传统 CMOS 的像素结构
传统 CMOS 的像素结构大致如此,镜头收集的光线穿过微透镜被二次聚集,经过色彩滤镜,并达到光电二极管,光电二极管吸收光子能量然后激发出电子,电子被电荷阱收集后形成一个电压信号,然后经过放大并进入模数转换,这些数字信号就代表了每个像素的亮度。
光电二极管并不知道所进来的光线是什么颜色的,因此工程师们在每个光电二极管前放置了色彩滤镜,仅让一部分的波长通过,它们按一定的规则排列(CFA,Color Filter Array,色彩滤镜阵列),这样我们就能知道某个特定的像素接受到了多强的某色光,通过对相邻像素信息的比对,最后还原出一张彩色的图片。
Bayer Coding CFA
其中最经典的就是 Bayer 滤镜排列(coding)的 CFA,它以四个像素为一个单元,在过去几十年中它一直保持着极强的生命力,成为主流色彩传感器的中流砥柱。
其它不同种类的 CFA 排列
在数码成像早期的探索里工程师们尝试过许多其它种类的 CFA 排列,比如 RYYB、CYYM(全补色)、RGBW 等等,但后来实践中发现这些排列在摄影应用中都存在各种各样的问题,所以它们在还是被丢出去了,现在一般只能在特种设备中(车载摄像头,工业摄像头,etc)看到。
RYYB CFA 会造成严重的色谱萎缩和混叠问题,由于 Y CFA 的关系,其主轴偏离,黄绿色部分饱和度和明度还原都会炸掉,此外由于 Y 通道高出一截的量子效率,而某厂商又没做增益校正,不同明度部分的偏色都属于起飞级别的。此外,如果不是所有的 CMOS 都选用了 RYYB CFA,它们之间的色彩匹配也会是一个大问题。
这些东西可能普通消费者完全不会注意到,但技术上来说它是不正确的,这次 OPPO 没有跟着走上奇怪的道路我觉得是要大大夸奖一番的。
高像素,QuadBayer,安排上了
近些年,随着单像素尺寸的缩小,从 1.4um 到 1.12um 再到 1.0um,0.9um,0.8um,工程师们遇到了一个问题,色彩滤镜由于工艺的问题无法跟上像素尺寸缩小的需要,同时面临着 700nm 亚波长的问题,因此迫切需要一种既保留了 Bayer 滤镜优势,又能适应当前技术发展需求的技术。
Bayer vs QuadBayer
工程师们给出的答案是 QuadBayer,图上展示了 Bayer vs QuadBayer 的区别,QuadBayer 排列下,制造 1.0um 以及 sub-1.0um 像素的 CMOS 成为可能。
细心的读者可能留意到了,这次 OPPO 选用的是 1.12um 的 1/1.47" CMOS,这个尺寸的像素使用 Bayer 排列也是可以的,但为什么 OPPO 选用了 QuadBayer 呢?
普通模式 vs QBHDR 模式
QuadBayer 不是完美的技术,它相较于 Bayer 阵列色度采样精度低,换言之,4800 万像素的 QuadBayer 并不能与 4800 万像素的 Bayer 相提并论,但 QuadBayer 是比较适应当前手机需求的技术,它方便进行 binning,输出 1200 万像素的图片,减轻后端的算力压力,这才能让计算摄影(computational photography)得以实现。
99% 的情况下,QuadBayer 4800 万像素的 CMOS 输出的都是 1200 万像素的图片。
此外,QuadBayer 允许对角线像素组进行一组长曝光,一组短曝光,相较于传统的 MFHDR(多帧 HDR)技术能降低伪像(artifact)。
这一技术不需要 2x2 OCL。
高画质?好对焦?我全都要!2x2 OCL
iPhone PDAF 对焦点
对于手机摄影来说,在有限的空间里挤进去高画质是很重要的,但拥有弱光下的优秀对焦也一样重要。
DualPD 像素结构
传统的 PDAF 技术需要遮掩部分像素,这部分像素不能参与成像,想要拥有更强的对焦就需要牺牲一部分画质,面对这个两难的问题,双核对焦(dual PD)技术应运而生,几年前手机上的 IMX362/363 主摄就是采用了这一技术,它可以在极暗的光线下自动对焦。
不过去年前年随着各种夜景模式的军备竞赛,大家的注意点更多放到了高画质方面,对焦性能暂时退居顾不过来,不过随着 2x2 OCL 的出现,这一问题得到了较好的解决。
索尼在其全画幅 CMOS 上已经率先量产了 2x1 OCL,一举解决了 PDAF 条纹的问题,而本次的 IMX689 CMOS 则是对更先进的 2x2 OCL 进行探索。
高画质和高速对焦?我全都要!
