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高像素是「真的」高嗎?由對焦看清「高」像素感光元件

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 是真的嗎?是否高像素就有高質素畫質?今集跟大家了解高像素感光元件的對焦方式

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手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 是真的嗎?同樣的 200MP 的構造又會是一樣的嗎?

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。上集跟大家分享了高像素感光元件的原理,第二集我們先跟大家了解高像素感光元件的對焦方式,以及背後帶來的問題:究竟高像素是否真的高像素。

自動對焦其實有分主動式和被動式自動對焦,主動式自動對焦是指借助如激光、紅外線元件主動發出光波檢測距離而作出對焦。但是今次我們談及的是被動式自動對焦是指依靠景物自身的反光來檢測對焦。

最初の對焦方式 – 反差對焦

傳統的反差對焦 CDAF(Contrast Detection Auto Focus)是用拍攝成像來計算反差值,在得到最大反差值的時候即是對焦成功之時。但是反差對焦有一個缺點,就是對焦時必須要完整全程探測,直至找到反差值。即是就算感光元件路過正確對焦位置時還需要再繼續跑一段才能找到最高點,這令對焦的時間大大增加。

反差對焦需要逐個逐個焦距記憶再作對比
反差對焦需要逐個逐個焦距記憶再作對比

最常見的自動對焦 – Masked PDAF

相位檢測自動對焦 PDAF(Phase Detection Auto Focus)可說是最傳統的自動對焦。這種相位對焦其實是利用與人眼對焦相若的方法 – 利用兩個有距離的景物來進行距離判定。

透過兩個不同位置的感光點檢測映像是否重疊以進行對焦
透過兩個不同位置的感光點檢測映像是否重疊以進行對焦

傳統的相機是透過半透明的反光鏡讓專用的相位檢測元件進行對焦,但是在十多年前 Fujifilm 就研發了直接在感光元件上做到 PDAF,而這個做法也得到其他 CIS 生產商跟隨,就是 Masked PDAF 掩蔽式相位檢測自動對焦。

Masked PDAF 其實主要是在感光元件抽取部分感光像素改為沒有感光能力的「對焦像素」,這些「對焦像素」會被遮蓋一半的空間,只露出一半的空間用作吸光,再透過與另一個鄰近的對焦像素進行 PDAF 對焦。

在一對的對焦像素中,一個會被遮去右邊一半的空間,而另一個會被遮去左邊一半的空間
在一對的對焦像素中,一個會被遮去右邊一半的空間,而另一個會被遮去左邊一半的空間
光線進入一組對焦像素的情況
光線進入一組對焦像素的情況

PDAF 的優點是相比傳統的 CDAF 比較,前者只需拍攝一幅相片就可以找到對焦點,拍攝速度可以比 CDAF 快出幾倍。當時 2014 年的 iPhone 6 可說是第一代擁有 PDAF 的智能手機,當時官方宣傳為 Focus Pixel,之後 2015 年的旗艦手機也開始應用了 PDAF 的技術於手機相機上。

iPhone 6 Plus 至 iPhone XS Max 之間機型的 PDAF
iPhone 6 Plus 至 iPhone XS Max 之間機型的 PDAF
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不過因為至今,現時仍然有部分的感光元件也是採用了這個 Masked PDAF 的,第一代的高像素感光元件三星 ISOCELL GM1 就應用了 Masked PDAF 對焦方式,而由 iPhone 6 開始使用 PDAF 的 Apple 也有在 iPhone 14 Pro Max 的 IMX803 上採用了 Masked PDAF 和另一種新型技術 Dual Pixel AF。

iPhone 14 Pro Max 的 IMX803 採用了新型態的「雙 Masked PDAF」,有可能是針對四合一大像素所作出的特別設計
iPhone 14 Pro Max 的 IMX803 採用了新型態的「雙 Masked PDAF」,有可能是針對四合一大像素所作出的特別設計

採用了 PDAF 技術、但不失畫質的 Dual Pixel AF

全像素雙核對焦 Dual Pixel Auto Focus (下稱 Dual Pixel)、或是叫 Dual PD(Photodiode,光電二極體)所用的技術不同於 Masked PDAF 插入對焦像素,而是把每一個像素加入對焦像素的功能。每一個像素內都會有一對左和右的「光電二極體」,每個「光電二極體」可以獨立接收圖像,與 Masked PDAF 中的對焦像素一樣,可以透過接收到左右方向不同的圖像從而做到對焦的效果(所以其實 Dual Pixel 也是 PDAF 的一種)。不過這兩個「光電二極體」在拍攝影像時又可以一起合併輸出作為一個像素的數據,名副其實一顆像素可以同時做到攝像和對焦的功能。

