關(guān)于三星一億像素淺談 圖片
智能手機(jī)的相機(jī)功能可以有多強(qiáng)？三星電子（Samsung）近期發(fā)表的最新旗艦型5G手機(jī)，樹(shù)立了一個(gè)新典范。該款新手機(jī)的拍攝畫(huà)素來(lái)到了1億800萬(wàn)的等級(jí)，可拍攝8K的影片，而且最大的變焦數(shù)來(lái)到了史無(wú)前例的100倍，更驚人的是，幾乎克服了夜間低光源的拍攝困難，實(shí)現(xiàn)了隨時(shí)、隨地、隨身的高品質(zhì)攝影的可能。
達(dá)成這個(gè)目標(biāo)背后的功臣，就是先進(jìn)的CMOS影像感測(cè)器技術(shù)，而三星所使用的，是一個(gè)名為「ISOCELL」的影像感測(cè)器系統(tǒng)。該產(chǎn)品是三星自行研發(fā)的CMOS影像感測(cè)技術(shù)，目前最新的一代為「ISOCELL Bright HM1」。
在2018年初，三星宣布了新一代的ISOCELL（Fast 2L3版本）技術(shù)更新，而這次的更新是一個(gè)重大的升級(jí)，因?yàn)槿钦綄?層堆疊架構(gòu)運(yùn)用在CMOS影像感測(cè)器上。
異構(gòu)整合CMOS進(jìn)入感測(cè)＋邏輯＋DRAM時(shí)代
在此之前，一般的CMOS感測(cè)器是采兩層的結(jié)構(gòu)，也就是把產(chǎn)生光感訊號(hào)的畫(huà)素陣列（pixel array）感測(cè)器，以及進(jìn)行電子與數(shù)位訊號(hào)轉(zhuǎn)換的邏輯運(yùn)算器進(jìn)行堆疊，借此加快運(yùn)算的速度，并減少DRAM的使用。
圖一: 三星把DRAM整合至影像感測(cè)器之中，完成了一種三層的架構(gòu)。（source：三星）
這種雙層的結(jié)構(gòu)對(duì)于實(shí)際的影像拍攝來(lái)了諸多的好處，最明顯的就是實(shí)現(xiàn)了超高的畫(huà)素（image readouts）讀取性能，并讓電子快門(mén)的即時(shí)取景，與順暢的超級(jí)慢動(dòng)作成為可能。
站在這個(gè)基礎(chǔ)上，三星進(jìn)一步把DRAM整合至感測(cè)器的結(jié)構(gòu)之中。他們把2GB的LPDDR4 DRAM置于邏輯層之下，完成了一種三層的架構(gòu)，并帶來(lái)了超高速的的影像拍攝性能。
由于整合了2GB的DRAM，感測(cè)器可以在把數(shù)據(jù)傳送到處理器之前，暫時(shí)儲(chǔ)存大量的影像資訊，所產(chǎn)生的結(jié)果就是超高速的電子影像快門(mén)，以及清晰無(wú)比的錄影功能，對(duì)于拍攝者而言，就是更強(qiáng)大的照相能力，以及超高解析的影片拍攝。最明顯的改進(jìn)，就是消除了過(guò)去CMOS感測(cè)器的照片變形與所謂的果凍現(xiàn)象（Rolling shutter）。
另一方面，高速快門(mén)與瞬時(shí)儲(chǔ)存多重畫(huà)幀（multiple frames）的性能，就能支援3D降噪（Noise Reduction）以及更高階的高動(dòng)態(tài)范圍成像（HDR）。而這對(duì)經(jīng)常需要在室內(nèi)拍攝的手機(jī)來(lái)說(shuō)，是非常重要的提升。
事實(shí)上，三星并不是第一個(gè)使用三層式堆疊技術(shù)的業(yè)者，早在2017年，Sony就發(fā)表了三層式的堆疊CMOS影像感測(cè)器技術(shù)。但是不同于三星，Sony的DRAM層是為在中間，畫(huà)素感測(cè)在前，邏輯電路則是在后。此設(shè)計(jì)同樣達(dá)成了高畫(huà)素與更快的影像幀數(shù)，讓智能手機(jī)的拍攝有了全新的思考。
近期，Sony則是進(jìn)一步把堆疊式CMOS影像感測(cè)器技術(shù)拓展至工業(yè)領(lǐng)域上。他們與Prophesee合作開(kāi)發(fā)的新一代事件導(dǎo)向（Event-based）CMOS視覺(jué)感測(cè)器，就是把光學(xué)畫(huà)素陣列感測(cè)器堆疊在邏輯處理器之上，并以銅墊（copper pads）連接的方式取代過(guò)去采TSV的作法。透過(guò)這個(gè)堆疊的架構(gòu)，Sony實(shí)現(xiàn)了業(yè)界最小的畫(huà)素尺寸（1 4.86μm），和最高的HDR的性能（1 124dB）。
