飓风资讯 | Quad-Bayer战未来？

前言

小米又一个黑科技发布会将Quad-Bayer（下面称为四拜耳）的热度炒了一遍。虽然四拜耳CMOS不是什么新鲜的东西，近年发布的手机已经得到大量应用。各位看看如果自己手机后置摄像头是4000万像素，那就妥妥的是四拜耳CMOS。甚至早在20年前，尼康单反D1的CMOS就是四拜耳排列的。

但最近伴随四拜耳CMOS而来的，还有让千万单位变得可数的超高像素（终于不再是以百万作为差距了）。手机厂商们纷纷抱紧这个为数不多的噱头，大力宣传高像素+四拜耳的优势：一方面基于高像素祭出超越单反XX%像素的大旗，另一方面基于多合一喊出高感光与单帧HDR的口号。

既能独立实现小像素的分辨率，又能多合一实现大像素的感光。似乎在这些数千万的四拜耳CMOS身上，找到了影像硬件的未来发展道路。

既然四拜耳CMOS这么好，为什么Sony A7R等一票高像素机身不资瓷呢？ 这就是接下来我们将要讨论的，四拜耳真的那么香吗？

Quad-Bayer真香？

Quad-Bayer，直译四拜耳，是指CMOS传感器上彩色滤色片的排列为四拜耳模式。与拜耳排列不同，虽然在滤色片的图样上保持RGGB的拜耳样式，但四拜耳的四个相邻的感光单元检测相同的颜色。

也就是说，在相同的滤色片下，四拜耳相当于把传统拜耳一切为四，在后面用四个小的感光单元代替一个大的感光单元。

这个图很好地统一了目前厂商让消费者对四拜耳的认知预期，宏观看，是4倍的像素面积，微观看，是4倍的像素密度。

另外，由于每个色块下有四个感光单元，也就可以在四合一模式下，一次快门完成包围曝光HDR的效果，合成出一个兼顾亮部与暗部的逻辑像素点。

具体来说，单次感光内，通过对同色块内每个感光单元曝光时长的控制，实现L+L+S+S的两张包围曝光（这也是目前的应用），后期的传感器甚至能实现LL+L+S+SS的四张包围曝光。

显而易见的，单帧HDR模式，本质上牺牲高像素换来的HDR。同样的，四合一大像素模拟并不如我们想象中能把4个小感光单元“还原”成一个大的感光单元，从底层来看依然是四个单元独立工作后端合成的结果。

如果你有摄影后期处理的经验，就不难发现，四拜耳COMS的后端合成，和我们常用的后期堆栈操作别无二致。

没错，四拜耳就是一个实时堆栈特化的拜耳阵列，相当于把四个小像素传感器绑成一个来使……

Excuse me？那说好的大像素呢？？？

等等先别急，虽然人家是物理小像素，但是从数字层面看，堆栈平均化的操作相当于将四个小像素重新变回了一个逻辑大像素（此处就不展开解释可参考文末资料）。而且与大像素相比更加灵活：如果一个大像素捕获到的是噪声，那就毫无办法了；而四个小像素即使有一个捕获到噪声而不是信号，通过邻近小像素交叉比对等方式也能进行更有效地降噪，最坏的情况也就损失该“大像素”1/4的信息罢了。

但是和上文说的一样，四拜耳排列这种“四个臭皮匠顶一个诸葛亮”的做法是要牺牲3/4的人数的。4张1600万的照片堆栈出一张6400万哪有这么美滋滋的事情……

等等？ 说好的6400万像素呢？？？

（此时的四拜耳祭出了索大法的黑科技）

“你看，这么不就出来6400万了吗？ ”

站在旁边高像素拜耳忍不住笑出声来了。

“小老弟，你区区四拜耳就要黑白通吃？ ”

