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这才是真正的单反血统:三星GW1技术揭秘

作者:admin

2019-11-28 19:19:01     

从2018年到2019年,智能手机市场的“超高像素”趋势可以说是愈演愈烈。虽然我们的三一生活实际上不止一次提醒我们,即使是最强大的旗舰智能手机也无法在当前的技术条件下充分实现超高像素设计的潜力。然而,必须承认,由市场需求驱动的智能手机摄影革命客观上加速了新技术的变革,将可能只存在于高端相机或少数相机手机中的旗舰cmos、高端算法和专业功能带到了更多价格更低的产品中,让更多消费者享受到了技术竞争和市场竞争带来的好处。

首款6400万像素gw1运营商:redmi note8 pro

当然,当谈到相机手机的技术竞争时,首先会想到几个著名的手机品牌。然而,事实上,从去年开始,不难发现智能手机的高像素摄像头配置。他们背后实际上是索尼和三星cmos供应商之间的大规模对抗。在4800万年的时代,索尼凭借硬件的直接图像质量优势和更高的定价策略,成功建立了imx586“高端”形象,令三星gm1有些尴尬。但不久之后,随着三星6400万像素gw1首次上市,它成功地在瞬间扭转了下降趋势,并将超高像素照相手机的设计带入了一个新时代。

三星gw1 cmos的优势是什么?普通消费者可能会首先注意它的6400万超高像素。毕竟,当光线充足时,更高的像素意味着更好的分辨率,而且它们在市场推广方面会有更多的优势。不过,对它略知一二的朋友可能更关心它的1/1.7英寸cmos尺寸,因为它是目前市场上智能手机中最大的cmos尺寸,也是目前市场上唯一一款没有定制、没有限量型号品牌的1/1.7英寸超大底手机图像传感器。它的出现也打破了此前华为p30pro和mate20 pro垄断超大底cmos的市场局面,将顶级摄影体验带入低至1000元的手机价格区间。意义不是微不足道的。

但事实上,在三星gw1中,仍然有比纯“大底”和“高像素”更黑的技术和更有意义的成像技术。然而,它并没有引起足够的关注,甚至制造商在发布新机器时也没有刻意提及。

正因为如此,我们三个轻松生活的今天给你们展示了流行科学的三星gw1出现在这,不仅是真正具有“单一反射谱系”,而且对日常摄影体验技术——DCG(双转换增益)电路有着重要意义。

首先,你应该知道“像素”不能自己成像。

老实说,我们相信当大多数读者看到明显相当专业的名字“双重转换收益”时,他们可能已经退缩了。但是不要害怕!事实上,它的原理并不太复杂,如果你理解它,你就能真正理解“手机如何拍照”的整个过程。

首先,我们想问你一个问题:你真的知道cmos吗,或者图像传感器是如何工作的?

也许有些朋友会马上说:我知道!这不是光电转换吗?Cmos像素将光信号转换成电信号,然后再转换成图像。

咳咳咳咳...这是典型的半知半解,事实上,“光敏”只是cmos成像过程的第一步。对于现代cmos,当光照射在半导体像素上时,每个像素将自身捕获的光能转换成电能,对应于图像明亮部分的像素将接收更多的光并产生更多的电能(电子数)。对应于图像黑暗部分的像素点,接收到的光较少,产生的功率也较少。然而,将自然界的明暗光学转换成传感器上的分压的过程就是今天数字成像的所谓“敏化”。

你发现什么问题了吗?是的,当感光完成时,电荷仍然在cmos半导体元件上,并且电信号不能被直接转换成图像。因此,为了能够释放光敏元件上的电荷(否则,它将不能继续光敏),并且也为了实现电信号处理的下一步,cmos中有两个重要部件位于光敏元件的后端,它们分别是电容和功率放大电路。电容器直接捕获光敏元件产生的电荷,而功率放大电路进一步增加电压信号,便于最终adc(模数转换单元)将电压信号转换成图像中熟悉的数字信号。用一个简单的文本流程图来描述这个过程,即:

感光单元(光信号转换成电信号)→电容器(存储电信号)→功率放大器(放大电信号)→adc(最终将电信号转换成图像数字信息)

这是cmos的真正“切片工艺”。

白天高动态,晚上低噪音?这曾经是一个难题

了解了数码摄影设备成像的基本原理后,现在我们终于可以揭示光敏元件背后传统cmos的一个大设计问题:这就是增益转换电路的困境。

首先,我们都知道cmos面积越大,总像素越少,那么单个像素的光输入就越大。然而,“光输入量”不能直接确定最终的图像信息。真正起关键作用的是光敏部分产生的电荷量和电容部分捕获的电荷量。例如,两个cmos具有相同的面积和相同的像素数量。在照片拍摄中,它们都产生10,000个电子。然而,传感器A的电容是10,000,而传感器B的电容只有1,000,所以传感器A一次可以捕获的图像信息是10,000,传感器B的图像信息只有1,000,额外的9,000个电荷被浪费了。

