從RGGB到RYYB淺析手機鏡頭傳感器的結構

手機攝像頭的組成部分

在智能手機的各個組成部件中，攝像頭應該算是物理結構最為復雜的元件之一（圖1），它通常都是由PCB主板、CMOS傳感器（SENSOR）、固定器（HOLDER）和鏡頭（LENSASSt Y）構成。其中，鏡頭又是由透鏡（5片起步，數量越多越好，玻璃材質優于樹脂）、濾光裝置（以RGB原色分色法和CMYK補色分色法為主）和鏡筒組成（圖2），不同的光圈和焦距可勝任不同的拍攝環境，如果想支持OIS光學防抖，還需集成額外的馬達和陀螺儀等單元。

來自CMOS的物理瓶頸

對智能手機而言，它在拍照方面的終極目標，就是擁有媲美專業相機的成像水準。然而，受限于兩類設備的體型差異，手機鏡頭的開孔普遍只有8mm（圖3），這又如何能與單反專用的“長槍大炮”對決？

傳感器尺寸

智能手機想要縮短與專業相機之間的差距，只有不斷提升CMOS成像畫質這么一條出路。比如，增加CMOS傳感器的尺寸，獲得“底大一級壓死人，的先天優勢。

問題來了，想在追求纖薄的智能手機體內塞進更大尺寸的傳感器是不現實的，歷史上諾基亞808PureView所武裝的11/1.2英寸就已經是極限了。時至今日，無論是IMX586、IMX600還是IMX650，這些頂級超大像素傳感器的尺寸也只有1/2.0英寸和11-1.7英寸左右（圖4），雖然較手機常用的那些1/2.×英寸傳感器相比算是“大底”，但是和專業相機的鏡頭相比就完全不夠看了（圖5）。

提升進光量

再比如，提升CMOS傳感器的進光量，從而具備捕捉更多光線的能力，這樣就能在同樣的環境下拍攝出亮度更高、噪點更少、更清晰的照片。對CMOS而言，提升進光量的手段有很多，增加傳感器尺寸、增大鏡頭光圈、增加單個像素感光面積、引入UltraPixel超像素攝像頭（如HTC One M7）等都是可行的手段。

然而，歷史已經證明UltraPixel超像素攝像頭這條路走不通，鏡頭光圈和傳感器尺寸一樣，對手機的小身板而言f/1.6差不多就是極限。IMX586通過Quad Bayer陣列和四合一像素聚合技術可實現等效1.6 um的單個像素感光面積（圖6），更高端的IM×600傳感器也不過2.0 um，依1日存在天花板。

在這個大環境下，大家就只能另辟蹊徑，從改造CMOS傳感器的底層架構嘗試著手了。

神奇的拜耳陣列

我們之所以能夠看到繽紛的色彩，是因為人眼上擁有感知不同頻率光線的多種細胞。CMOS傳感器同樣存在可以感知不同顏色的“細胞”，只是它們被稱為像素點，并以“拜耳陣列”（Bayer arraY）的形式加以排列。

什么是拜耳陣列

歷史上，柯達公司的影像科學家布萊斯·拜耳（Bryce Bayer）最早發現人眼對紅綠藍三原色中的綠色敏感度最高，于是他嘗試在CMOS上方增加了一塊濾鏡，采用1紅2綠1藍（RGBG，也可稱為RGGB）的排列方式將灰度信息轉換成彩色信息，讓呈現在CMOS上的色彩最接近人眼的視覺效果（圖7）。因此，幾乎所有的CMOS傳感器都采用了RGBG排列方式，也就是我們常聽說的“拜耳陣列”，或者“拜耳濾鏡”。

拜耳陣列的缺陷

需要注意的是，CMOS在進行光電轉換的過程中是無法得到顏色信息的，它只能取得不同的強度信息。拜耳陣列的機制類似于“分色”，其濾鏡上的紅色、綠色和藍色像素只允許與之相對應顏色的光線通過，阻擋其他色光進入，這樣一來每個像素就都獲得了顏色和明暗的信息（圖8）。

然而，“分色”的過程存在一個缺陷，過濾光線的同時會折損一部分光的強度，在同一個點上也只能獲得一種顏色信息，而該位置上的其他顏色信息就全部損失掉了。想要得到最接近于真實的顏色，需要根據相鄰像素點上的顏色信息來“猜出”這個位置上所損失掉的其余顏色信息，業內將這種“猜色”的過程稱為“反拜耳運算”。換句話說，由于拜耳陣列存在“猜色”的環節，所以理論上CMOS永遠也無法100%還原真實景物的色彩，它只能無限接近于真實，現實中拍出的照片出現了“偏色”現象，就是“猜色”過程中猜錯了。

對拜耳陣列的改良

“拜耳陣列”之所以流行，是因為它是公認的最佳CMOS結構。但是，隨著手機內置ISP單元性能的提升和各種成像算法的不斷優化，給了優化CMOS結構的空間。于是，我們就看到了所謂的“RGBW”、“RWWB”和“RYYB”等CMOS結構。

RGBW結構

由于人眼對綠色敏感度最高，所以拜耳才會在每個RGBG陣列中用上2個綠色像素（G）。此時，如果我們將其中一個綠色像素（G）換成透光性更強的白色像素（w），組成所謂的“RGBVV”陣列排布（圖9），不就可以解決提升進光量的問題了嗎？

