1亿也远非终点，三星HM1图像传感器解析与测试

在此前的视频中我已对三星HM1传感器1.08亿像素的现实意义进行了展示，与6400万像素GW1类似，可以带来比较明显的解析力增益，特别是在大面积、高分辨率显示器上观看时，1.08亿全开的高频信息还原优势是十分明显的。因为它是建立在0.8微米单像素边长基础上的总面积扩容，来到了1/1.33英寸，所以LW/PH值自然会有所增加，至于像素尺寸的问题，结合奈奎斯特采样定律的基本诉求：采样频率需要2倍于原始信号频率才能有效还原，即便是可见光的最长波长780nm，以F1.8光圈理想镜头进行成像，衍射图案峰值间距也有1.71微米左右，0.8微米像素略高于奈奎斯特采样标准，所以在制造工艺有保障的前提下，像素的确是越小越好。

事实上，对手机成像真正的限制是镜头，1/1.33英寸的成像圈直径来到了12mm，与15.86mm的1英寸已经比较接近，而大家如果仔细观察市面上的1英寸相机不难发现，它们的镜头设计体型都远远大于手机，所以如果单纯比光学素质，1英寸相机因自由度更高所以胜面很大，也正因为大底手机传感器对镜头光学总长有着非常苛刻的要求，所以一般来说手机成像系统的设计是光学与数字校正的联动，以此来弥补较低硬件天花板带来的不足。

基本上1亿像素级别的手机摄像头因为对像差校正提出了更高的要求，所以一般会标配8P镜头，也就是总计8片塑料镜片。对于光学设计来说，镜片多意味着校正手段的增多，比如后组的增多有利于降低第一镜片的焦距，避免光焦度过于集中，利于提高成像质量，除此之外还有一个重要的作用就是改进新增的中后段镜组物像两面矢高比例，扩大像方视场角，增大像高，以满足大底成像需求。

除此之外，为提高性能上限，再加上丙烯酸酯、聚苯乙烯等塑料模压加工的成本也相对较低，所以手机镜头的每一片镜片基本上都是双旋转对称非球面（而且8片从绝对量来说也不算多），也在尽力拔高光学上限。

大体来说，这枚新镜头在HM1上的表现还是很不错的，大家如果有注意到的话，在此前的视频测试中我都截取的边缘部分，即便如此1.08亿也是非常能打，而且拍摄时滞其实也很短，并没有什么卡顿感。而且这颗镜头的暗角控制做得很好，即便是ISO 640的弱光拍摄，RAW文件极限边缘也没有出现强吃动态范围而激增的噪声：

这应该会出乎很多人预料，但对于8P设计+微透镜平移技术结合来说，新一代手机摄像头模组有此表现也算常规操作了。

而且它强光下输出RAW文件的后期空间也还不错，高光-100、暗部+100这种操作也算是游刃有余：

因为它的机内JPEG输出会狂拉锐度并大幅降噪，所以会丢失不少暗部信息和高频纹理，有工夫的话完全可以自己调。当然，如果只是在手机上看图像的话就无所谓了，随意使用即可，不过即便1.08亿输出也能做机内HDR，这一点倒是很方便，毕竟1.08亿不能输出RAW，后期空间要小不少。

三星自用的HM1基于Nonacell技术，即支持9个像素合并为1，所以默认状态下的静态输出为10800万/9=1200万，合并像素的最大目的是提高信噪比，但它的实现前提是在以读取噪声为主导的拍摄环境，也就是弱光条件下。

像素合并有几种方式，主要按信号输出前与输出后来区分，信号输出前就进行合并的方案处于电荷域，信号输出后合并的方案则是电压域或数字域，它们的区别在于：假设对传感器进行均匀曝光且所有通道量子效率完全相同，那么无论哪种合并方式，n x n个像素的合并都意味着信号值增加了n x n倍，但电荷域n x n个像素合并输出的读取噪声只有1个单位，所以合并后的信噪比增益为n^2倍；而电压域或数字域因为是先读出、后合并，就意味着读取噪声也会与信号同步增加，其增幅为n x n的平方根，也就是n个单位，这样一来，信噪比的增益幅度就是n x n/n=n倍。

换言之，9合1合并如果是电荷域，读取噪声信噪比增益就是足足9倍，电压域或数字域就只有3倍，据我所知，三星目前合并像素型手机图像传感器都是共享浮置扩散电容设计，这就意味着它属于电荷域像素合并，显然，因为全像素输出需要排队迁移电子，所以读出速度会相对慢一些，这也是为什么很多高像素传感器全像素输出时无法连拍的原因。而电压域或数字域的像素合并案例是索尼6100万像素全画幅IMX455，它提供了2x2和3x3合并模式，对于以全像素输出为主要用途的传统相机来说，做此选择也属正常。

之所以强调读取噪声，是因为在散粒噪声为绝对主力的强光环境下，读取噪声被完全压制，这时候像素合并的意义除了节省存储空间之外就没有什么实际意义了。事实上结合光学防抖和多帧降噪数字算法，HM1的1200万手持夜景模式相当出色，比如下图：ISO 3200，1/3秒快门多帧拍摄10秒，手持也能保证出片锐利，随后我会用一条视频来说明。