Canon 講述 Dual Pixel 技術
Canon 講述 Dual Pixel 技術

Dual Pixel AF 相比 PDAF 有幾個優點,第一是傳統 PDAF 由於需要對焦像素的幫助,所以其實最多只能針對影像中間的 80% 進行對焦,而 Dual Pixel AF 由於每一顆像素都能做到對焦效果,所以是可以針對全幅影像進行對焦。第二是由於 Dual Pixel 每一個像素都能做到感光,所以 Dual Pixel 技術下並不需要像 PDAF 般額外使用算法為對焦像素進行數據插值,即是可以保持相片的質素。

PDAF 和 Dual Pixel AF 的分別 - SONY
PDAF 和 Dual Pixel AF 的分別 – SONY

Dual Pixel AF 理論上擁有兩倍的「光電二極體」,所以有廠商如 vivo 當年就以「2×1200 萬像素」、「2400 萬感光單元」作為宣傳,雖然在實際上二極體的確有 2400 萬個,只是實際影像輸出還是 1200 萬。

vivo X20 2×1200 萬像素宣傳
vivo X20 2×1200 萬像素宣傳

不過 Dual Pixel 也有很多的變化的,例如三星 ISOCELL 推出的 Dual Pixel Pro,其實就是以對角線隔開「光電二極體」的綠色像素。以對角線把像素一分為二,除了可以比較左右兩側的相位差,還可以比較頂部和底部的相位差。但是 Dual Pixel Pro 在實際上的表現中,因對角線設計而導致影像中固定模式噪聲(Fixed-Pattern Noise,FPN)增加,即是在低光環境下容易出現有規律的噪點。

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三星自創的 Dual Pixel Pro
三星自創的 Dual Pixel Pro

另外 Dual Pixel AF 也有另一種變體,就是 Octa PD Auto Focus 全像素八核對焦。其實這個 Octa PD 就只是合併了 Dual Pixel 和 Quad Bayer 陣列的硬件,在四合一的大像素中有八個「光電二極體」(因為每個小像素兩個,所以四合一大像素時總計有八個),在配合上篇文章提到的像素 HDR 能獨立在長曝光、中曝光和短爆光的像素,這也是 Dual Pixel 的對焦優點。

表示自家首創手機 Full Pixel Octa PD AutoFocus 的華為在 P40 系列上的 Keynote
表示自家首創手機 Full Pixel Octa PD AutoFocus 的華為在 P40 系列上的 Keynote
SONY 針對 Octa PD 所作的說明,每個小像素均有兩個光電二極體,令一個大像素可有總計八個的光電二極體
SONY 針對 Octa PD 所作的說明,每個小像素均有兩個光電二極體,令一個大像素可有總計八個的光電二極體
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若隱若現的對焦方式 ╴2×1 OCL

之前談及的 Masked PDAF、Dual PD 其實在近年的新感光元件很少見。相反一項叫 OCL 的東西卻可以流行。其實所謂的 OCL (On Chip Lens)微透鏡並非新東西。其實我們講及的感光元件的像素,在上部分談及的「光電二極體」和上一篇文章談及「濾光層」外,還有一塊 OCL 微透鏡在面頭,讓光線反射在像素內。在正常的設計中,一塊微透鏡是應該覆蓋一個像素。但是在 2×1 OCL 中,部分像素會以「兩個像素共用一個微透鏡」的設計。所以其實設計上它可說一個升級版的 PDAF,因為兩者都是在整個感光元件上的一小部分像素採用特別的設計,只是 2×1 OCL 中本身的像素可以進行感光而不是單純的對焦像素。

2×1 OCL 技術除了 SONY 外其他廠商也有採用,例如三星就稱之為 Super-PD,而 OmniVision 則稱為 2×1 Microlens。作為第一代高像素感光元件的 SONY IMX586 也採用了這個技術。

Masked PDAF VS Super PD
Masked PDAF VS Super PD

當然,2×1 OCL 都有不少的衍生產品,例如三星就在首款 0.64μm 感光元件 ISOCELL JN1 上推出了 Double Super-PD,其實就是在 16 個像素中使用兩個而非一個的 2×1 OCL 設計,官方宣稱新設計下可以增強在低光的對焦能力。

三星 Double Super PD 設計
三星 Double Super PD 設計

新高像素感光元件對焦方式! 2×2 OCL 排列

剛才提及 2×1 OCL 都是以 Masked PDAF 形式來,都是採用一小部分的像素來進行對焦的工作,而現時新流行的 2×2 OCL 排列則是參照 Dual Pixel 的設計,手機中所有的像素都會參與工作。2×2 OCL 其實就是指感光元件將會以四個像素共享一個微透鏡,每個透鏡內都有上方兩個和下方兩個,包括左上(TL)、右上(TR)、左下(BL)、右下 (BR)。

