手机摄像头象素标注的小把戏

[guest]

感谢Archon的投递
这几年来拍照手机可谓热度越来越高，500万已经不好意思见人，800万只能说是主流，1000万才好意思说高端，消费者也很乐于看到像素数的一路攀升。前几天刚刚发布的iPhone4S也把摄像头作为宣传的重点，号称这枚800万象素的摄像头是很多人拥有的品质最好的拍照设备，并给出了样片。诚然，样片的确是非常靓丽，但放大到100%原片以后，我们还是发现了一点问题。

可以看到，本来应该是连续的线条，出现了水平和垂直的断痕，看起来像是被拉伸过一样――但是这是800万象素的摄像头输出的800万象素照片啊，怎么会拉伸过呢？难道苹果也玩硬件缩水的把戏吗？其实不是。

我们知道，液晶本身是没有色彩的，只能控制亮度的强弱，于是为了实现彩色，就需要把每一个彩色象素制作成3个独立的子像素，然后在上面覆盖上红、绿、蓝三色的滤光片，再组合成一个彩色的象素。与屏幕一样，作为传感器的CMOS，本身也是只能识别亮度而不能识别色彩的（当然也有可以直接识别色彩，但那种很稀少，而且很贵，手机上没人用）。因此也需要在CMOS的表面覆盖一层滤色片，才能实现彩色图像拍照。

下面一张图画出了常见的CMOS传感器与液晶屏的子像素分布图。

值得注意的是，液晶屏的一个彩色像素，包含了3个子像素，而CMOS中则包含了4个，其中绿色有两个。这是因为人眼对绿色的敏感度最高导致的。所以一个彩色分辨率为960×640的液晶屏，液晶面板上实际上包含了960×1920个真实存在的像素。

按道理而言，CMOS也应该是这样，也就是物理象素数＝彩色像素数×每个像素的子像素数，因此800万像素的传感器，实际上应该包含3200万个物理像素――也就是光敏MOS管的数量。但是实际上并不是这样的，在这里，厂家们玩了个小把戏，他们标注的像素数，就是物理像素数，也就是说，一片标称800万像素的传感器，上面只有800万个物理像素，其中200万个红色的，200万个蓝色的，400万个绿色的。这样的传感器可以输出的最大不失真彩色像素点，实际上只有标称像素的四分之一，也就是200万，而不是800万。

所以，目前手机上的彩色传感器，实际分辨率基本上都只有标称分辨率的四分之一。而手机可以输出与标称数相同的彩色图像，则是靠插值来实现的――通过某些算法，把原始的200万彩色像素数据扩展到800万像素。这也是为什么上面iPhone4S的照片中本该连续的绳索出现了垂直和水平的断痕――它被放大了4倍。需要注意的是，这个问题不止iPhone4S有，几乎所有手机，甚至相机，都有这个问题，仅仅是扩展算法的好坏差距而已。如果扩展算法好，那么看起来就会比较好，反之就比较差。也正是因为这个原因，照相机才可以通过调整固件的方式来改善画质。

最后，作为例证，我们来分析一颗传感器的参数。引用:

Features
Image Sensor 14.6Mp sensor with 1/2.33" optics
Pixel size: 1.4 um
Backside illumination sensor
Effective resolution: 4400 (H) x 3300 (V)​

光学参数为1/2.33寸，也就是说传感器的对角线长度大约在8毫米。传感器的比例为4:3，因此水平方向的长度应该是6.4毫米。参数中提到了，像素尺寸为1.4微米，那么6.4毫米能容纳多少个像素呢？大约4570个，和标称的4400个很接近。因此，如果1460万像素的标注是彩色像素，那么水平和垂直上就应该有8800和6600个像素，而实际上只有这个数字的四分之一，这就说明了传感器的标注的确仅是光电管数量，而不是实际的彩色分辨率。