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亿级像素之争:手机厂商究竟在PK什么?

2019-08-17
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来源:内容来自「cnbeta」,作者:孙永杰,谢谢。


日前,小米在京举行的未来影像技术沟通会上,介绍了三星首款6400万像素传感器GW1,而这款传感器将在Redmi手机上首发搭载(据称Realme也将发布搭载此传感器的新手机)。此外,小米也将联合三星首发高达1亿像素的超清移动图像传感器,届时它将成为全球最高拍照像素、最高解析力和分辨率的手机相机。


对此,有评论分析认为,小米将有望借助高像素的卖点挑战目前智能手机市场拍照第一的华为。


像素基础之争,索尼与三星的较量


众所周知,现在智能手机拍照功能的基础硬件——CMOS基本被索尼和三星垄断,其中又以索尼占据市场中的大部。而所谓的像素数就是CMOS的一个指标,手机厂商们宣传其拍照中的xxx千万的前后摄像头指的就是索尼或者三星COMS的像素数,这个指标基本上与手机厂商无关,决定权在索尼和三星身上,即它们在COMS的基本实力才是根本。那么索尼和三星在CMOS领域各自实力如何?

以当下最高的4800万像素为例,去年索尼向市场推出IMX586图像传感器(目前为国内多数手机厂商采用),让手机摄像头分辨率跃升至4800万像素,随后位处市场第二的三星也发布了标称4800万像素的GM1图像传感器。

同是4800万像素图像传感器,却在今年年初的国内市场引发了“真假4800万像素”的讨论。起源是索尼IMX586支持输出4800万全尺寸照片,而三星GM1(S5KGM1)默认输出1200万,只能插值计算出4800万像素的照片,解析力也有差距。实际上,两者的光电二极管的确都是4800万,且都采用Quad Bayer阵列像素排列(也就是俗称的四合一像素技术)。


二者的区别在于索尼IMX586在图像传感器Stack Sensor部分的图像处理硬件首先会进行Remosaic操作,随后再将拍摄的RAW格式数据传输给手机SoC的ISP部分进行常规图像处理操作。这背后反映出的是三星在ISP处理算法以及高速模拟读出电路设计上与索尼是存有差距的。当然这只是索尼技术相较竞争对手领先的一例。

此外,在CMOS的工艺上,三星也与索尼存在差距。索尼采用的是绝缘体上硅工艺,需要将CMOS的硅底衬精密研磨,再在其上进行电路机械加工,而三星对于BSI工艺中复杂度没有之一的精密研磨工序则是刻意回避,而是直接采用普通硅进行封装。因此,早先其底衬厚度相当于索尼的50倍。

惟一的好处是成本仅仅相当于索尼的25%。但宽容度、灵敏度等都会受到影响。据业内人士称,在COMS的工艺上,三星至少要落后索尼二代以上。


另据TechInsights今年3月公布的数据显示,在图像传感器领域,索尼拥有的专利数量最多,其中在模拟和数字领域的专利积累尤其丰富,这也从一个侧面证明了索尼在此领域领先三星的优势。


当然我们在此并非贬低三星,毕竟三星是目前除了索尼之外,排名第二的图像传感器厂商,且大有后来居上的势头。最典型的表现就是前述首发的6400万像素传感器GW1和即将到来的1.08亿像素数的图像传感器。

对此,索尼作何反应不得而知。有业内称,索尼应该也已经有6400万像素级的产品在路上,只是尚未对外发布。不过按照前述索尼IMX586和三星GM1同等像素下的对比看,即便是像素数相同,二者依然存有差距。

这也很好地解释了为何索尼IMX586多用在中高端机,而三星GM1多用在中低端机的主要原因。这颇有点类似手机芯片领域中的高通和联发科,在芯片硬指标几乎相同的情况下,在实际的手机应用中,联发科往往会低一个档次,这背后还是有实质性的技术差距。

另外,从DxOMark手机拍照排名靠前的4800万像素级的旗舰手机看,几乎清一色地采用了索尼的IMX586(例如目前排名第四的荣耀20 Pro和一加7Pro、排名第9的小米9)。而在前置摄像头拍照评测中目前排名第二的华硕 ZenFone 6也是得益于索尼的IMX586(注:ZenFone 6采用的是旋转式摄像头,后摄旋转即是前摄)。

深度定制与优化,手机厂商拍照差异化与领先的关键


既然与手机拍照密切相关的基础CMOS掌握在索尼和三星上游供应链的手里(手机厂商必须采用),那么对于手机厂商来说,是否意味着失去了以己之力提升和形成差异化竞争优势的空间呢?

