[分享] 拜爾的魔咒 Ultra Pixel超畫素技術解析
陳誠誼2014-12-27 15:13
相機中尋UltraPixel
金屬Unibody機身在蘋果初代Macbook Air中首次使用、久經考驗，光學防抖技術也經由Nokia Lumia920驗證，低光照拍攝、視頻拍攝時相當實用，因此在這些先進技術中最受爭議的莫過於Ultra Pixel超畫素技術。從畫素尺寸上看，UltraPixel超畫素元技術是一反在感測器尺寸不變下把畫素做小的方式，而是在感測器尺寸不變下把畫素做大，讓獲得單個畫素獲得更多的光子，進而改善手機攝像頭成像畫質，尤其是低光照環境下。Ultra Pixel超畫素無疑是HTC在智慧手機發展史上首創的做法，但這一做法在數位相機中並不新鮮。
把時鐘撥回2001年2月，尼康發佈了新一代旗艦數碼單反相機D1H，這是一款面向新聞記者、體育記者的高速單反相機，使用CCD感測器、擁有262萬有效畫素、最高連拍速度為5FPS、最多可連續拍攝40張JPG（看到如此規格時是否感動淚流滿面呢，當年一台旗艦相機居然連當今一台手機都不如）。後來又好事者把D1H CCD表面的低通濾鏡拿走，用微距鏡頭拍攝CCD表面的畫素，發現D1H CCD的拜爾陣列有點不同。
D1H的微距照片，尼康把四個畫素合一使用
它們只能記錄光子的強弱、沒法獲知光子的色彩（波長）。為了記錄了彩色圖像，Bryce Bayer（布萊思·拜爾）發明了一個後來稱為拜爾陣列CCD、CMOS是兩種常用光學感光元件，它們能將光子轉換為電信號，進而記錄圖像，但的彩色濾鏡陣列。拜爾陣列最基本單位是1紅2綠1藍濾鏡的2×2方格陣列，每個濾鏡與CCD、CMOS上的圖元一一對應，在畫素數量不低於一萬時，可以通過一套複雜的演算法猜出圖像色彩。由於四個畫素才能獲得一個完整的RGB資訊，因此每個畫素實際只有25%藍色/紅色資訊以及50%綠色資訊，其他資訊只能通過插值獲得。
可見拜爾陣列是一種光子利用率很低彩色獲取手段，每一個畫素都會浪費兩種原色光子，為了增加每個畫素獲得光子的數量，最簡單的方法是增加每個畫素的面積，尼康D1H正是這樣做。D1H將1080萬畫素的CCD感測器的4個畫素合成1個大畫素，進而提高感光表現。HTC One的Ultra Pixel超畫素技術與D1H殊路同歸，不過比後者更為激進。
Ultra Pixel名字掩饰下的秘密
根據外媒拆解，HTC One的攝像頭模組由ST Microelectronics 5869 BA四百畫素的BSICMOS、InvenSense的陀螺儀與一塊用途不明的Renesas晶片組成，考慮到該CMOS長寬比為手機中少有的16：9以及1/3英寸尺寸，可以推斷出這是一塊定制的感測器，而非早前推測畫素合成而來4MP CMOS。(由於ST相機出現嚴重的紫光現象.且無法有效解決..最後更換相機為OV相機而解決)
HTC One攝像頭模組
要增加的畫素面積方法不外乎幾種，一是畫素不變下增加感測器尺寸，但這會增加成本、增加體積；二是如D1H那樣畫素四合一，但這是奇技淫巧；而HTC One採用了第三種方法，在感測器尺寸不變的情況減少畫素數量，這比第二種方法能獲得更多畫素總面積——CMOS、CCD表面的畫素並非密密麻麻排列著的，在畫素與畫素之間存在大量輔助電路，減少輔助電路即可增總畫素面積，在製造工藝不變的情況下減少輔助電路的方法便是減少感測器表面積的浪費。
紅框裡面才是每個”畫素”真正的大小,紅框與藍框之間是紅輔助電路
依靠少畫素策略，Ultra Pixel獲得比一般手機用CMOS感測器的更大畫素面積，根據HTC官方資料，在UltraPixel技術下每個畫素的面積達到了4微米平方，而8MP CMOS每個畫素面積小於2微米平方、13MP CMOS每個畫素面積小1.3微米平方。（比如Omnivision OV8835、OV12830均是4：3長寬比、1/3.2英寸CMOS，前者擁有8MP畫素、每個畫素尺寸為1.96微米平方，後者擁有12MP畫素，每個畫素尺寸為1.44微米平方。）
如此尺寸差異能帶來多大性能差距呢，在發佈會上HTC One表示Ultra Pixel大畫素進光量可提升300%，只可惜單個畫素的進光量並不決定一切，也不能反應最終性能。衡量一塊CMOS性能的指標非常多，如靈敏度（Sensitivity）、動態範圍（DynamicRange）、暗電流（Dark Current）、轉換增益（ConversionGain）、量子效率（Quantum efficiency），要簡單理解一塊CMOS好壞最佳指標莫過於信噪比。
在相同技術、同樣感測器面積、同樣開口率下，感測器的信噪比與面積的開方成反比，假設13MP CMOS信噪比為33db，那8MPCMOS信噪比為35db，Ultra Pixel CMOS信噪比為37db，換算為感光度理解Ultra Pixel原聲感光度比8MP CMOS高出0.3ev、比13MP CMOS高出0.6ev，再加上光學防抖技術、F/2.0大光圈優勢，理論上在低光照環境中HTC One能獲得2-3ev的優勢。
Foveon X3至今仍是紙老虎
Ultra Pixel超畫素技術無疑是基於拜爾陣列，若拋棄拜爾陣列有無提高感光度的可選方案呢，比如Foveon X3。Foveon X3結構上與膠片有相似之處，單個畫素即可接收RGB三原色光，理論上擁有極高光子利用效率，但現實的殘酷的，上圖是Sigma DP1M與Nikon COOLPIX A在ISO1600下的對比圖，前者圖像細節、色彩一塌糊塗，實際上Foveon X3量子效率極低，若把Foveon X3技術用於手機感測器，那恐怕只有ISO 50可用了。在可預測的將來，松下的微分光棱鏡技術更有助於改善手機感測器畫質，不知HTC日後能夠搶先採用。
松下的微分光棱鏡技術，用於代替拜爾陣列，光利用率更高
對於智慧手機消費者Ultra Pixel是一個新穎的名字，比起光學防抖與大光圈更加吸引人注意，但從設計、從實拍中Ultra Pixel式與F2.0、光學防抖三位一體，三者結合才能完全展示HTC One的實力。在拍攝城市夜景時，會發現HTC One僅需ISO100感光度即可拍攝出一幅清晰、明亮的夜景照片。
HTC One夜景實拍
會有這篇文章是因為之前有人在問HTC Ultra Pixel是什麼..現在透過這樣的解析讓大家了解它是怎麼回事..希望這篇文章對大家是有用處的...
本文章最後由( 陳誠誼 )於 2014-12-27 15:21 編輯
本文章最後由( 陳誠誼 )於 2014-12-27 16:02 編輯
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因為你讓我超越想像、不斷實現完美的畫面，讓我看見這一路令人驚豔的一切，我愛上HTC～
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