高像素真的是好嗎？多合一大像素是如何煉成？

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。

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。