以上述DxOMark的榜单为例,也许人们会纳闷为何没有提及手机拍照最强的华为(例如P30 Pro)和新近进入该榜单第一的三星发布不久的Samsung Galaxy Note 10+ 5G,以及一直享有拍照最好口碑的苹果?

别急,因为这三家手机厂商在DxOMark排行榜上都不止一次名列第一,且呈现出交错更迭的竞争态势,更重要的是,它们三家之所以如此,是因为它们在手机拍照上,或采用深度定制CMOS,或优化,或二者并举,从而成为手机厂商在拍照方面实现差异化竞争优势的代表。

不知业内是否还记得,华为手机在拍照方面名声鹊起,源于去年年初发布的P20系列手机,尤其是P20 Pro,一经发布上市便占据了DxOMark手机拍照榜单的首位,一直到去年年底Mate20系列接棒,再到今年年初P30系列继位,历经一代半(从P20到Mate20 Pro再到P30 Pro)华为霸榜接近一年的时间。

期间,作为主要对手的苹果和三星虽然也历经了一代手机的发布,但始终未能撼动华为在拍照方面第一的位置。原因何在?

需要声明的是,由于影响手机拍照的硬件因素(例如镜头模组、材质、ISP的处理能力等)很多,但鉴于CMOS传感器是决定拍照质量最基础和最重要的硬件之一,同时由于COMS本身代际的差异,也最容易体现出手机厂商深度定制和优化的能力,所以我们在分析时,主要围绕CMOS的参数比较和最终在手机拍照上的表现来看看深度定制和优化方面的重要价值。


如图所示,我们看到目前手机厂商旗舰机采用的主流CMOS,细心的读者会发现,华为采用的索尼IMX600只有华为的手机在使用。原因很简单,这是华为向索尼定制的一款CMOS。

从影响CMOS性能表现的传感器尺寸(就是所谓底大一级压死人的那个底)、像素数、像素大小三个主要指标看,除了像素数略逊于去年发布,今年国内主流旗舰机采用的IMX586外,在其他两个相较于像素数更为重要的指标上均大幅领先包括当时三星和苹果(三星去年的GalaxyS9和Note9疑似采用的是三星的ISOCEEL S5K2L4,苹果去年的iPhoneXS Max疑似采用的是索尼的IMX363,二者CMOS的参数基本相同,其中像素数均为1200万)等对手,而这成为搭载此CMOS的华为P20 Pro和Mate20 Pro一直占据DxOMark手机拍照排名第一的关键所在,同时也印证了独家定制CMOS硬件本身的重要性。

不过随着今年索尼IMX586开始进入旗舰机市场,华为此前采用IMX600,排名一直领先的华为P20 Pro和Mate20 Pro终于被搭载IMX586的荣耀20 Pro和一加Pro7超越,但因为年初P30系列的发布,借助P30 Pro在拍照上的出色表现,华为再次在DxOMark手机拍照排名上位列第一,并将这一优势延续至前不久三星发布的Samsung Galaxy Note 10+ 5G。

到这里出现一个表面上看比较令人困惑的结果,就是华为定制的索尼IMX600在主要参数(例如传感器尺寸、像素大小)领先于IMX586的情况下,为何P20 Pro和Mate20 Pro败给了搭载IMX586的荣耀20 Pro和一加Pro7,但到了P30 Pro到反超了呢?

其实此处有个小小的误区。外界普遍认为,华为P30 Pro依然采用的是定制的IMX600,但实际上是IMX650,虽然主要参数和IMX600相同,比如同样最高4800万像素、1/1.73英寸的传感器和1.0/2.0的像素大小,但却加入了颇具挑战性的创新。


最主要的体现就是使用RYYB滤镜取代了具有40多年传统的RGGB滤镜,从而让进光量提升了40%(我们理解就是变相起到了增大传感器尺寸的作用)、最高感光度更是达到了ISO409600,在纯黑环境下只要有一丝光亮就能捕捉足够多的细节(注:夜拍是P30 Pro最大的卖点之一)。但随之而来的问题是,由于采用了RYYB滤镜,其容易出现偏色(例如偏黄)的负面效应,为此,据称华为花费了近3年的时间研究解决此问题的算法,不断优化,最终克服了这一负面效应。