圖二: Sony的DRAM層是為在中間，畫(huà)素感測(cè)在前，邏輯電路則是在后。
一直以來(lái)，Prophesee的事件導(dǎo)向影像感測(cè)技術(shù)，就是以高光學(xué)資料讀取量與快速的畫(huà)素反應(yīng)著稱(chēng)，再與Sony高敏感與低雜訊的CMOS影像感測(cè)器結(jié)合，兩者合一，則是產(chǎn)生了兼具速度與質(zhì)量的影像感測(cè)產(chǎn)品。而采用堆疊的結(jié)構(gòu)，則又更進(jìn)一步縮減了晶片的面積，這對(duì)于物聯(lián)時(shí)代寸土寸金的產(chǎn)品體積來(lái)說(shuō)，十分有經(jīng)濟(jì)效益，尤其是機(jī)器視覺(jué)與安全監(jiān)控等應(yīng)用。
圖三: 采用堆疊的結(jié)構(gòu)，則又更進(jìn)一步縮減了晶片的面積。
先進(jìn)軟體演算贊力畫(huà)素與解析力倍增
而盡管堆疊的架構(gòu)能為影像資料的運(yùn)算與晶片體積帶來(lái)突破，但影像本身的質(zhì)量則是完全取決于感測(cè)技術(shù)對(duì)光感的畫(huà)素反應(yīng)，要有更細(xì)致與更大量的畫(huà)素，就要在畫(huà)素層的技術(shù)著手，讓光感反應(yīng)更敏感，同時(shí)畫(huà)素資料更細(xì)致。
以Sony為例，就是采用背照式（Back-illuminated）的影像感測(cè)結(jié)構(gòu)，再搭配自主研發(fā)的專(zhuān)屬畫(huà)素結(jié)構(gòu)（proprietary pixel structure）技術(shù)，達(dá)成了優(yōu)越的敏感度，同時(shí)也改善了過(guò)去畫(huà)素微小化的缺陷。
圖四: 背照式（Back-illuminated）的影像感測(cè)結(jié)構(gòu)。
透過(guò)這個(gè)技術(shù)，Sony把畫(huà)素微縮至2.74 μm，并維持了元件的敏感度以及色彩飽和度，也由于采用后照式的形式，感測(cè)器得以針對(duì)更廣的區(qū)域進(jìn)行偵測(cè)與量測(cè)，這意味著能夠產(chǎn)生更多更精細(xì)的訊號(hào)，所以整體的解析度也較前照式架構(gòu)增加了1.7倍。
至于三星則是運(yùn)用獨(dú)家的畫(huà)素模擬技術(shù)「Teracell」，來(lái)突破實(shí)體感測(cè)畫(huà)素?zé)o法增加的困境，他們透過(guò)特殊的演算法，讓畫(huà)素以四個(gè)為一組的形式安排在影像感測(cè)器的彩色濾光片。
當(dāng)處于低光源的拍攝時(shí)，演算法就會(huì)把四個(gè)畫(huà)素模擬成一個(gè)，讓畫(huà)素變大；反之，在明亮的環(huán)境時(shí)，則使用稱(chēng)之為「再馬賽克（re-mosaic）」演算法，把原本的畫(huà)素再分割成四格，借此產(chǎn)生更高解析度的照片。這個(gè)技術(shù)不僅改善了明暗成像的性能，同時(shí)也增加了HDR在高對(duì)比環(huán)境中的拍照能力，等于全面提升了手機(jī)的拍攝能力。
而三星最新一代的ISOCELL Bright HM1，則是更進(jìn)一步采用了新的「Nonacell」技術(shù)，它其實(shí)是Teracell的升級(jí)版。不同于前代使用四畫(huà)素（2 x 2）一組的結(jié)構(gòu)，新的Nonacell則是使用9畫(huà)素（3 x 3）一組的結(jié)構(gòu)，把拍攝畫(huà)素一舉推升到了1億800萬(wàn)的等級(jí)，同時(shí)新的感測(cè)器的畫(huà)素尺寸則是縮小至0.8μm，意味著能夠?qū)飧袦y(cè)訊號(hào)有更細(xì)致的敏感度，在明暗兩端的拍攝也更加突出。
希望在以后的更新當(dāng)中三星會(huì)給我們帶來(lái)一億像素更好的體驗(yàn)。
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