至于网上炒得很热闹的微距对焦问题，首先在被摄物有比较明显反差纹理时，原生相机APP的对焦速度并不慢，第三方程序调用摄像头出现问题基本上要归结于兼容性，在高像素传感器实现规模化之后就能逐步优化，当然其实我也没遇到这个问题，之前更新的补丁应该起到了效果。

三星S20 Ultra的主摄最近对焦距离差不多有8cm，作为大底传感器来说这已经算是相当不错了，1英寸底且体型厚实的的索尼RX0 II也只做到了20cm。不过这么近的对焦距离再加上固定光圈设计（为缩短光学总长，所以又回到固定形态），意味着景深会相当浅，简单计算一下差不多在1cm出头，所以当焦平面与拍摄物体面相切时就会出现比较明显的前景背景光学虚化。

不过HM1的这个8P镜组在最近对焦距离进行拍摄时有一个比较明显的问题——场曲非常大，中心与边缘不处于同一焦平面上，具体可见上图，拍摄物为5cm边长正方形。引发场曲的原因有2个，其一是像散，其二是匹兹凡和，而在一个给定的共轴光学系统中，物面位置的移动不会改变匹兹凡和，但对像散有比较明显的影响，再加上像散的大小随视场而已，往往像高越高就越剧烈，即便是已经大量使用非球面的情况下，但好在问题只出现在对焦距离拉到最近的情况下，一般的A4开张翻拍并不会出现问题，整个像场都能保证清晰度。

这里可以简单延伸一下，据传言，华为将在下一代产品上采用一片自由曲面镜片。所谓自由曲面，就是没有统一光轴、具备非旋转对称特性的曲面，它的最大优点就是光学优化空间大，从而利于简化结构，当然最重要的一点就是校正离轴非对称像差，典型的代表就是因离轴主光线细光束范围内非旋转失对称所引发的像散。自由曲面元件在LED灯具均匀照明、广视场反射型空间遥感测绘相机等领域有着重要的作用，比如哈勃望远镜就有采用一块自由曲面反射镜。

手机的小口径塑料镜片采用自由曲面设计要面临的主要问题是如何保证加工和检测精度，目前对自由曲面的检测依然沿用的是计算全息法等非球面检测法，对梯度变化较小的自由曲面表面相对适用，如果变化较大就会导致精度下降，所以理论性能有多少能够现实化，这里还是要打个问号。

再说视频，无论是9合1的HM1（三星S20 Ultra）还是4合1的HMX（小米10 Pro），最高都支持到了7680 x 4320的8K分辨率，三星应该是裁切中心部分做超采样8K 24p：

小米则是全宽输出8K 30p，理论上应该是抽行采样，若是如此，三星的画质会强于小米，但小米胜在视角明显更宽且帧率更高，而S20 Ultra的8K裁切幅度确实是相当大。当然，我没有小米10 Pro来进行对比，如果被打脸我也认了……

HM1的8K 24p只能以H.265编码8bit位深420采样进行输出，码率控制在80Mbps左右，1分钟的视频接近580MB，作为日常拍摄来说，三星S20 Ultra的视频防抖性能相当强，出片率很高，但并没有为8K配备专业模式，所以快门速度无法手动控制，高亮环境下快速移动机位时会因快门太快而出现顿挫感，总体来说，画质的提升在大屏，尤其在4K电视上观看的效果会比较明显的呈现。

但注意，如果在相对小尺寸低分辨率显示器，比如23英寸全高清显示器上观看时，即便全屏播放也会因为显示分辨率较低而出现摩尔纹，所以8K视频我建议要么在手机上看，要么在更大尺寸更高分辨率的显示设备上看，才能获得相对舒适的体验。

S20 Ultra的视频和照片都有专业模式，专业视频模式只能使用主摄，10倍变焦为数码变焦，最高支持4K 60p，但ISO不能设置为自动，而且开始拍摄后就不能更改，这意味着明暗环境切换时又只能靠自动快门速度来补偿，希望还是提供自动ISO选项……除此之外，它的视频输出都自带美颜功能，对想要相对真实还原的内容就有点具体了。

在具体的视频拍摄UI设计上，S20 Ultra其实还可以更人性化一点，比如只有主摄才支持4K 60p，这意味着如果你选择了这一规格，就无法调用广角和潜望式长焦摄像头来“光学”变焦，只能用主摄进行数码变焦，想要三个摄像头都能工作就必须选择4K 30p及以下，但系统并不会明确地提示用户。除此之外镜头变焦的顿挫感依然存在，距离“无感”切换还是有一定的距离，不过视频的综合成像素质还是很不错的。

总结一下吧，只要在不影响终端用户体验的情况下，“像素即正义”就是正确的，高像素结合像素合并意味着能屈能伸，在完全不影响已有表现（甚至还有增益）的情况下，拓展了更多的应用方式并营造更大的差异化，是目前图像传感器的主要发展方向之一。所以有时候情绪上的抵制既没有必要，也没有意义，市场自会说明一切……

PS：晚点我会上一条以录屏为主的拍摄体验视频，大家可基于此视频对HM1的表现自行判断，我就不多说了。