歷史上，最早推出RGBW結構CMOS的廠商來自OmniVision （OV），摩托羅拉旗下的Moto×、Moto DroidMini、Droid Ultra、Droid Maxx等產品都曾用過這類CMOS，只是摩托羅拉當年將其稱為“Clear Pixel”技術。可惜，OV在傳感器、摩托羅拉在手機市場的影響力有限，這種RGBWCMOS并沒被太多用戶知曉。

真正將RGBW發揚光大的，則要數201 5年索尼推出的IM×278傳感器（后續推出的IMX298也是這種結構，后者曾被用于華為Mate8、小米5、一加3和vivo X7 Plus等手機），其主打改善手機暗光拍攝，號稱在低亮度下感光能力可提升32%，噪點降低78%，并曾被華為P8、OPPO R7 Plus和魅藍6T等產品所武裝。

RWWB結構

既然RGBW已經“摳掉—了一個綠色像素替換成白色像素，那何不更進一步，將另外一個綠色像素也換成白色呢？同樣是201 5年，聯發科在發布曦力Helio P10時就曾主打一項名為“True Bright”的圖像引擎（圖1 0），其主要的構成部分就是采用“RWWB”結構的CMOS傳感器，將傳統拜耳陣列上的兩個綠色像素全部替換為白色，進光量比RGBW結構還要大。 可惜，雖然聯發科在發布Helio X20時依1日主打這一技術，但時至今日也沒有一款RV＼/WB CMOS出爐，我們可以將其視為“理論上的存在”。

純黑白結構

雖然聯發科提倡的RVVWB CMOS一直停留在紙面階段，但這并不妨礙大家拿來借鑒參考。既然RWWB已經將2個綠色像素點給替換了，那為何不干脆徹底丟掉分色濾鏡，讓CMOS實現光線全透呢？于是，索尼就第一家推出了專業的IMX Mono黑白攝像頭，擁有極高的進光量，可以記錄暗光環境下的更多細節。

當然，由于Mono黑白鏡頭無法記錄彩色信息，所以它必須和另外一顆彩色CMOS搭配（圖11），通過雙攝+算法的方式獲得遠比采用傳統RGBG以及RGBWCMOS的單攝更好的夜拍效果。時至今日，這種黑白+彩色鏡頭的組合還在流行，而RGBW CMOS則已經被掃進了歷史的塵埃。

RYYB結構

得益于多攝矩陣模塊的流行，RGBW CMOS已經徹底失去了市場。但是，CMOS對進光量的需求卻沒有減少，如何進一步拉近手機與專業單反（或其他競品手機）在夜拍時的成像差距，更是成為了智能手機未來的重點發展方向。

華為P30系列和榮耀20應該算是時下夜拍效果最好的智能手機代表，拋開傳感器尺寸、光圈和單個像素感光面積等參數不談，這幾款手機采取了劍走偏鋒的一招險棋——將傳統RGBG拜耳濾鏡（為了便于對比，下文將以RGGB描述）換成了“RYYB”濾鏡，將2個綠色像素（G）用黃色像素（Y）替代。

和RGGB相比，RYYB可以減輕前者在濾色過程中所帶來的光之強度折損，可以讓進光量提升高達40%（圖12）。以華為P30 Pro為例，該產品的ISO高達409600，是iPhone Xs Max的64倍！從而只需一絲亮光就能記錄下純黑環境下的顏色細節（圖13）。

問題來了，光的三原色是紅、綠和藍，也就是RGBG拜耳濾鏡的組成部分，而黃色只是印刷顏料的三原色之一（還包含紅色和青色），缺少了關鍵的綠色又該如何還原真實的顏色？

實際上，黃色是可以由紅色+藍色得來（R+G=Y），即黃色是綠色和紅色的結合（圖14），在亮度上是兩者的疊加。將三原色重塑后，RYYB CMOS在色彩原理上就將與RGGB產生根本性的變化-RGGB光學三原色是加色法，表現的是吸收的光（綠色通道吸收綠光），R+G+B是白色，即吸收了一切光;RYB三原色是減色法，表現的是反射的光（黃色反射了紅光和綠光），R+Y+B是黑色，即反射了一切光。

需要注意的是，RYYB濾鏡雖然可以提升進光量，但其本質卻是變相增加了紅色的進光量，從而提升了弱光環境下的表現。同時，由于黃色像素較多，偏色問題將難以避免，同時綠色像素的缺失也會影響飽和度。

因此，想要完美駕馭RYYB CMOS，背后需要一套更加強大的硬件ISP和更為成熟的成像算法支持。華為終端手機產品線總裁何剛先生就曾表示，為了保證RYYB陣列在調色方面的準確性，華為付出了整整3年的時間。但是，P30系列上市初期，依1日有不少用戶曝出7拍照偏色的問題，隨著后續固件的升級這個現象才慢慢變少。

小結

在智能手機的外觀設計、SoC和其他硬件趨于同質化的今天，誰能在影像之路上走得更遠，勢必可以顯著提升競爭力。而定制CMOS的濾鏡結構，就是現階段最能體現廠商技術實力的表現之一，我們也期待會有更多的廠商可以拿出自己對影像的獨到見解，向傳統宣戰。畢竟，隨著Al技術的不斷革新，新一代成像算法已經足以彌補各種“猜色”和“偏色”的問題，也給了CMOS供應商和手機廠商更多發揮的空間。