三星GalaxyS20Ultra如何通過NonaBinning拍攝出色的照片

智慧型手機相機百萬像素級的戰爭已停止了數年之久，但在2019年又恢復了增長。配備大型40MP Quad Bayer傳感器的Huawei P20 Pro(評測)和Huawei Mate 20 Pro(評測)於2018年問世。百萬像素傳感器不一定不利於弱光攝影。得益於漂亮的4合1像素合併和強大的夜間模式，華為2018年的旗艦智慧型手機能夠輕鬆地在低光攝影領域處於領先地位，在某些情況下甚至可以匹敵Google的HDR +和Night視線必須提供。2019年，受華為啟發，高百萬像素Quad Bayer傳感器成為主流智慧型手機廠商的主流產品，採用了某種形式的48MP索尼IMX586，48MP三星GM1和GM2的64MP三星ISOCELL GW1，最後，最新的索尼64MP IMX686。小米隨著Mi Note 10的發布而嶄露頭角，它配備了108MP三星ISOCELL HMX主傳感器。在新推出的三星Galaxy S20超是市場上第二手機中使用的108MP的主攝像頭(不包括彌阿爾法混合概念手機)，但它的工作流程是不同的。讓我們詳細介紹。

Galaxy S20 Ultra是三星Galaxy S20系列中的旗艦手機，其規格和價格相匹配。常規的Galaxy S20和G​​alaxy S20 +使用新的12MP主傳感器，像素大小為1.8微米，而Galaxy S20 Ultra則升至108MP主傳感器。不過，這與Mi Note 10傳感器不同。Galaxy S20 Ultra使用的是ISOCELL HM1傳感器，比Mi Note 10中使用的ISOCELL HMX略有改進。它的速度為8K @ 24fps錄像，一個。更有意思的是，它從Mi Note 10中使用的4合1像素合併到可生成12MP照片的新9合1像素合併。三星將其稱為nona binning，這是第一款使用3×3像素合併而不是2×2像素合併的手機。Galaxy S20 Ultra可以在高解析度108MP模式和非像素合併12MP模式之間動態轉換。

要了解為什麼這樣做有好處，讓我們看一下像素合併的工作原理。

高百萬像素Quad Bayer傳感器上的像素合併

在2018年之前，基本上每個智慧型手機相機都具有拜耳彩色濾光片陣列。華為P20 Pro和華為Mate 20 Pro是首批使用Quad Bayer傳感器的手機。簡而言之，Quad Bayer傳感器的色彩解析度低於標準Bayer布局的傳感器。例如，在IMX586上，攝像頭傳感器上的物理濾色鏡僅具有12MP的有效解析度。通過在邏輯像素之間重新排列子像素，此類傳感器的ISP能夠從傳感器中獲得虛擬的48MP拜耳結果。應該清楚的是，這種方法不如使用標準的拜耳濾波器好。具體區別是什麼?據AnandTech稱，48MP IMX586具有接近27MP的空間解析度，因為它只能在中途提高空間解析度。

為什麼要使用Quad Bayer傳感器?它們之所以有意義，是因為到目前為止，如果設備製造商想要集成一個高百萬像素傳感器，它們是市場上的唯一選擇。通過使用4合1像素合併可以減輕它們的負面影響，該合併將四個像素在傳感器級別組合為一個像素，以減少噪聲，改善動態範圍並改善每個像素的細節。將多個像素組合成一個像素並不是一個新主意。它是在2012年和2013年使用諾基亞808 PureView和諾基亞Lumia 1020完成的。以前，我們的想法是將多個噪點像素合併為一個乾淨的「超級」像素。Quad Bayer傳感器的出現導致像素合併的普及。

像素合併的理論是這樣的。華為旗艦產品上定製的40MP傳感器的像素大小為1.0微米。主流的48MP和64MP傳感器的像素尺寸更小，僅為0.8微米。即使108MP ISOCELL傳感器也具有相同的0.8微米像素尺寸，因為當解析度與傳感器尺寸同時提高時，像素尺寸保持恆定。當像素尺寸減小時，低光圖像質量受到不利影響。弱光照片受像素對光的敏感度的影響很大，因此，經驗法則是採用更大的像素大小，旗艦12MP傳感器的像素大小約為1.4微米。

