DXOMARK 解码：智能手机中的大型传感器如何影响图像质量

今年早些时候，DXOMARK 推出了解码系列文章，旨在向用户介绍与技术相关的概念，或消除技术性的误解，特别是在智能手机和其他消费电子产品领域。

DXOMARK 的智能手机科学测试实验室拥有丰富的经验与得天独厚的条件，可以使用严格的基准来评鉴用户体验，并测量设备的摄像头、音频、屏幕和电池性能。根据我们每天所见的经验，调优是在软件和硬件交互之间找到适当平衡的关键步骤，让用户可以从设备的所有功能中受益。调优平衡通常是一门艺术，涉及手机制造商的战略选择。

我们着眼于软件调优对屏幕体验的重要性。在我们系列文章的最新一期中，我们将尝试解码主摄像头的大型传感器如何影响设备照片的图像质量。

荣耀、OPPO、vivo 和小米等智能手机制造商都有在智能手机摄像头中使用大型传感器，即所谓的“1 英寸传感器”。但仅靠大型传感器就能提高图像质量吗？

我们将在本文中讨论智能手机配备大型传感器的一些优点和缺点。我们还将探讨受益于大型传感器的拍摄情境，这些情境可以用于解释智能手机摄像头配备更大传感器的趋势。

首先，我们所说的 1 英寸传感器并不是指实际测量尺寸为 1 英寸的传感器。该术语的历史与过去使用外径 1 英寸、对角线 16 毫米的显像管拍摄视频的时代密切相关，因此我们应该将此数字理解为 1 英寸摄像机显像管的等效值。在制造商表述的手机规格中，传感器尺寸通常表示为 1 英寸摄像机显像管的几分之一。

不过，有些制造商并没有说明智能手机摄像头传感器的尺寸，但如果像素数以及像素尺寸已知，则可以估计传感器尺寸。例如，就内置 4800 万像素传感器，像素尺寸为 1.22 微米的摄像头，估计传感器尺寸的公式为 4800 万像素 x 1.22 微米 x 1.22 微米 = 71.44 毫米²（传感器面积）。

此外，还需要记住的是，大型传感器并不一定意味着更高的像素数或更好的分辨率。虽然大型传感器有空间容纳更多像素，但小型传感器也可以包含与大型传感器等量的像素。影响图像质量的是传感器上像素的大小，这是制造商在所需分辨率和图像质量之间的战略性抉择，因为像素越小，信噪比越低，因此产生的图像质量也越低。

在过去几年间，智能手机制造商一直在增加传感器尺寸，以提高聚光能力。

例如，苹果扩大了 iPhone 15 Pro Max 的感光表面尺寸，比 iPhone 12 Pro Max 大了一倍，相当于增益一档。回顾 2023 年发布的旗舰智能手机摄像头，OPPO Find X6 Pro 的面积也比 iPhone 15 Pro Max 增加了一倍，同样相当于增益一档。

大型传感器的主要优点

许多智能手机用户经常对低光照片和视频感到不满，因为低光性能仍然是所有智能手机摄像头都需要改进的一个关键领域。

在胶片摄影时代，摄影师应对低光挑战的唯一选择就是延长拍摄时间。但如果拍摄对象正在移动，或摄影师手持摄像头拍摄，就可能会产生运动模糊。在数码摄影中，应对低光挑战的解决方案是在纹理（细节）和噪点之间达到良好的平衡。小型传感器通常会在最终图像中产生较低的纹理/噪点比，而大型传感器则是提高这一比率的极佳工具。

低光摄影和摄像通常是拉大小型传感器和大型传感器之间的质量差距的关键领域。  大型传感器具有更大的曝光表面，能够摄入更多的光子，而更多的光子意味着更多的信号，即使在低光下也是如此。因此，在所有条件相同的情况下，增加传感器的尺寸可以实现更好的低光性能，夜间摄影就是使用大型传感器提高图像质量的例子。

以下样张是摄影者拍摄的夜景效果。

潜在限制

另一方面，虽然大型传感器与大光圈镜头搭配也许非常适合拍摄人像和低光图像，但对于需要大景深的照片（例如风景摄影或集体合照）来说，可能并不理想。

现代智能手机使用明亮的镜头，光圈通常低于 f/2.0，与大型传感器相结合，产生了浅景深。景深是人物或物体清晰对焦的距离范围，景深越深，手机就越容易找到正确的对焦方案，有助于提高自动对焦的稳定性。

