# 一億像素相機是功能還是噱頭--手機傳感器的未來發展
*11905李佳謙*
###### tags: `學習歷程`
## 新聞內容摘要
> 在追逐相機數量和畫素的戰爭上，小米以 Note 10 Pro（CC9 Pro 尊享版）成功突圍而出，成為搶先開賣全球首款一億畫素相機的智慧型手機，同時也硬是湊夠了五主相機陣列的設計。然而這超高畫素的相機是否有這存在的需要呢？ [小米 Note 10 Pro 深度動手玩：真的需要一億畫素相機？-Engadget](https://chinese.engadget.com/chinese-2020-01-22-xiaomi-note-10-pro-hands-on.html)

> 三星這次推出的旗艦機 S20 5G 旗艦系列，最受到矚目的就是規格最高的 S20 Ultra 啦！主打的是億級畫素的鏡頭、8K 攝影，夜拍、夜間錄影的功力都更升級 [三星 Galaxy S20 Ultra 評測，拍照表現輾壓對手的真旗艦機-電獺少女](https://agirls.aotter.net/post/57084)

## 探討議題
手機搭載的相機在近期有一昧向上疊加像素數量的趨勢，許多的廣告標語皆主打自家手機的像素數量高，如:Oppo的「前後兩千萬，拍照更清晰」。然而最終成像品質並沒有顯著地提升，且一向作為手機性能標竿的蘋果，仍然保持著低像素量卻始終保持高品質成像質量的策略，都不禁令人懷疑，手機的高像素究竟是性能上的突破，還是手機廠商的行銷手法?

## 心智圖

## 參考文章
[**衍射極限、MTF與相機解析度-程式前沿**](https://codertw.com/%E7%A8%8B%E5%BC%8F%E8%AA%9E%E8%A8%80/593189/)
> 稍微深入玩過點攝影的都知道，一個理想的光點，通過鏡頭成像後，哪怕鏡頭沒有任何像差，它也會變成一個光斑。光斑大小與F數有關，F數越小，光斑越小。而更深入一點，就得有一些光學的基礎才能理解了，這是由於衍射引起的。簡單說來，一個理想的物點發出的光，它的空間頻譜是1，就是在各個空間頻率均勻分佈。而我們用鏡頭去成像，沒辦法把所有方向的光收集起來，只能收集鏡頭大小(嚴格的說，應該是入瞳大小)對應的這部分。這就不可避免造成了資訊的丟失。這也就是衍射的本質。
光學鏡片的輪廓一般是圓形，而圓孔夫琅禾費衍射的光強分佈與[J1(x)/x]^2成正比，J1(x)是一階貝塞爾函式，x=πDsinθ/λ，J1(x)有無數個零點，前三個為3.832，7.016，10.173。光斑的一級暗環對應J1(x)的第一個零點3.832，即2πsinθ/λ=3.832，也就是sinθ=1.22λ/D時，出現了一級暗環。相應地，後續的每個零點都對應相應的二級暗環，三級暗環……，暗環和暗環之間還有亮環，但能量迅速衰減。一般我們常說的艾裡斑，就是中心最亮的這個光斑，即從中心到一級暗環的這個範圍。因此也就有了每提艾裡斑必提到的1.22λF的這個公式，對照上面的一級暗環角度公式，我們看到/D被換成了F數，二者之間相差一個焦距f。這就是半形寬度換算成焦平面上光斑半徑的結果。

[**手機拍照常見迷思：像素越高就越好嗎？-Digiphoto**](https://digiphoto.techbang.com/posts/9882-the-higher-the-pixel-the-better)
>像素高不等同於畫質好，影響畫質的主要決定因素在畫幅上，同樣像素，畫幅越小，單個像素點所能獲取的光子就會變少，單個像素獲取的訊息量也就會變少，為了對其加以補償就必須要加大電信號，於是就會產生噪點。傳統全畫幅相機的傳感器尺寸是36mm24mm，而大多數手機的傳感器連指甲蓋大小都沒有。這也就是為什麼更大畫幅的高感做的都會比較好，而手機鏡頭拍出來的夜景總是會有很多噪點。
就數位感測器來說，還有一個至關重要的因素就是算法，如果將像素有效的排列，讓成像效果更好。iPhone 目前最好的手機也就只有1200 萬像素，但是這並不影響它的優秀的成像質量。
成像質量取決於畫幅大小、鏡頭質量以及軟件優化。在畫幅和鏡頭質量上，手機和相機是沒有可比性的，但是手機的處理器很強大，只要廠商肯下功夫，軟件優化可能會比相機做得好，而且手機上有這麼多方便好用的app，使用手機拍出佳作的高手也大有人在。
不過單純說像素，真的不要在意，不過就是廠商的噱頭，說白了，在手機上，4800 萬像素和800 萬像素的區別，根本看不出來。