但还是那句话,任何技术都不是完美的,2x2 OCL 也不例外。
IEEE 这篇文章里的表格很容易误导人。这里起码有两个问题,第一,这张表格的分辨率定义是“单位面积内像素数量”,所以你才会看到 QBC 2x2 OCL 和 QBC 标为 Very Good,Bayer 为 Good(因为能做的像素尺寸会大一点),DPD 为 poor(像素尺寸最大),但如果考虑到实际使用情况,QBC 和 QBC 2x2 OCL 的像素数量要除以 4。第二,如果把色度分辨率考虑进去,那 QBC 和 QBC 2x2 OCL 的分辨率也是要打折扣的。
One was that the crosstalk between different colors was increased at a long wavelength over 500nm in the 2×2 OCL architecture. The other was that the 2×2 OCL architecture had a large QE variation per pixel compared with that of the conventional QBC.
By using 2×2OCL, the QE variation of same color pixels and the crosstalk between different colors was increased. However, we reduced them by optimizing the shapes of the OCL and DTI. In addition, by applying a new algorithm to the sample after optimization, we achieved an image with same quality to that using conventional QBC. 文中还指出,2x2 OCL 尽管带来了更好的 Quantum Efficiency(QE,量子效率)表现,但也存在更严重的像素间串扰的问题,但索尼半导体通过改善 OCL 排列和 DTI 的设计,尽可能地降低了这方面的负面影响,并优化了算法,最终实现了和 QBC 相近的成像效果。因此,本次实装 2x2 OCL 的 IMX689 主要的提升还是在对焦上。
科普不能普一半,只挑着好的说是不对的。
只谈 QE 提升不谈 Crosstalk 增加?不太行。
2x2 OCL 对对焦的提升主要体现在几个方面:最低照度(Min AF Illuminance Level,和 DualPD 类似,优于 PDAF)、全像素对焦(和 DualPD 一致,优于 PDAF,对焦点密度非常高)、全向对焦(优于其它技术,同时具备横向和纵向检测能力)、长基线检测能力(baseline)。
We proposed the QBC 2×2OCL as a potential next-generation high-performance CMOS image sensor. 作为未来 CMOS 的潜在选型之一,这一技术是很有潜力的,也很可能成为未来移动 CMOS 的标配。但就 2020 年的情况来看,投产的 2x2 OCL CMOS 尺寸依旧比传统 QuadBayer CMOS 小那么一点,所以如果追求极致画质,选用更大的、非 2x2 OCL 的 CMOS 最好要搭配一个激光对焦来增强对焦能力,这个对体积的要求就高了。
OPPO X2 Pro 作为一台体积控制要求比较严格的机器,选择了较高画质、2x2 OCL 的方案是很明智的,这样可以节省下宝贵的空间给其它元器件而又维持了优秀的拍摄体验。
12bit ADC
ADC,Analog Digital Converter,模数转换器,就是此前我们说过 CMOS 里用来把模拟信号转为数字信号的东西,bit 则是位深,bit 数越高,转换的精度也就越高。
12bit ADC 在相机上并不是什么新鲜玩意儿,但近些年在手机 CMOS 上应该还是头一遭(IMX377/378 这俩设计给紧凑型相机用的 CMOS 虽然被用在手机上过,但从产品线上来说不算哈)。
更高精度的 ADC 如果用的好的话可以给后端计算摄影带来许多有趣的应用,此前 Google Pixel 就利用多张 10bit 的图输出 14bit 的计算 RAW,我很期待 OPPO 也能利用 12bit 的 ADC 挖掘一下计算 RAW 的潜力。
DCG(Dual Conversion Gain)
Dual Conversion Gain,Dual Gain,Dual Native ISO 其实说的都是类似的东西,这个技术在相机上不是什么新闻,索尼在 M43、APS-C、FF、MF 幅面上都已经很常见了,手机上反而应用得少一点。
简单来说就是在高 ISO 的时候切换到另一个 FWC 较小的增益,有抑制读出噪声,进而提高动态范围的效果,不过由于手机 CMOS 还是太小了,噪声是由光的 Shot Noise 主导,因此这一技术带来的信噪比提升不大,不过能提升一点是一点嘛,没什么坏处。
超广角 IMX586
正如之前我在想法里提过的,双主摄是好文明,尤其是超广角 + 广角双 Bayer 主摄的配置,这对于大多数人的日常拍摄来说会比堆超长焦更有用。
这次 OPPO Find X2 用上了去年被广泛用作主摄的 IMX586,这是一个相当好的决策,一方面这颗 CMOS 经历了一年在各个产品上的应用,也收集了相当多的用户反馈,相信调教起来会更加得心应手。
潜望式 80mm 模组
不功不过。
小结
OPPO Find X2 Pro 是一台克制中又透露着狂野性能的机器,摄像头的方案体积控制的相当好,同时照顾了用户的体验优先把空间分配给了广角和超广角,双主摄的方案能够在绝大多数的工况下提供顶尖的画质,同时一颗 5x 定焦镜头在用户需要远摄时提供还不错的性能,所有的摄像头都采用了 RGGB 的 CFA,结合 865 SoC 可以提供平滑、色彩匹配的变焦体验。
留给大家的思考题,为什么这次 OPPO 没有等效 50mm 焦距的人像摄像头?评论区见。 |