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高像素真的是好嗎?多合一大像素是如何煉成?

近五年來,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,但是其實所謂 108MP 甚至 200MP 是真的好用嗎?同樣的高像素效果又會是一樣的嗎?今集跟大家了解高像素手機常見「多合一大像素」功能。

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:

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
傳統小像素(左)和大像素(右)的分別
傳統小像素(左)和大像素(右)的分別

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。

拜爾濾色鏡陣列示意圖
拜爾濾色鏡陣列示意圖
De-mosaic 去馬賽克化的步驟
De-mosaic 去馬賽克化的步驟

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。

四拜爾陣列的像素合併
四拜爾陣列的像素合併

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。

利用 Quad Bayer 陣列做到 HDR 效果
利用 Quad Bayer 陣列做到 HDR 效果
雙 ISO 就是透過 Quad Bayer HDR
雙 ISO 就是透過 Quad Bayer 的同色像素進行不同的 ISO 吸光

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。

傳統 Bayer 陣列(左)和 Quad Bayer 陣列(右)成像的分別

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。

Quad Bayer 如何透過 Remosaic 轉換形態
Quad Bayer 如何透過 Re-mosaic 轉換形態

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。

初代高像素感光元件 GM1 在 Redmi Note 7 發佈會上的解說
初代高像素感光元件 GM1 在 Redmi Note 7 發佈會上的解說
Apple 在 iPhone 14 Pro 發佈會的解說圖像可見感光元件陣列並不是 Bayer
Apple 在 iPhone 14 Pro 發佈會的解說圖像可見感光元件陣列並不是 Bayer

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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