## 觀點論述
以市場的角度來看，手機廠商打像素戰是一項成功的行銷策略，畢竟光圈、焦距、感光元件等艱深的參數一般消費者是沒辦法充分理解的，但像素卻是他們能夠直觀地感受到的功能，只要在相機模式中添加標籤，時時提醒用戶正在使用「超清攝影」模式，且回看照片時添加個「超清晰瀏覽」，最後在浮水印上附註X mp camera，使用者就能深切地感受到改變。然而手機廠商做了這些的標籤並沒有對相片品質做出改變，高像素真的能讓拍出來的影像品質提升嗎?我們從最基本的層面來看，也就是光學系統的最終障礙-艾里班(Airy Patterns )。

艾里班是「繞射現象」所產生的產物，在古典物理學中，波在穿過狹縫、小孔或圓盤之類的障礙物後會發生不同程度的彎散傳播。假設將一個障礙物置放在光源和觀察屏之間，則會有光亮區域與陰暗區域出現於觀察屏，而且這些區域的邊界並不銳利，是一種明暗相間的複雜圖樣，這現象稱為繞射。而艾里班是世上所有光學系統在提升解析力時碰到的最大阻礙，在不考慮像差及繞射的光學系統中，在透鏡一邊的一光點將會在透鏡對邊產生一無限小的光點，也就是一擁有完美解析力的光學系統能夠達成的。然而在考慮縫隙為圓孔(鏡頭光圈)情況下產生的夫琅禾費衍射，其會在孔隙後方產生一圈一圈的光班，其中最中央最大且最明顯的一點即稱為艾里班。

每個透過有孔透鏡呈現的影像，都將在感光元件上產生艾里班，而這對感光元件的解析力將會有極大的影響，當兩像素寬度達到艾里班直徑的兩倍時，兩個艾里班幾乎各自落在一點像素上，受到感光後在相片裡分屬不同格，並成功地做出了對比。從MTF(Modulation transfer function，量化光學系統解析力的數值)來看，當一個線對(兩個畫素)的寬度等於艾裡斑的直徑大小，這個時候對比度已經很好了(MTF~0.8)。可以說，在這個空間頻率之下，系統已經不再是衍射受限了。

而將焦點放回手機上，其之上的感光元件礙於機身關係，因此面積總是極小，而手機廠商一昧地添加像素數，導致單像素點十分地小。而根據瑞立判據條件下計算出的角解析度，在F值為1.4的條件下，單像素最小長度為1.78μm，小於其大小的像素在感光後都會受到艾里班影響而大大降低解析度。而小米10以及 Samsung s20 ultra使用的1.08億像素傳感器-S5KHMX，其單像素大小為0.8μm，遠低於最低要求的限制，這就是為何手機的相片遠看很精緻，但放大看卻慘不忍睹的原因。

相機高像素的需要與否，似乎已爭論許久，自從Nikon在2012年推出擁有3630萬像素的單眼相機D800時就開始引起大批攝友的討論，如今戰場移到了移動平台上，讓這個議題逐漸浮上檯面，也讓更多人了解到高像素的優與劣。今年一月，手機大廠榮耀的業務部產品副總裁在微博上發文，表態認為小米往更高像素的相機走，是錯的一步策略，而CMOS大廠三星則分別在今年4、5月公布正在研發中的兩款感光元件，分別為5000萬與1億5000萬像素。究竟相機高像素的需求是否是假議題，就讓時間及光學原理來裁定吧!

## 參考文獻
* [四像素合成技术如何在白天和夜间都能提供清晰的照片-Samsung](https://www.samsung.com/semiconductor/cn/insights/tech-leadership/how-tetracell-delivers-crystal-clear-photos-day-and-night/)
* [衍射极限-百度百科](https://baike.baidu.com/item/%E8%A1%8D%E5%B0%84%E6%9E%81%E9%99%90)
* [解析度與對比度限制： 艾里斑-Edmund optic](https://www.edmundoptics.com.tw/knowledge-center/application-notes/imaging/limitations-on-resolution-and-contrast-the-airy-disk/)
* [繞射極限-Edmund optic](https://www.edmundoptics.com.tw/knowledge-center/application-notes/imaging/diffraction-limit/)
* [繞射-Wikipedia](https://zh.wikipedia.org/wiki/%E8%A1%8D%E5%B0%84#%E7%B2%92%E5%AD%90%E8%A1%8D%E5%B0%84)
* [瑞利判据-百度百科](https://baike.baidu.com/item/%E7%91%9E%E5%88%A9%E5%88%A4%E6%8D%AE)
* [分辨率-Edmund optic](https://www.edmundoptics.com.tw/knowledge-center/application-notes/imaging/resolution/)
* [角解析度-Wikipedia](https://zh.wikipedia.org/wiki/%E8%A7%92%E5%88%86%E8%BE%A8%E7%8E%87)
* [S5KHMX-Samsung](https://www.samsung.com/semiconductor/cn/image-sensor/mobile-image-sensor/S5KHMX/)