RYYB感測器是個什麼鬼？手機鏡頭能否靠它逆襲？

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複雜的元件之一，它通常都是由PCB主板、CMOS感測器（SENSOR）、固定器（HOLDER）和鏡頭（LENS ASS′Y）構成。

CMOS感測器（SENSOR）

其中，鏡頭又是由透鏡（5片起步，數量越多越好，玻璃材質優於樹脂）、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，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，受限於兩類設備的體型差異，手機鏡頭的開孔普遍只有8mm，這又如何能與單反專用的「長槍大炮」對決？

感測器尺寸

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成像畫質這麼一條出路。比如，增加CMOS感測器尺寸，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感測器是不現實的，歷史上諾基亞808 PureView所武裝的1/1.2英寸就已經是極限了。

時至今日，無論是IMX586、IMX600還是IMX650，這些頂級超大像素感測器的尺寸也只有1/2.0英寸和1/1.7 英寸左右，雖然較手機常用的那些1/2.x英寸感測器相比算是「大底」，但是和專業相機的鏡頭相比就完全不夠看了。

提升進光量

再比如，提升CMOS感測器的進光量，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，增加感測器尺寸、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，鏡頭光圈和感測器尺寸一樣，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1.6μm的單個像素感光面積，更高端的IMX600感測器也不過2.0μm，依舊存在天花板。

在這個大環境下，大家就只能另闢蹊徑，從改造CMOS感測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感測器同樣存在可以感知不同顏色的「細胞」，只是它們被稱之為像素點，並以「拜耳陣列」（Bayer array）的形式加以排列。

什麼是拜耳陣列

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，於是他嘗試在CMOS上方增加了一塊濾鏡，採用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。

因此，幾乎所有的CMOS感測器就都採用了RGBG排列方式，也就是我們常聽說的「拜耳陣列」，或者是「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於「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信息。

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。

想要得到最接近於真實的顏色，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餘顏色信息，業內將這種「猜色」的過程稱為「反拜耳運算」。

換句話說，由於拜耳陣列存在「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，它只能無限接近於真實，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演算法的不斷優化，給了優化CMOS結構的空間。於是，我們就看到了所謂的「RGBW」、「RWWB」和「RYYB」 等CMOS結構。

RGBW結構

由於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「RGBW」陣列排布，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 X，Moto Droid Mini、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在感測器、摩托羅拉在手機市場的影響力有限，這種RGBW CMOS並沒被太多用戶知曉。

真正將RGBW發揚光大的，則要數2015年索尼推出的IMX278感測器（後續推出的IMX298也是這種結構，後者曾被用於華為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%，並曾被華為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2015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，其主要的構成部分就是採用「RWWB」結構的CMOS感測器，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時依舊主打這一技術，但時至今日也沒有一款RWWB 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RWWB CMOS一直停留在紙面階段，但這並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，那為何不幹脆徹底丟掉分色濾鏡，讓CMOS實現光線全透呢？於是，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，由於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，通過雙攝 演算法的方式獲得遠比採用傳統RGBG以及RGBW CMOS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

得益於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，拋開感測器尺寸、光圈和單個像素感光面積等參數不談，這幾款手機採取了劍走偏鋒的一招險棋——將傳統RGBG拜耳濾鏡（為了便於對比，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%。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。

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，在亮度上是兩者的疊加。將三原色重塑後，RYYB CMOS在色彩原理上就將與RGGB產生根本性變化——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，由於黃色像素較多，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，背後需要一套更加強大的硬體ISP和更為成熟的成像演算法支持。華為終端手機產品線總裁何剛就曾表示，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，依舊有不少用戶曝出了拍照偏色的問題，隨著後續固件的升級這個現象才慢慢變少。

在智能手機的外觀設計、SoC和其他硬體趨於同質化的今天，誰能在影像之路上走的更遠，勢必可以顯著提升競爭力。而定製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，而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AI技術的不斷革新，新一代成像演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。

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