由此看,IMX650更像是IMX600的升级版,而华为在此过程中通过定制、CMOS级别的再创新和算法优化大幅提升了IMX650的表现,并借此拉开了与采用开放版的索尼IMX586的距离,重新占据DxOMark手机拍照排名榜首也自在情理之中,也证明了高效的定制和优化实际上具备相当的门槛。

接下来我们再看下三星和苹果。与华为等中国主流手机厂商相比,在拍照上,它们是少有在CMOS指标上大幅落后的厂商。比如目前苹果的iPhone XS Max和三星最新的Galaxy Note 10+ 5G依旧采用的是1200万像素级的CMOS,远远落后于华为目前P30 Pro的4000万像素级和采用索尼IMX586的4800万像素级CMOS的国内其他手机厂商。

不仅是像素数,在传感器尺寸、像素大小上,也与华为等中国手机厂商存有较大的差距,也就是说在决定手机拍照的重要硬件CMOS上,三星和苹果远不及华为等国内厂商。

那么问题来了,为何在硬件存有如此大的差距,但在最终的成片品质上,彼此的差距却很小,甚至多数情况下都超越了中国手机厂商呢?

以三星最新发布和霸榜DxOMark手机拍照排名的Galaxy Note 10+ 5G版为例,其采用的像素数为1200万的ISOCEEL S5K2L4还是S7时代的产物,一直沿用至今,甚至借此超越了华为的P30 Pro,其中三星算法优化的功力可见一斑。


与三星类似,苹果的iPhone在1200万像素数级别也是坚守多年一直未变,其中疑似采用的索尼IMX383的主要参数与三星的ISOCEEL S5K2L4几乎一致,同样不及华为,但在实际出片的品质上却与华为相差无几,这同样得益于苹果在算法优化上的优势。


其实细心的读者只要稍加观察就会发现,虽然华为定制的IMX600,包括索尼最新的IMX586与苹果采用的IMX383(包括同级的三星ISOCEEL S5K2L4)相比,在传感器尺寸、像素数上占据了相当的优势,但在像素大小上却有着两种不同的表现。

例如IMX600和IMX586原始的像素大小分别为1.0和0.8 μm,经过四像素合一技术后分别为2.0和1.6μm;而IMX383的像素大小只有一个数值(无需采用四像素合一技术),即原始像素尺寸为1.55。由此可以看到,仅就原始像素大小而言,IMX363反而大于IMX600和IMX586。

对此,有业内观点认为,所谓四像素合一并非0.8μm的像素突变成1.6μm大像素那么简单:四个像素的表面积的确比一个像素大,但它还是无法和一个真正的大像素相比,因为像素合成、ADC设计,以及像素间隔断牺牲的表面积,对于成片带来了不少负面影响,例如还原真实色彩的难度会更大,解析力达不到实际标称的像素数水平等。

还有一点不容忽略的是,无论是4000万像素的IMX600,还是4800万像素的IMX586,通过四像素合一技术默认的分别是1000万和1200万像素的输出,所以从实际成片的角度看,IMX600、IMX586以及IMX383远没有参数标称的差距那么大。

由此里看,三星和苹果多年执着于1200万像素级CMOS的不断优化和打磨,有着自身对于拍照技术和实用性的深刻理解。这点国内厂商与之相比仍现存有一定的差距。

另外,据金融公司Cowen在一份投资者备忘录中的分析报告显示,iPhone XS/XS Max的后置摄像头元件大约34.5美元,而三星Galaxy S10+则达到了44美元,华为P30 Pro更是高达56美元(约合376元)。换言之,仅从一套相机模组来看,三星是苹果的1.3倍,华为更是苹果接近1.7倍。

由此不难看出,华为P30 Pro在拍照上的出色表现,与拍照相关硬件上的投入确实起到了不小的作用,也从一个侧面折射出与三星和苹果相比,在优化算法上,华为还有提升的空间。

定制、优化继续 ,谁能成为新的拍照王者


继三星Galaxy Note 10+ 5G超越华为P30 Pro成为DxOMark手机拍照排行榜新的冠军之后,目前在该榜单的前5排名中,华为(包括荣耀)和三星分别占据两席,平分秋色。双方都是历经半年左右的时间,通过自身的定制和优化,让排名交替更迭,竞争激烈,水平相当可见一斑。

而到今年年底前,三星的旗舰机已经发布完毕,华为重磅旗舰机Mate30系列和苹果新一代的iPhone11即将登场。


根据业内各方透露出的消息看,Mate30系列中的Mate30 Pro在拍照上将迎来重大升级,其中最为引人注目的是三个摄像头中的两个将是4000万像素1/1.73英寸和1/1.55英寸像素传感器。

