為何手機長焦相機採用大尺寸、畫素合併技術的感光元件可能成中高階機趨勢?從當代元件特色談起

2020.03.03 06:49PM
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雖然今年三星發表 Galaxy S20 系列手機時,多數消費者關注的焦點應該是 Galaxy S20 Ultra 的 108MP 畫素 9 合 1 合併技術元件,不過其實從三款手機的元件配置上,更值得關注的是 S20 系列的長焦相機配置,這三款手機不約而同的在長焦相機使用大面積、高畫素且具備像素合併技術的感光元件,尤其 Galaxy S20 與 Galaxy S20+ 的標準焦段帳面規格僅 12MP ,但反觀在長焦相機使用達 64MP 的元件,從鏡頭焦段特性與元件技術的角度,三星的作法確實有值得探討的地方。

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▲當前的 4 合 1 畫素合併技術是在畫素的濾鏡上使 2x2 構成一個色塊,一個 RGGB 矩陣為 4x4 畫素構成,但輸出時會將訊號重新排列

畫素合併技術是現在許多高階、高畫素手機元件的常用技術,此技術建立在跳脫過去的 RGGB 2x2 拜耳矩陣,以目前常用於 48MP 與 64MP 元件的 4 畫素合併為例,此模式是在物理上將鄰近的 4 個畫素採用同色濾鏡,使 RGGB 矩陣擴大成 4x4 的 16 畫素矩陣,並透過軟體演算技術在不同的情境進行合併與重新演算,若需要高感光度,則將 2x2 的同色畫素視為一個大畫素色塊,如此一來在進行合併之後, 48MP 元件將縮減為 12MP ,而 64MP 則縮減為 16MP 。

同時,在一般光線良好的情況下,為了呈現自然的色彩表現,會透過演算法將 4x4 矩陣中的 RGGB 畫素進行重新排列,將原本鄰近的同色畫素資訊拆開,將 4x4 畫素中的 4 個 2x2 同色區塊輸出成四個 2x2 的 RGGB 矩陣,不過此方式仍與原生物理性的 2x2 RGGB 陣列不同,只是輸出訊號的重新調整,畢竟色彩濾鏡的物理結構並不能輕易的改變,然而若在全畫素輸出下依照原本的排列,會使得影像的色彩過度表現可能呈現如 12MP 放大而來,故訊號需要重新排列避免這樣的情況發生。

照片中提到了RE-MOSAIC、NONA-BINNING、12MP (2.4µm),跟三星集團、微軟公司有關,包含了三星、牌、商標、產品設計、產品

▲三星的 108MP 元件使用 3x3 同色畫素的排列方式構成 6x6 的拜耳陣列

至於三星 Galaxy S20 Ultra 的 108MP 元件,則是進一步使用 6x6 的 3x3 鄰近同色畫素的 RGGB 排列方式,故該元件在進行畫素合併時會一口氣縮減為 12MP ,這是由於雖然該張元件具備 108MP 畫素,但考慮手機感光元件的物理尺寸的極限與低光的進光面積等因素考量,雖在行銷上,三星稱為 Nona-baning 的合併方式,不過除了合併的畫素從業界常見的 4 合 1 變成 9 合 1 以外,原理與目的都是相同的。

說到這裡,可能會有人,若畫素合併會在低光降低成 12MP 或 16MP 這樣的低畫素,為何還需要使用原始高畫素的設計,雖有一部分是高畫素在行銷上的考量,不過高畫素仍在特定領域有其意義,其一是在光線充裕的環境之下,確實以現代技術設計的高畫素感光元件可拍出表現不惡的高解析度照片,相較使用低畫素元件進行升頻而言影像仍相對細緻。

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Sony 當時介紹 IMX586 時,即將高畫素的數位裁切品質做為賣點

另一個重點就是與這次要談得更有關的數位變焦技術,最基本的數位變焦原理就是採用裁切的方式,僅取畫面的中央區塊進行裁切,由於早期感光元件畫素密度不高,加上當時還未有如背照式製程導入,經過裁切之後往往影像品質大打折扣,而後續在加入演算法輔助後,市場上開始採用結合數位影像補正的無損變焦技術,所謂的無損變焦,就是將影像裁切後透過演算法補充細節,並且在輸出影像進行評估,而無損變焦的焦段就是設備商認定在視覺上不會導致畫質大幅劣化的範圍。

透過高畫素元件的導入,與使用低畫素元件最大的差異在於數位裁切後的原生畫素,同時如三星所使用的 64MP 與 48MP 感光元件的面積亦在手機元件中屬於較大型的元件,亦具備較好的像素單位面積,提供在進行數位演算前良好的影像基礎資訊,有助提升無損變焦的影像品質,不過當使用混合變焦達到最高倍率時的影像品質就是另一回事,但確實不可否認高畫素、大面積元件確實為數位變焦帶來更好的基礎。

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▲ 12MP 主相機具備高影像品質、銜接到長焦的數位變焦畫質可接受,三星選擇在長焦使用高畫素元件進一步提升高倍變焦的畫質

至於為何在高倍焦段使用大面積、高畫素元件變得更具意義,筆者認為這會牽涉到當前手機的焦段設定與數位演算技術之間的均衡點,以筆者個人的觀點,三星應該是評估後認為 Galaxy S20 與 Galaxy S20+ 的 12MP 元件進行數位變焦後的影像品質足以銜接到長焦鏡頭,而具備 108MP 主相機的 Galaxy S20 Ultra  也能在畫質銜接到潛望式鏡頭,選在長焦焦段使用高畫素元件有助於提供更清晰的數位變焦,但反觀若把 Galaxy S20 與 Galaxy S20+ 的標準焦段與長焦元件對調,就無法在進行 30 倍的混合變焦後有同等的影像品質。

雖說三星的 Galaxy S20 系列在長焦焦段採用高畫素元件目前還是特例,不過筆者個人預測,在 48MP 與 64MP 的元件價格逐漸下滑,勢必會有想要同樣標榜提供高倍變焦的機種將這兩款元件用在長焦焦段,藉此換取更好的數位裁切畫質,尤其根據高通先前透露,今年市場上很可能會出現高達 200MP 的手機用元件, 48MP 元件與 64MP 的價格也有望進一步降低。

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