从400万到2亿，智能手机的“多像素合一”发展史

虽然最近这段时间，基于骁龙 8+、天玑 9000+ 等 " 半代升级平台 " 的旗舰机型才刚刚开始发布，但对于许多爆料人士和发烧友来说，他们显然已将目光瞄准了明年的旗舰产品。

比如说，就在日前有消息源曝光了据称是来自三星的一个新商标 "Hexa² pixel"，并且结合此前的爆料信息声称，其很可能就是为下代旗舰 Galaxy S23Ultra 准备、高达 2 亿像素的专属 CMOS，所具备的关键技术特性。

可能有的朋友已经猜到，"Hexa² pixel" 大概率会是一种基于 " 多像素合一 " 的 CMOS 工作模式、或者说手机影像技术。既然如此，今天我们三易生活就来聊聊，关于手机上的 " 多像素合一 " 技术那些不太为人所知的早期阶段，以及其背后的技术和商业逻辑。

追求大像素的原初理念，其实很早就已有了

如今说到手机 CMOS 上的 " 多像素合一 " 技术，很多朋友可能首先想到的会是自 2018 年底出现，以三星 GM1 与索尼 IMX586 为代表的早期 1/2 英寸、4800 万像素 " 普及型大底 "CMOS 方案。

的确，回顾当时的相关新品发布会不难发现，配备这些 4800 万像素 CMOS 的 jixing ，它们在绝大多数情况下都会默认以 " 四像素合一 " 的方式工作，也就是说实际只输出 1200 万像素的照片。

正因如此，这些 CMOS 名义上的 " 高像素 " 与实际使用中的 " 低像素 " 表现，给用户留下了深刻的印象，从此也令 " 多像素合一 " 技术被广为知晓。

当然，并不能说 4800 万像素的机型日常只能拍 1200 万像素照片，就是一种 " 欺诈 "。毕竟，一方面这些机型还是会提供独立的 " 高像素模式 "；另一方面，通过 " 多像素合成 " 技术也确实有效弥补了 CMOS 尺寸不够大、像素又太高所带来的单像素尺寸不够、感光性能差的硬件缺憾，从而很大程度上增强了弱光环境成像效果。

顺着这条思路去追溯就会发现，" 牺牲传感器像素数量，换取更大单像素面积 " 的做法，在手机行业其实很早就已出现。没错，至少可以追溯到 2013 年的 HTC One。

2013 年 2 月，HTC 方面正式发布了旗舰机型 One M7。在这款产品上 HTC 也首次尝试了一种极为大胆的设计，那就是仅有 400 万像素的 "Ultra Pixel" 后置主摄。

要知道即便是在 2013 年，主流机型的主摄像素也早已来到了 1300 万级别，只有那些入门级产品还在使用着 800 万像素的方案。因此 HTC 选择给旗舰机配备 400 万像素后摄，理所当然地引起了不小的争议。

但站在如今的角度来看，初代 "Ultra Pixel" 相机的理念显然是极为超前的。因为它的 CMOS 尺寸实际上与其他同类机型的 1300 万像素后摄 CMOS 是一样大（1/3 英寸），同时通过主动 " 舍弃 " 像素数量，HTC 换来了高达 2μm 的单像素尺寸，从而为这颗 400 万像素的相机带来了超强的感光和夜拍性能。

而从某种程度上来说，HTC 这款 400 万像素的 "Ultra Pixel" 相机，其实也正是如今智能手机行业 " 以像素换感光 " 的 " 多像素合一 " 技术的鼻祖。

2014 年，最初的 " 多像素合一 " 技术出现在手机上

很显然 HTC 的想法虽然很好，但问题在于，对于当时已深陷 " 唯像素论 " 的消费者来说，显然不是每个人都能理解这份苦心。因此 HTC 初代 Ultra Pixel 技术以及其搭载机型，也就此陷入了口碑相当两极分化、且市场表现并不算惊艳的尴尬境地。

或许正是因为看到了 " 友商 " 的失误，2014 年当华硕联合 Intel 推出首款 Zenfone 系列机型时，选择了 " 部分借鉴 "HTC 的产品思路。但他们自己可能都没有想到的是，这一举动也深远地影响到了后来的整个手机行业。

华硕做了什么呢？简单来说，在他们当时的 "Pixel Master" 相机应用中，手机大多数情况下都会以 CMOS 的 " 全像素 " 进行输出，比如 800 万像素相机拍出来就是 800 万像素的照片，1300 万像素相机拍出来也确实是 1300 万像素。一旦用户开启 " 夜景模式 "，那么华硕的 " 感光组件合并技术 " 就会将四个像素合并为一个进行感光，从而让手机拍出仅有 200 万 /300 万像素，但是亮度却大为提升的 " 超级夜景 " 照片。

