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三星 Galaxy S7 上的 Dual Pixel 究竟是什么鬼?

ZEALER订阅号2019-06-17 16:33:57

最近 Galaxy S7 占据了各种手机板块的头条,除了强大的性能和好看之外,相机的改进也颇为亮眼,这次 Galaxy S7 强势加入 Dual Pixel 技术,到底是什么鬼?!

下面先来欣赏一下 Galaxy S7 官方样张。好看吧?当然,官方样张大家都懂的~



这就是今天要谈的主角—Dual Pixel,正如是三星官网的宣传语“就像您的眼睛一样快速而准确地进行对焦”,为什么有如此 bug 的对焦速度,Dual Pixel 到底是“何方妖孽”呢?请看下面。


Dual Pixel 是一种基于相机 CMOS 的特殊硬件构造,使传感器相位对焦性能得到进一步提高的技术。大家可以将其理解成之前手机上所用的 PDAF(相位对焦)技术的进化版本。

在讲 Dual Pixel 的构造之前,我们首先要了解下相位对焦的基本原理。


它跟人眼判断物体距离的方式很像,如果有兴趣你可以尝试下只睁开左眼或右眼,然后快速交替,之间的视野变化就是视差。人眼会本能的,通过同一个物体在左右眼视差的变化情况来判断物体的远近,甚至运动方向,从而看清楚物体。同样的原理,相机上负责相位对焦的 Sensor 是通过成对的感应装置所产生的信号,来判断物体的大概距离以及是否合焦。

相位对焦最大的优点在于,对焦干净利落,一步到位,反映到实际使用中就是一个字:快。如果对焦点足够多,甚至可以通过跟踪物体的运动方式来进行追焦。


但缺点也很明显,首先是它必须依赖专门的硬件结构才能实现,我们常见的单反之所以看起来体积很大,主要原因就是它所采用的相位对焦装置和与之配套的反光板组件导致的。

从上图就可以看出,对焦完成,真正进入拍摄状态的时候,光线会直接照射到部位 7 感光元件上,此时机身中占据绝大部分体积的对焦组件都不起作用。单反相机的结构之所以这么复杂,主要它原本设计目的是为胶片服务的,胶片的特性就决定了,在你按下快门之前,它是绝对不可以被光线照到的。所以取景对焦跟曝光两个模块必须要分开,这是在特定技术背景下的一种相机设计方案。放在数码时代,我们常见的 CCD 和 CMOS 显然没这个必要了,它完全可以同时兼顾取景与成像两个功能,但出于传统习惯和一些商业策略上的原因,这个结构被延续了下来。甚至很长一段时间,结构复杂的相位对焦一直都是数码单反相机的专利。

那我们能否简化它的体积,让相机既不像单反那么笨重,又具备相位对焦的能力呢?可以的,消费者对数码产品性能和体积两方面的苛刻要求,催生出了一个新的方案,那就是把相位对焦装置直接集成在了感光元件上,让它摆脱了复杂的机械和光学结构。


这个技术最早出现在富士的 DC 上:F300EXR。

上图是它的 CMOS 像素分布图,那一对黄色的就是相位对焦像素了,又叫遮蔽像素,之所以这么叫是因为它只负责对焦,不像其它正常像素那样子能够参与成像,所以一般不会做的太多,只会少量的均匀成对分布在 CMOS 上。

我们常见的如三星 S6,苹果的 iPhone 6 等手机上所说的 PDAF 就是类似技术了。但由于该结构的相位对焦还有个先天缺陷,就是弱光下对焦性能会大幅度下降,因为它所采用的分光结构会损失很大一部分光线,如果环境光不够强,再这么一分摊,成对的相位对焦像素中的一个能接收到的光线就太少了,不足以让它正常工作。于是厂家一般都会在弱光下让反差对焦再次介入,相比之下,慢是慢点,但至少能够正常合焦。顺便提一句,这种硬件结构下即便光线良好,相位对焦过程也不像以前那么纯粹了,而是变成了相位对焦为主(速度快),反差对焦适当辅助(精度高)。因而,很多时候大家都将其称为 Hybrid AF 混合式对焦。



铺垫了这么多,终于讲到 S7 上面的 Dual Pixel 了。


这个技术最早在两三年前佳能的 70D 上就出现了,此后很多后继机型上都有采用。结构上来看,传统相机里每个像素底部只有一个光电二极管,


Dual Pixel 技术正如它的字面意思,就是每个像素下的光电二极管变成了两个。对,两个,正如我们之前所说的人眼判断物距原理,借助这种结构上的改进,它实现了所有像素都能够做到相位对焦,每个像素点都是相位对焦点。从而大幅提升了对焦性能。非要对比的话,就像上图所展示的,传统相位对焦是若干个对焦像素零散分布,Dual Pixel 就是满满的全像素零死角饱和打击。


在实际使用时,最大的体验升级自然是对焦更快,快到你很难觉察到它就已经完成了,而且 Dual Pixel 结构的分光原理很大程度上减少了光线损失,大幅提升了弱光下相位对焦的可用性。


另外在成像的过程中,两个光电二极管会合并在一起工作,作为一个完整的像素使用,理论上讲两者之前如果没有太大分割结构的话,是不会影响画质的。即 S7上面的每个像素都同时具备了两个身份:相位对焦 和 成像,并且能在两者之前无缝切换。

总的来说,Dual Pixel 最大的意义就是进一步提升相位对焦的性能,官方将其称为 PDAF 2.0 也正是这个意思。放在整个相机行业来看,它已然是目前最为先进的对焦技术,以往手机上很多所谓“先进”技术大都是专业相机领域的技术下放,但到了今天,连佳能引以为傲的 Dual Pixel 都已经出现在 S7 上了,手机这块小小的摄像头究竟还有多大的想象空间呢?是液态镜头?MEMS 马达?多摄像头并行?我们对此充满期待。

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