以一個微透鏡覆蓋四個像素
以一個微透鏡覆蓋四個像素
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2×2 OCL 都是用相位對焦的方式,如果圖像是對焦的時候,每個像素都會擁有相同的光線,但是如果圖像失焦時,四個像素的光線強度就會不一,從而分辨到圖片的焦距。

2×2 OCL 的對焦方法
2×2 OCL 的對焦方法

這個 2×2 OCL 技術在不同的廠商都有使用這個技術,在三星 ISOCELL 是叫作 Super QPD,而 SK Hynix 海力士則是叫 A4C(All 4-Coupled),OmniVision 則稱為 QPD 技術。基本現時新一代的高像素感光元件均是採用了這個 2×2 OCL 技術

2×2 OCL 除了跟 Dual Pixel AF 可以做到 100% 範圍對焦外,更可以做到傳統 Dual Pixel AF 難以做到上下垂直對焦。但是能發揮 2×2 OCL 最大的優勢就只有四合一大像素,做到一個微透鏡配合一個大像素,而內裏的四個小像素可以幫助大像素進行對焦,可以得出對焦更準確的相片。但是如果是在像素分析率(高像素模式)中就無可用武之地了。所以簡單來說使用 2×2 OCL 的感光元件拍攝高像素圖像可以說是沒有幫助。

不過現時 2×2 OCL 也逐漸變成常態,由第一代 SONY 使用了 2×2 OCL 的 IMX689(應用在 OPPO Find X2 Pro、OnePlus 8、OnePlus 9 上),直至「公版」的 IMX766,還有 2 億像素感光元件如三星 ISOCELL HP3、 OmniVision OVB0B 均採用了這個設計。

2×2 OCL 是否未來?還是 Octa PD 才是?

不過究竟 2×2 OCL 是否未來的發展呢?這個說法對了一半。依照小編的分析,2×2 OCL 和 Dual Pixel 的變體 Octa PD 將會是手機影像發展兩條分岔路的未來。現時手機感光元件有兩條道路。

第一個是高像素化:由三星主導着超高像素的發展,現時已經發展至 200MP 的超高像素甚至是三星正在研發的 432MP,其每個像素最小只有 0.056µm,並不可能再切割一半作 Dual Pixel 之用,相反使用 2×2 OCL 更能加強在多合一大像素時的對焦質素。

另一個是大呎吋化,現時 SONY 也推出了逾一吋大的感光元件 IMX989,五千萬像素的數目令每顆小像素可以達到 1.6µm,就算再進行 Dual Pixel 切割出最窄 0.8µm 的光電二極體也綽綽有餘,在高像素下也能使用較小型的 Dual PD 來保持高像素的對焦質素。

高像素時可以應用 2×2 OCL 和 Octa PD,但是如果感光呎吋較大則使用 Octa PD 更佳
高像素時可以應用 2×2 OCL 和 Octa PD,但是如果感光呎吋較大則使用 Octa PD 更佳

停一停……那麼高像素真的是高像素嗎?

吸收這裏多,我們先停一停。在經過那麼多年的高像素感光元件,究竟本質上是否是高像素呢?

在新一代的感光元件,特別是現時超越兩億像素的感光元件。例如三星 ISOCELL HP1 或是 OmniVision OVB0B 也支持 200MP 模式、50MP 模式和 12.5MP 模式。但是這些超高像素感光元件往往採用了 2×2 OCL 的設計,這個說,手機的拍攝只能在 12.5MP 和 50MP 才能獲得最佳的對焦效果,那麼其實所謂的「2 億像素」是不是其實只是一個把 50MP 感光元件變得噱頭的一個「搭單功能」呢?不過如上文所示, 2×2 OCL 在四合一大像素中才能提升到對焦質素,所以起碼對於 2 億像素感光元件來說,手機在不論 12.5MP 和 200MP 也帶得到較好的成像,所以也解釋了為何 Xiaomi 12T Pro 明明硬件可以剪裁像素來做到四倍變焦但小米只是從四合一後的 50MP 中剪裁出兩倍變焦吧。

不過經過多年的發展,其實大家都已經盲目了高像素這個賣點,而各大廠商也未有在其頂級產品中加入超高像素,大多都是以 50MP 為限;反而他們主打把超高像素放在中高階的機型身上,此舉能夠增加中高階機型的賣點之餘,又能透過超高像素帶來無損的剪裁變焦,可說是某程度上維持超高像素的生存吧。

1 comment on “高像素是「真的」高嗎?由對焦看清「高」像素感光元件

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