Quad-Bayer恶臭？

上文四拜耳这么香，是因为更多时候我们是在同一个滤色片上以“大像素小像素”作为比较对象得出的结果。但当我们在同一像素密度下把四拜耳与传统拜耳进行对比，就会发现：

没有对比，就没有伤害……。

首先，最直观的一点，不同颜色像素的分布更加交错均匀了（废话因为这是拜耳啊）。对于拜耳排列来说，每2x2的方格已经实现了RGB全色采样。

这里并不是要强调，四拜耳只能4x4才能获得全色采样，四拜耳CMOS通过上文提到的高像素模式也能实现2x2全色采样。但本质的区别是四拜耳在高像素模式下，不同颜色的像素距离变得更宽了，也就是采样空间精度的下降。

对于四拜耳来说，每隔两个像素，才能再次采样到同色信息。相比较之下，拜耳每个像素隔一像素即可再次采样到同色信息。

在写这篇文章之前，我还瞬间地认为：“不就是下降了红蓝的色度采样精度嘛，没关系啊，亮度采样保持住就好，反正人眼对色度采样并不敏感。”

如果你也是这么想的话，就和之前的我一样，把视频编码方式和CMOS的采样方式搞混了。对于视频编码来说，采样是Y-Cb-Cr，也就是亮度—蓝差分-红差分。因为人眼对亮度的变化更加敏感，亮度的采样精度远远比色度要更重要，甚至舍弃3/4色度分量的420采样也是目前的非专业设备的主流。

但是对于CMOS来说，R-G-B每一种颜色的采样都影响着亮度的还原。（这里不考虑有W像素的情况）众所周知，图片纹理的产生本质就是变化，其中人眼对亮度变化最敏感，对颜色变化相对迟钝一些。如果四拜耳CMOS的红蓝采样空间精度下降和不均匀，那就会导致CMOS对精细纹理的采样不力，最后就是没有达成和拜耳排列等同4000万或者6400万的效果。

尽管厂商很一致地避而不谈，让你产生四拜耳和传统拜耳无异甚至更有优势的错觉，但是物理规则摆在面前。经过堆栈特化的四拜耳CMOS，在高像素模式下并不能获得与传统拜耳相当的细节，而且高像素模式也失去了堆栈合成带来的好处，四拜耳排列也就失去了意义。

难道四拜耳CMOS的意义只剩下堆栈合成的多合一模式了吗？

不，不是的，放心吧。

是基本没有意义。

……点解？ ？？

因为，拜耳排列也可以多合一堆栈啊！因为堆栈的自由度是从感光单元的数量置换过来的，只要感光单元数量够多，就可以实现堆栈、缩图，甚至是片上HDR提高信噪比这样的骚操作。（关于拜耳排列如何实现堆栈和HDR其实不复杂，这里不展开）

这里插一句，其实HDR还可以通过Dual-Gain双增益来做，只不过对于RAW来讲没有意义。

那么，厂商四拜耳牺牲掉的采样精度，到底换来了什么？

上游内心OS：“妈的，还不是因为老子生产不出来这么高密度的滤色片，不然早就用传统拜耳排列了。”

据DPreview论坛用户的说法，由于感光单元密度不断上升，滤色片颜色密度受工艺所限，无法在极窄的单元间隙中精确地将不同颜色的颜料隔离开来。同时，每格颜色的面积越来越小，需要稳定剂帮助颜料的沉淀，但是过量的稳定剂会降低透光率和过滤效果。

所以答案就是，换来了在滤色片工艺取得突破之前，传感器依然能单独通过感光单元密度获得性能提升。

尾巴

回到我们最初的提问，四拜耳真的如同宣传般两全其美，代表着未来影像硬件的发展吗？

首先，不是。

因为四拜耳在大/小像素模式上都没有做到比传统拜耳更好，更不能说是理想的选择。

然后，是。

如果滤色片工艺进展受限，就像电池技术一样。那么，四拜耳将是我们尽可能榨取新技术进步福利的唯一选择。

期待未来不由四拜耳来战。