规格之外

一些巧妙的方法可以调优设备，以获得更好的图像效果。调优是充分利用所有可用的图像处理算法的艺术，可在图像信号处理 (ISP) 芯片或摄像头应用程序代码中找到这些算法。调优的做法很像烹饪：需要多次尝试和失败才能找到完美的配方。每种类型的场景都有一个配方。

摄像头制造商可以使用多种手段来调优图像效果。其中最重要的是：

•  增加传感器尺寸：直接增加光子流，从而提高信噪比。在 2023 年发布的旗舰中，传感器尺寸都在一档范围内。正如我们所看到的，较大传感器的缺点是景深较浅。
•  增大镜头光圈。 其特点是 f光圈值低。这可以直接增加光子流，从而提高信噪比。截至今日，所有智能手机都已经拥有非常大的光圈（小 f 值）。但大光圈的缺点是景深较浅。
•  使用光学防抖 (OIS)：借助 OIS 可以补偿手部运动，从而获得更长的曝光时间和更高的信噪比。OIS 可提供 0 到 2 档的潜在增益（换句话说，将曝光时间增加四倍时，也不会因为手部抖动而产生运动模糊），但缺点则是场景中存在运动时，会出现运动模糊。
•  集成计算摄影解决方案，例如图像融合：该解决方案使用多帧信息提高信噪比，原理类似更长的曝光时间。例如，为了减缓运动模糊，与其在长时间曝光下拍摄单个帧，摄像头可以选择缩短曝光时间，同时连拍多个帧来重建图像，将噪点维持在很低的水平，并赋予图像清晰的细节。不过，这种方法的潜在缺点是一种称为重影的伪像，因为如果多个帧未正确合并，尤其是在场景中存在运动的情况下，图像中可能会出现融合伪像。当今最好的智能手机最多使用大约十几个帧，可获得相当于 3 档以上的潜在增益！
•  改进去噪算法：该解决方案旨在设计复杂的图像处理算法，以数字方式清除信号中的噪点，在过去 20 年里，这一领域取得了巨大的进展，使得该解决方案在灵敏度方面提供了最大的虚拟增益。当然，这一切都取决于调优，以控制潜在副作用，因为强烈的降噪可能会以降低图像细节水平或带来不雅的伪像为代价。

调优能带来改变吗？

拥有出色的硬件有助于调优，因为它可以向摄像头应用程序传输更好的信息。大型传感器的信号的噪点和纹理效果更好，但景深较浅，因此很难调优自动对焦，导致调优团队面临着进退两难的困境：他们应该在对焦性能方面，还是在纹理/噪点比方面投入更多精力？

例如，尝试在低光条件下改善纹理和噪点的挑战性尤其大，因为两者通常会相互影响。

现在，让我们看看调优对低光性能的影响。为此，我们选择了 2022 年以来推出的超高端（>800 欧元）智能手机。关键的图像质量属性是纹理和噪点。在这里，我们将分析范围缩小到低光条件下的得分。

我们观察到，小型传感器的分数在纹理噪点平衡方面存在一些局限。下图是2022年至2023年一些最佳设备的得分，其中噪点得分可以高达 104 分，纹理得分可以高达 97 分。

但在另一方面，使用大型传感器可以在纹理和噪点方面超越这些数字。迄今为止，两款内置 1 英寸传感器的智能手机都是在低光环境下表现最好的设备。在我们的 DXOMARK 摄像头 v5 测试基准下测试时，它们在低光纹理和噪点等测试项目均名列前茅。然而，使用大型传感器并不能免除在算法和调优方面下功夫的必要性。我们观察到这一点是因为其他内置大型传感器的设备在纹理和噪点方面都表现不佳，得分均低于 80 分。

结论

智能手机摄像头的大型传感器在某些情况下（例如低光摄影）可以提供一些显着的优势，但并不是唯一的解决方案。经过适当调优的智能软件有时可以补偿较小传感器的不足。在所有条件相同的情况下，大型传感器在其他方面也会面临一些挑战，例如景深管理。如果要让设备充分受益于其高性能硬件的优势，正确的调优比以往任何时候都更加重要。因此就图像质量而言，并非简单的传感器越大越好！

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