在最终成像中,大电容cmos理论上将比小电容cmos具有10倍多的图像信息和容差。这意味着大电容设计可以更好地适应大光比场景。例如,在强光下,大电容cmos可以更完整地记录图像从最暗到最亮的变化,并且不容易过度曝光。

即使是底部超大的旗舰照相手机,夜间的噪音和眩光也是不可避免的。

那么,这是否意味着cmos的电容越大越好?不完全是。因为电容很大,这确实意味着一次记录的图像的动态范围更大。但这也意味着信号中会有更多的噪声。你知道,cmos对模拟电路的噪声非常敏感。电压越高,电流就越大,甚至由此产生的热量就越多,都会导致图像噪声的严重增加。此外,大电容设计意味着电容后面的功率放大器电路的放大系数不能太大,否则也会导致过度曝光。

牺牲白天的成像质量,关注流星d810a

是的,如果我们假设我们现在拍摄的不是白天光线强烈、信息丰富的繁忙街道,而是夜晚宁静的星空。那么“大电容和小放大倍数功率放大器电路”的所有优点将立即变成缺点。例如,由于星空本身信息量小,但噪声大,由较大电容记录的cmos产生的电信号中不必要的成分将大大增加。然而,由于功率放大器电路的放大能力不足,无法保证使用真正需要的重要信号强度。因此,当adc将噪声和信号强度不足的电信号“转换”成数码照片时,我们可能会得到一幅张星星无法清晰捕捉但噪声很大的夜像。相反,此时“小电容高放大电路”将变得非常有利:它不仅可以降低噪声,使画面纯净而深邃,还可以充分放大所需信号,使画面的高感清晰而锐利。

综上所述,也就是说,在cmos中,负责进一步处理半导体捕获和转换的电信号的电路由电容功率放大器组成。组合模式可分为“大电容小功率放大器”和“小电容大功率放大器”。前者具有更大的图片动态范围,可以保证白天明暗对比强烈或强光直射时可以拍摄更鲜艳的颜色,从而避免过度曝光。然而,后者具有固有的高灵敏度,这更适合于在图像信息较少和曝光严重不足的情况下使图像变亮,同时有效地抑制噪声。

除了6400万像素,三星gw1的dcg是它最大的亮点。

在这一点上,我相信每个人都能理解发生了什么。因为两个增益放大电路的设计完全相反。因此,对于过去的cmos,白天(或日落)场景中的超大动态范围和夜间(或黑暗)场景中的高灵敏度性能不能同时实现。例如,著名的尼康上一代旗舰单反d810就是高电容增益电路的实际“受害者”。由于过分追求白天的动态范围和图像质量,夜间的高灵敏度性能如此之差,尼康最终不得不为单反相机的强大消费群体,即天文学家,专门开发定制的d810a型号,并进而放弃了动态范围,以实现终极“恒星拍摄”能力。

简单dcg电路原理图

那么,真的没有办法平衡白天的高质量和晚上的低噪音吗?还有一种方法,那就是在cmos中直接构建两组增益转换电路。事实上,这就是三星gw1的dcg(双转换增益)的真相。

Gw1可在白天拍摄时使用6400万像素,并配合大电容陷阱,充分实现高像素和高输入光捕捉,使hdr性能脱颖而出。晚上,四合一后的1600万像素不仅可以增加光输入,还增加了第二套小电容、高功率放大的增益转换电路,可以有效降低噪声,提高图像质量。在某种程度上,由两组增益电路的切换设计带来的cmos成像质量的改善可能比简单地增加cmos面积或像素数量更重要。

与高像素相比,dcg是真正的领先技术(图为松下s1h电影机,dcg是一个大促销)

更有趣的是,与具有高像素的小型智能手机相机备受争议的性能相比,双转换增益设计在当今相机行业更被视为高端元素。从尼康的d850到索尼的a7r3,再到松下刚刚发布的专注于6k专业摄像的s1h,都依靠cmos双转换增益设计来“吃掉”日夜拍摄的场景。因此,从某种意义上说,三星gw1的确有资本宣称自己是一款“可比拟的顶级相机”,但原因不在于6400万台,而在于其后端电路设计,这一点很多人都没有注意到。

[本文中的图片来自互联网]

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