在這先問(wèn)大家個(gè)問(wèn)題，過(guò)年有拍到好看的照片嗎？

前幾天托尼去拍煙花，看預(yù)覽的時(shí)候還在狂喜，感覺(jué)今天包出片的。結(jié)果回家打開(kāi)相冊(cè)一看全過(guò)曝了。煙花秀硬是被拍成了閃光彈突襲。

再一去社交平臺(tái)上翻別人拍的，那是畫(huà)面有層次，明暗有對(duì)比。

雖然很氣，但托尼的拍照水平那是有口皆碑，包是設(shè)備出了問(wèn)題。

在仔細(xì)對(duì)比了兩臺(tái)手機(jī)差異之后，我發(fā)現(xiàn)，原來(lái)是他的手機(jī) CMOS 多了個(gè)“LOFIC”超高動(dòng)態(tài)技術(shù)。

這技術(shù)最近不少?gòu)S家都在提，說(shuō)是在 CMOS 上裝個(gè)小硬件就能解決拍照過(guò)曝，這玩意怎么做到的？

其實(shí)原理并不復(fù)雜，托尼只用一張圖就能讓大家搞懂。

這個(gè) GIF 圖就是咱們拍照時(shí)，傳感器捕捉光的的過(guò)程。

就像咱們用瓶子裝水一樣，要是碰見(jiàn)了水太多的情況，小瓶子裝不下來(lái)，咱們就只能用大點(diǎn)的“桶”來(lái)接這些溢出來(lái)的水，不然水就白白流走了。

回到 CMOS 上，在咱們開(kāi)頭說(shuō)的拍煙花的場(chǎng)景，就是因?yàn)闊熁ň`放發(fā)出的光信號(hào)，超出了像素點(diǎn)能容納的上限（滿阱容量），那多出來(lái)的光信號(hào)就只能浪費(fèi)掉，畫(huà)面上也就沒(méi)有內(nèi)容了，這就是照片出現(xiàn)“過(guò)曝”的原因。

而 LOFIC 技術(shù)，就是在像素點(diǎn)原有的光電二極管旁邊，橫向集成一個(gè)額外的電容結(jié)構(gòu)，來(lái)保存溢出來(lái)的光信號(hào)。導(dǎo)出時(shí)再統(tǒng)一合并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，就能在畫(huà)面上保留更多有效信息。

像夜晚看煙花這種明暗對(duì)比強(qiáng)烈的場(chǎng)景，LOFIC 可以通過(guò)單次曝光，讓手機(jī)同時(shí)記錄下明暗部細(xì)節(jié)，輸出一張高動(dòng)態(tài)的 HDR 照片。

聽(tīng)起來(lái)是挺牛，但手機(jī)幾年前不就能用算法拍 HDR 照片了，這額外裝個(gè) LOFIC 還是為了拍 HDR，到底有啥區(qū)別？

之前的 HDR，是通過(guò)“多幀合成”來(lái)實(shí)現(xiàn)的，手機(jī)通過(guò)拍攝幾張不同曝光的照片，再把幾張照片疊加，通過(guò)算法把亮部的細(xì)節(jié)壓下來(lái)、暗部的細(xì)節(jié)提上去，從而得到一張明暗對(duì)比強(qiáng)烈的 HDR 照片。

雖然這技術(shù)用了挺久，但多幀合成也有煩人的時(shí)候。

首先就是拍的時(shí)間長(zhǎng)，按一次快門(mén)要等好久，中間還不能動(dòng)，一動(dòng)就糊。而且算法并不能改變 CMOS 的上限，當(dāng)碰到大光比場(chǎng)景，照片還是會(huì)亮部壓不住，暗部沒(méi)細(xì)節(jié)。

這時(shí)候 LOFIC 的優(yōu)勢(shì)就體現(xiàn)出來(lái)了，它是從硬件層面讓 CMOS 動(dòng)態(tài)范圍變得更大。

而且 LOFIC 作為單幀 HDR 技術(shù)，手機(jī)單次曝光就能記錄更多信息，基本上能做到預(yù)覽框里看到什么，成片就長(zhǎng)什么樣，基本解決了出片“慢”和成片“糊”的問(wèn)題。

不過(guò)話又說(shuō)回來(lái)，這 LOFIC 技術(shù)雖然很厲害，但也不是所有機(jī)型都能用上的。因?yàn)?LOFIC 本質(zhì)上就是用部分CMOS 面積，換一套功能硬件。

在幾年前堆棧式結(jié)構(gòu)（Stacked CMOS）還沒(méi)普及時(shí)，CMOS 像素結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，幾乎不可能集成 LOFIC 這類(lèi)復(fù)雜元件。