从这个基础的数据看,其CMOS依然是IMX600打底和在此基础上的进一步升级,尤其是那颗1/1.55英寸的传感器,让业内不得不猜测华为是用何种方式再次实现了比IMX600更大的底,抑或是又重新深度定制了CMOS?总之,更大的底将扩大华为手机在夜拍领先的优势。


此外,配有两颗目前业内最大底的摄像头,二者的组合会给拍照带来何种新的功能也令人期待。

至于苹果新的iPhone11,有一种传闻称,其将与三星一样,继续在1200万像素级打磨优化算法,尽可能地榨取这颗摄像头的潜力和价值。还有一种说法是其将升级到2200万、2100万、800万像素的镜头组,如果是这样,加上苹果算法优化的实力,其拍照的水平势必会有一个相当明显的提升。

除了上述华为、苹果和三星在拍照的PK外,近期三星发布的6400万像素ISOCELL GW1的手机可能也会加入到PK的阵营,因为小米和Realme都已经对外声称会发布搭载GW1的手机。此外,据韩媒ET News报道,三星A70手机的升级版A70s也将会首先搭载GW1。


不知业内从上述这些零散的信息看到了什么?

我们看到的是,这款6400万像素ISOCELL GW1是一款通用版的CMOS,而非是小米或者Realme的独家深度定制,至于独家深度定制和通用版的区别,我们在上述华为深度定制的IMX600已有分析,此处不再赘述。

另外,从三星将其首先应用到自家中端手机,而非旗舰机看,这款COMS是否真的成熟?后期相关厂商优化的冗余度究竟有多大都是疑问。

还有重要的一点,就如我们前述,三星和索尼在图像CMOS上存有不小的技术差距(例如此前真假4800万像素之争),所以仅以像素数的多少来判定6400万像素ISOCELL GW1就是当下最好的CMOS,就能带来更好的拍照,肯定有失偏颇。

其实我们从公开的6400万像素ISOCELL GW1主要CMOS的参数看,其与IMX600(包括升级后的IMX650)相比也没有明显的优势。1/1.7英寸的传感器与IMX600的1/1.73英寸几乎相同(这点值得肯定,也很重要);像素大小GW1为0.8/1.6,不及IMX600的1.0/2.0。

只是在像素数上占据优势,但从最终经过四像素合一技术最终输出仅为1600万像素看,也只是比IMX600的1000万像素的输出高出600万,远非标称的6400万与4000万间存在着2400万那么大的差距。

不过就像此前传闻,如果华为Mate30 Pro真的有一颗1/1.55英寸大底CMOS存在的话,那么GW1刚刚与IMX600的1/1.73英寸大底抹平的态势又变成了落后。届时深度定制优化的IMX600或者IMX650依然会领先GW1。再加上华为本身在算法优化上的优势,实际拍照表现超越6400万像素GW1的小米和Realme机型将是大概率事件。

最后我们说下更玄乎的三星与小米合作,未来可能推出的全球首款 1 亿像素的传感器的手机。


这里我们不妨先引用下此前业内对于三星6400万像素GW1的评论。蔡司公司CEO兼总裁Michael Kaschkel在接受媒体采访表示,智能手机行业(高像素发展)现在已经遇到了处理速度、降噪与成本方面的瓶颈,他认为凭借现在的智能手机的发展水平,手机不需要4000万像素以上的传感器,目前它们根本没法充分利用好这些功能。那么这种观点推演到1亿像素上,挑战将更加严峻。

实际上,从手机拍照三强的华为自去年开始至今一直在最高4000万像素打磨,以及三星和苹果圈定在1200万像素多年的“摩擦”看,在这些大佬眼中,对于过高像素予手机拍照的意义和价值心里都有自己的一杆秤。

综上所述,从始于去年的4000万级到今年呼之欲出的6400万,直至曝光的1亿级像素数的手机拍照大战看,背后起主要作用的首先是CMOS两大厂商索尼和三星,而手机厂商在此过程中,PK的还是深度定制和优化的实力,也是决定谁能成为手机拍照新的王者的关键。


*免责声明:本文由作者原创。文章内容系作者个人观点,半导体行业观察转载仅为了传达一种不同的观点,不代表半导体行业观察对该观点赞同或支持,如果有任何异议,欢迎联系半导体行业观察。


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