回想在 2017 年,手機還是停留在 1200 萬像素的時代。但是經過五年,高像素好像已經成為了手機相機的共通點,無論是一千元的入門機,還是價值萬五元的摺疊機也採用了高像素的主鏡頭,就連 Apple 的 iPhone 14 Pro 系列也轉用了,可見高像素可說是大勢所趨。但是其實所謂 108MP 甚至 200MP 是真的好用嗎?同樣的 200MP 效果又會是一樣的嗎?
今次《高像素真的是好嗎?》文章系列就詳細跟大家拆解高像素背後的技術和我們的誤解。第一集我們先跟大家了解高像素手機常見「多合一大像素」功能。
好端端有那麼多像素,為何要合併它們?
今時高像素的手機相機均有一個特性,就是他們在日常使用中其實並不是全像素輸出,即是日常拍攝其實只會以 12MP、16MP 等的方式顯示方式,而不是硬件所配備的 48MP、64MP、108MP 甚至是 200MP。但好端端有高像素,為何要合併它們呢?那麼不就跟普通的感光元件一樣呢?
其實合併像素原因有幾個:
- 減少儲存空間。高像素由於像素較多,所以相片的檔案大小也比較大,以 48MP 來說可達 30MB、而 200MP 的照片甚至可以達到 60MB 以上,對於日常用家來說真係有點小題大做。
- 加快處理時間。拍攝高像素時由於手機需要進行額外處理(後文會提及),所以輸出相片需時,例如初代的 ISOCELL HMX 一億像素拍攝後需要等待 1 至 2 秒才能輸出相片。
- 更好的吸光。這也是廠商經常推銷的功能,經過多合一合併後,每粒像素的大小可以得到四倍、九倍甚至十六倍的增益,代表可以同時增強像素的吸光能力,所以特別在拍攝夜景時能獲得更明亮的畫面。

先停一停,其實甚麼是像素?
我們常常說像素,但是其實手機的相機是如何使運作的?其實相機模組中的感光元件現時是使用「CMOS(互補式金屬氧化物半導體)」,光線會透過「光電傳感器」的電路直接將光能量轉換成電壓的信號來讓手機製成影像。但是「光電傳感器」純粹會在收到光線時發出信號,並沒有說出它是甚麼顏色。那麼它又如何辨識影像的色彩呢?方法就是透過在「光電傳感器」的表面上放置一層濾色器過濾特定顏色的光線來進入「光電傳感器」來形成色彩。
而現時手機普遍採用的濾光器色彩陣列為拜爾濾色鏡(Bayer filter),也稱為 RGGB 陣列。一連 2×2 四組的像素擁有兩個綠色、一個藍色和一個紅色濾鏡。使用兩個綠色濾鏡的原因是因為人體 L 和 M 視錐細胞對綠光最敏感,所以綠色濾鏡為光敏偵測元件(用來探測光線的敏感程度);而紅色和藍色濾鏡則為色敏偵測元件(用來探測光線的顏色程度),提供探光敏偵測元件以外的基本圖像色彩。之後就透過一個叫 De-mosaic(去馬賽克化)的算法計算回其餘的像素的色彩並生成影像。
當然現時除了 RGGB 拜爾陣列外,還有華為以前所應用的 RYYB 陣列和三星新研發的 RGBW 陣列等。


多合一大像素背後的多拜爾陣列
剛剛提到的多合一大像素就是把像素中的拜爾陣列放大,例如四合一大像素就是一組陣列由一組 2×2 四個像素變到一組「 2 個 2×2 綠色濾鏡、1 個 2×2 紅色、藍色濾鏡」,總共一組 4×4 十六個像素。這個就是所謂的四拜爾濾鏡 Quad Bayer Filter。在 SONY 的感光元件中稱為 Quad Bayer Coding (QBC)(四合一),在豪威的感光元件稱為 4-cell(四合一)、16-cell(十六合一),在三星 ISOCELL 產品中則稱為 Tetracell(四合一)、 Nonacell(九合一)或 ChameleonCell(十六合一)。現時眾多的高像素手機均是採用多拜爾組合,無論是最一開始的三星 ISOCELL GM1 或是 SONY IMX586,至現在的 ISOCELL HPX 或是 IMX989 都是採用了多拜爾組合。

但是合併像素有甚麼好處呢?其實除了合併像素可以增加像素的吸光面積外,還可以做即時 HDR 的效果,即是利用同一色彩濾鏡但不同曝光時間的像素合併成為抑壓高光、明亮暗位的 HDR 相片。


四合一?十六合一大像素?那麼合併前呢?
剛剛講了由於新的高像素感光元件普遍都是可以做到多合一的像素。那麼在高像素的時候,其實成像質素上與合併的一樣,只是他們可能在成像上把原本一格的顏色像素分為四格,就好像你手動在 Photoshop 上強行把 12MP 的照片放大到 48MP,其實對實際的成像沒有分別。所以在這個時間,一個名為 Re-mosaic 技術就非常重要了。

Mosaic 本身是指馬賽克,Re-mosaic 意思是透過硬件把感光元件的色彩濾鏡由 Quad Bayer 的陣列重新排序為傳統的 Bayer 陣列,讓手機在高像素拍攝時可以 Bayer RGGB 陣列拍攝,讓成像更加清晰。

高像素手機的 Re-mosaic 卻不是每一部手機都有!?
但是其實並不是所有高像素的感光元件均配備 Re-mosaic 功能。例如第一代的高像素感光元件三星 ISOCELL GM1 就並沒有配備 Re-mosaic 功能,所以就算是 48MP 模式也是採用 Quad Bayer 的陣列(雖然本身 GM1 並不能硬件輸出 48MP、而只能輸出 12MP)。而最新配備在 iPhone 14 Pro 系列的 SONY IMX803 感光元件,其實也是僅支持 Quad Bayer 陣列而並不支持傳統 Bayer 陣列,Apple 也特地說明拍攝 ProRAW 後是由 Quad Bayer 拍攝影片後直接經 De-mosaic 和 Machine Learning 生成圖像。可以 Apple 其實是主力主打 12MP 的拍攝,並僅在 ProRAW 模式提供 48MP 圖像。


總結
當手機進入高像素時代時,其實它是經歷了一個大轉變,現時為何高像素感光元件能夠同時兼顧吸光好和清晰度,就是因為 Quad Bayer 陣列和 Re-mosaic 的功勞。不過也可以看出雖然部分感光元件同樣宣稱高像素,但是其實它們本身的設計根本並不是為高像素而設,有些是像為噱頭才加入多像素、有些可能是為了準備還未公佈的功能。所以用家在選擇高像素相機的手機時,不妨多詳細看看它們的資料。
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