尽管由于年代太过久远，如今我们已无法考据，华硕这个 " 感光组件合并技术 " 到底是 CMOS 本身就支持 " 四像素合一 "，还是工程师做了一些创新，在软件上实现了这个功能。但能够确定的是，它的确开创了智能手机真正 " 多像素合一 " 的用例，实现了名义上的 " 高像素 " 和特定场景下 " 大像素 " 之间的切换功能。

从 4 到 9、再到 16 与 12，高像素 CMOS 的进化逻辑

需要说明的是，虽然华硕的 " 感光组件合并技术 " 从原理、使用场景上，已经与如今的 CMOS" 多像素合一 " 无比近似了。但实际上，当 2018 年那些 4800 万像素机型面世时，它们之所以要即使在白天也会默认开启 "4 像素合 1" 模式，还有一个说不出口的尴尬原因。

很简单，因为当时的 ISP 算力其实根本就不足以处理 4800 万像素的照片，或者说得更准确一点，是不足以处理 4800 万像素的多帧降噪、AI 场景判断等增强算法。因此导致早期的大量 "4800 万像素 " 机型，反而只有工作在 "1200 万像素 " 模式时，拍出来的画质才会更好，而一旦开启 " 高像素 " 后就会退步。

当然，这一问题在早期的 6400 万像素、乃至 1.08 亿像素机型也同样存在。所以大家不难发现，无论 GW1、GW2，还是 HMX，这些高像素大底 CMOS 实际上都默认工作在 "4 合 1 模式 " 下。特别是到了后来的 HM2 上，由于其像素很高（1.08 亿）、底又不够大（1/1.52 英寸），再加上默认面向的是性能不那么强的中端机型，所以更是直接采用了像素 "9 合 1" 的设计，从而达到增强拍摄画质、同时降低 SoC 计算量的目的。

令人欣慰的是，随着时间的推移，SoC 的算力提升总算追上了 CMOS" 像素膨胀 " 的进度。也就是从这个时候开始，大底高像素 CMOS 的 " 像素合成 " 功能，也开始有了一些更为积极的变化。

比如从 2020 年到 2021 年，就接连迎来了包括 IMX689、IMX766、S5KGN1、S5KGN2、S5KGN5 在内的，一大批专为顶级旗舰产品设计的新款大底高像素 CMOS 方案。虽然它们在具体的透镜结构、像素分割方式上，相互之间还是有那么一点点区别，但这一批 CMOS 的共同特征，就是它们都在 "4 像素合 1" 的结构基础上大幅增强了对焦与追焦性能。

又比如说，在前段时间三星方面刚刚公布了旗下首款 2 亿像素 CMOS 方案 HP1。它虽然有着 1/1.22 的大底，但由于像素数量太高，所以单像素尺寸确实不大（0.64μm）。好在，三星为其设计了新的 "16 像素合 1" 结构，可以让 CMOS 最多将 16 个像素合并为等效 2.56μm 的大像素进行感光，此时其感光性能就不输给那些顶级型号了。

与此同时，在 "4 合 1" 模式下，这款 CMOS 还具备 " 双超级 PD" 对焦结构，能够以两倍于普通相位对焦的速度检测物体运动，从而兼得高画质与不错的对焦性能。

最后，我们再来聊聊前文中所提及的 "Hexa² pixel"。其实仅从名称上，这个商标里就有两个值得关注的信息点，其中一是 "Hexa"、也就是 "6"，另外一个则是平方符号。

这是什么概念呢？其实从表面上来看有两种可能性。一种是 "6 像素合 1"，然后每两个 " 像素组 " 之间再进行双核相位对焦；另一种则是 "6 像素合 1"，然后每 6 个像素组再合 1。

然而考虑到目前已经基本确认，三星这款新旗舰 CMOS 会采用 2 亿像素的规格，因此 "36 像素合 1" 的可能性基本可以被排除（主要是因为合完后只剩下 500 多万像素，这显然不太现实）。

相比之下，"6 像素合 1" 后再进行全像素组的双核相位对焦设计，似乎可能性就要更高一些。毕竟，此前三星手机用的亿级像素 CMOS，还没有一款能够支持双核对焦，如果新机能够在搭载 2 亿像素 CMOS 的同时、大幅强化主摄在日常场景下（也就是像素多合一之后）的对焦、追焦性能，确实也够格称得上是极大的体验进步了。

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