從理論上講，Quad Bayer傳感器通過像素合併來規避此限制。華為的4合1像素合併默認情況下以「有效像素大小」為2.0微米生成10MP張照片。默認情況下，48MP和64MP傳感器對12MP和16MP照片使用4合1像素合併，有效像素大小為1.6微米。小米Mi Note 10默認情況下以有效像素大小1.6微米對27MP照片使用4合1像素合併。這樣一來，他們就可以在低照度條件下獲得競爭優勢。當然，智慧型手機攝影是一個複雜的領域，圖像處理是同等重要的因素，但是所有其他因素都是不變的，有效像素大小為1.6微米應該比1.4微米更好。在實現如此高的百萬像素Quad Bayer傳感器方面，一些設備製造商比其他製造商更成功。Google Pixel 4通過改進HDR +和Night Sight形式的計算攝影來彌補它。

因此，我們現在有一個市場，其中甚至更低的中檔手機也具有48MP和64MP Quad Bayer傳感器，因為與傳統的12MP或16MP傳感器相比，它們基本上沒有真正的缺點。使用4合1像素合併，無論如何在大多數照明條件下，尤其是在弱光條件下，最終照片的解析度均為12MP。高解析度的好處來自日光，某些手機確實提供48MP模式以利用提高的空間解析度。

Galaxy S20 Ultra是像素合併方法的邏輯演進。到目前為止，使用高像素傳感器的手機已經使用2×2像素合併將四個像素組合為一個像素。例如，這使有效像素大小從0.8微米增加了一倍，達到1.6微米。但是，使用108MP傳感器，有可能一次合併更多像素。4合1像素合併將導致27MP像素合併模式，對於一般照片而言，該模式仍然過大。同樣，有效像素大小為1.6微米的27MP照片還是不錯的，但是如果有效像素大小為2.4微米的12MP照片可以怎麼辦?

三星通過使用3×3像素合併將9個像素合併為傳感器級別的單個像素，從而實現了2.4微米的有效像素大小。「 Nona binning」僅是公司的3×3 Binning營銷術語。這會將9個相對嘈雜的像素合併為一個大而乾淨的超像素，從理論上講，它將進一步增強低光靈敏度。智慧型手機相機中聞所未聞的2.4微米有效像素大小。唯一的相似之處是OmniVison的48MP OV48C圖像傳感器，該傳感器在CES上推出。它輸出標準的拜耳照片，並具有1.2微米的像素大小，該像素大小使用近像素合併功能以2.4微米的像素大小實現12MP照片。儘管它具有很好的規格，但它尚未進入任何運輸電話。

因此，三星的方法在理論上是兩全其美的。該公司表示，手機將在高解析度的108MP模式和12MP的非像素合併模式之間動態轉換。在白天，如果圖像處理能力不佳，它應該能夠拍攝超高解析度的108MP照片以捕獲遙遠的細節並進行更有效的裁剪。在弱光條件下，它將使用9合1像素合併技術動態切換到12MP模式。弱光攝影受像素大小的影響遠大於解析度。從理論上講，即使解析度從27MP(2×2合併)降低到12MP(3×3合併)，在弱光下進行3×3像素合併也比2×2合併更具意義。

因此，Galaxy S20 Ultra的108MP傳感器在紙張上沒有任何弱點。實際上，無論在白天還是在弱光下，它都應該成為新的圖像質量冠軍。在我們保留自己的判斷力直到我們自己測試手機之前，三星已經在紙上做出了正確的決定。我個人毫不懷疑，如果執行得當，將會有更多使用108MP傳感器的供應商從4合1裝箱轉向9合1像素裝箱，從而在低光下獲得更好的照片。Galaxy S20 Ultra絕對是一款有趣的手機，它使我們充滿希望，今年智慧型手機相機的性能和圖像質量將再向前邁進一步。