技术分析第57期:全像素双核你知道吗?

2017-04-11 16:11 出处:PConline原创 作者:黄瓜君 责任编辑:kuangweijun

  【PConline 杂谈】随着手机摄像头整个产业的进步,厂商在制造摄像头模组时也不再局限于像素的提升,越来越多像光学防抖、数字防抖、Ultrapixel的技术被应用到手机领域。而在最近三星发布了Galaxy S7/S7 edge,其后置一枚采用全像素双核技术的1200万像素摄像头,究竟全像素双核是什么东东呢?下面笔者来解析一下。

全像素双核是什么东西

在理解全像素双核前 你需要先明白这些

  ——手机上的“相机”主要由镜片模组(以及马达)、红外线滤光片、传感器、以及集成在Soc里面的DSP模块组成,而镜片模组主要把外界的光进行聚焦、纠正镜片带来的畸变,过滤无用光等等,传感器用于光信号转化为电信号,而DSP模块则负责处理电信号让它变成能显示出来的照片,同时向像镜头模组/传感器作出各种反馈。

  ——传感器通常由红、绿、蓝三色像素组成(RGBW则把一个绿换成白),而每一个像素则由不同颜色(RGB)的微透镜、防止光乱窜的“井”、以及光电二极管这三个主要部分构成。光通过镜头模组照射到传感器表面,然后经过RGB三色的微透镜进行过滤,过滤完剩下的光则通过“井”照射到光电二极管上,进行光→电信号的转化。

光电转化过程
光电转化过程

全像素双核的原理解析

  全像素双核其实并不是在Galaxy S7上首次出现,该技术曾出现在佳能的在7D mark2以及70D两款相机上。而这里的“全像素”指的是CMOS传感器上面的所有像素,而“双核”指的是把每一个像素当中的光电二极管一分为二(其实就是2个),让分开后的光电二极管能独立接收光线,形成的相位差就是驱动马达进行对焦的“依据”,而独立的2个光电二极管在成像时可作为一个像素(合并)进行输出。

全像素解析
双核全像素可以简单理解成多了一个光电二极管

  对焦的原理/步骤大概是这样子的:一分为二的光电二极管分别接收光信号,计算两个图像(光信号)的信号差以及偏差方向,根据计算结果驱动镜头马达进行合焦,独立的2个光电二极管“合并”成像进行图像的输出。

全像素解析
步骤①

  ——全像素双核技术的传感器里头的每一个像素都配备了2个独立的光电二极管,而在接收光线时这两个光电二极管可以独立获取图像(例如二极管1接收图像A,二极管2接收图像B),获取的A、B像交给信号处理引擎处理。

全像素解析
步骤②

  ——在未合焦(对焦失败)的状态下,A、B像之间会存在偏差量,也就是两个信号源的波峰不重合,而此时的画面是模糊的。而信号处理引擎(可能就是DSP,有待证实)根据A、B像相互偏移的距离与方向,计算出镜头马达需要移动的位移量以及方向(为了让A、B像重合),并将计算结果反馈给镜头马达。

全像素解析
步骤③

  ——镜头马达根据反馈的信号进行移动,完成合焦,一个像素内的2个独立光电二极管进行合并成像,此时画面清晰,单次拍照完成。

全像素双核:对焦快/范围广/ 不会牺牲画质

  对焦速度比反差式、相位式、混合对焦更快,而且对焦的范围也变大(佳能称相位差对焦的有效范围为30%~40%,而全像素双核的对焦范围可达80%[垂直]*80%[垂直])。另外,由于“双核”光电二极管在成像时“合并”为一个整体进行输出,所以在保证对焦性能的同时不会牺牲画质。

双核全像素
全像素双核的优点

全像素解析
全像素双核对焦点

全像素双核和先前的相位对焦有2个大的区别

  其实从原理上看来,全像素双核的实现方式与先前的相位对焦基本类似,它们都是通过检测未合焦时两个像之间的偏差量与偏差方向去判断对焦物体的远近。在原理上可谓相当相似。

全像素双核解析
相位对焦中用于对焦的像素分布情况

  但全像素双核与相位对焦最大的不同点在于,相位对焦基于传感器上分散布置的对焦像素,这部分像素不参与最终成像,而缺失的像素图像需要通过算法去“补偿”,所以会一定程度上牺牲了画质。另外,由于这些分布在传感器上的对焦像素主要集中在传感器的中央范围,所以相位对焦的范围不能完全覆盖画面

全像素双核
全像素双核独立的光电二极管用于对焦

  而采用全像素双核技术的传感器,每个像素里的2个光电二极管可以用于对焦之外,还可以“合并”在一起用作图像的输出,所以画质上不会受到影响。另外,由于“双核”应用到整个传感器的每一个像素上面,所以其对焦范围理论上能覆盖整个传感器,但由于成本以及镜头模组上的配合,通常全像素双核的对焦范围覆盖传感器的64%(上下各80%)区域,范围上比传统的相位对焦大得多

  当然最重要的是全像素双核技术的对角速度比传统的相位对焦、混合对焦都要快,因为没有了先相位对焦(保证速度)后反差对焦(保证精度)这个过程。

总结

  由于手机体积上的限制,所以其摄像头传感器面积不能盲目增大,而总像素的提高又意味着单个像素的面积会有所缩小,从而可能让光信号向其它像素“溢出”导致画面出现杂讯,影响画面色彩的表现。因此,厂商便开始在传感器、镜头模组上做花样,把不少技术应用到手机拍照上面,而我们也因为手机拍照的方便,对其成像需求越来越高,在科技领域的革新以及消费市场的双重带动下,2016年相信这种黑科技更会越来越多。

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