即便是現(xiàn)在堆棧式成為主流，對(duì)于大部分手機(jī)來(lái)說(shuō)，本身 CMOS 面積就不大，很難給每個(gè)像素騰出空間增加一個(gè)電容結(jié)構(gòu)。所以目前只有那些大底傳感器，才會(huì)配備 LOFIC。

有空間裝只是第一步，后續(xù)的數(shù)據(jù)處理才是真正的難點(diǎn)。

在 LOFIC 加入之后，像素里的光電二極管依然要負(fù)責(zé)正常成像，只有當(dāng)畫(huà)面亮度逐漸升高、接近像素本身的滿阱容量時(shí)，多出來(lái)的電子才會(huì)“溢出”到 LOFIC 電容里。

也就是說(shuō)，一個(gè)像素在不同亮度區(qū)間，實(shí)際上在用兩套完全不同的成像路徑，一個(gè)負(fù)責(zé)“高質(zhì)量成像”，一個(gè)負(fù)責(zé)“兜住高光”。

最后把兩路信號(hào)拼接成輸出一張照片時(shí)，就很容易在銜接處出現(xiàn)“畫(huà)質(zhì)斷層”和異常的噪點(diǎn)。

如果想把 LOFIC 記錄下來(lái)的高光信息也精細(xì)還原，那對(duì)手機(jī) ISP 的能力和算力要求可就高了。如果后端處理能力跟不上，那即便 LOFIC 把高光“保”了下來(lái)，最終成片里咱們還是看不到這些細(xì)節(jié)。

不光處理難，CMOS 本身作為精密器件，額外集成 LOFIC 電容也會(huì)讓結(jié)構(gòu)變得更復(fù)雜。如果設(shè)計(jì)和制造工藝不夠成熟，電容在高溫或長(zhǎng)曝光下反而可能產(chǎn)生暗電流，干擾光電二極管的正常工作。

再加上 LOFIC 電容本身也會(huì)接受光子，如果沒(méi)有做好遮光，雜光進(jìn)入后，照片就會(huì)看起來(lái)不干凈。

想要保證質(zhì)量，廠商們還得額外給這個(gè)“桶”加上“濾網(wǎng)”。這些額外的成本支出，也導(dǎo)致了目前 LOFIC 技術(shù)只會(huì)出現(xiàn)在少數(shù)主打影像的機(jī)型上。

不過(guò)在提升 CMOS 動(dòng)態(tài)范圍這條路上，LOFIC 雖然表現(xiàn)出色，但也不是唯一的解法。

像 Sony、三星幾乎全線在用的“DCG”技術(shù)，就是在 CMOS電路上裝了個(gè)智能開(kāi)關(guān)，根據(jù)光線強(qiáng)弱自動(dòng)調(diào)整靈敏度。在強(qiáng)光環(huán)境，切換到大電容，避免過(guò)曝，保留更多亮度信息。在暗光環(huán)境，就用小電容，讓照片噪點(diǎn)更少。

現(xiàn)在不少?gòu)S商還把 DCG 和 LOFIC 搭配使用，中低亮度靠 DCG 智能調(diào)優(yōu)，極端高光交給 LOFIC 兜底，兩者配合，讓動(dòng)態(tài)范圍又寬又平滑，HDR 效果更自然。

DCG+LOFIC方案示例

除了 DCG 和 LOFIC，還有2x2 OCL（全像素對(duì)焦）就是放棄了像素?cái)?shù)量和微透鏡 1：1的設(shè)計(jì)，采用四個(gè)像素共用一個(gè)大微透鏡的方式，從而獲得更多的進(jìn)光量，還能提升邊緣光線的收集效率，為 HDR 提供更干凈的原始數(shù)據(jù)；更前沿的In-Pixel Memory（像素內(nèi)存儲(chǔ)）則是集成高速緩存，讓CMOS 有了“記憶”能力，單次曝光可以多次讀出，在硬件層面實(shí)現(xiàn)HDR。

之所以會(huì)有這么多方案在這跟 HDR 較勁，也是因?yàn)檫@些年咱們對(duì)影像的追求，開(kāi)始轉(zhuǎn)向“真實(shí)感”“所見(jiàn)即所得”。廠商們只能靠硬件入手解決，而LOFIC 作為最直接的高光抑制方案，雖然還有諸多難點(diǎn)，但也成了當(dāng)下最主流的趨勢(shì)。

托尼只希望廠商們未來(lái)能把 LOFIC 技術(shù)調(diào)校好，好讓下次我在拍煙花的時(shí)候，能實(shí)打?qū)嵉某鰞蓮埰?/p>

撰文：紐斯

編輯：二狗&米羅&面線

美編：素描

圖片、資料來(lái)源：

小米手機(jī)官網(wǎng)、榮耀手機(jī)官網(wǎng)

《HDR技術(shù)詳細(xì)解析》

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