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这个排行榜和别的只按像素或者感光器件尺寸大小排行的排行榜不同,笔者旨在通过现有的资料给出CMOS感光元件的一个更加合理的排名。经过考量,给出的CMOS排名指标主要可以划分为这样几个:1.像素数2.尺寸3.合并像素大小4.读出速度5.读出规格6.对焦。

这个榜相比v1.0要更加完善。七个指标当中,其中一些指标参数不全。由于这个特性,参数不全的CMOS元件采用对应手机支持的最高规格(对未知参数采用宁可信其无也不信其有的原则,以当前手机支持的最高输出规格为准)。不过一般仅索尼的CMOS缺乏一些参数,豪威和三星的参数可以在官网找到详尽的参数介绍。

在读排行榜之前,让我们先看看参数的含义。再讲完各个标准的含义之后,再讲权重,最后给出计算出来的排行榜。

1.像素数:像素数并非CMOS宣传像素数,而是采用其实际解析力。当然实际解析力也和手机镜头有关,手机镜头目前做的最高物理解析力大概在6000~8000万像素左右(中心mtf约400lp/mm),一些便宜的镜头解析力更低,并且这个镜头解析力数值还随温度改变,因为一些便宜的旗舰机主摄温飘现象很严重。目前除华为的徕卡镜头,vivo的蔡司镜头以及诺基亚的蔡司镜头就算是全树脂镜头(7p或者8p镜头)几乎不受温飘效应影响,其余旗舰机主摄都会受温飘效应影响,尤其是光学厂商(大立光,欧菲光,舜宇等)针对某一尺寸芯片设计的公版镜头,一般不会专门针对智能手机温飘进行优化(但是一般对50mp左右的感光元件,温飘效应可以忽略,智能机温飘主要在长焦镜头显著,尤其是等效800万像素5倍以上的长焦。玻塑混合长焦不太显著,而对于全树脂镜片的三星s21u,s22u,荣耀magic4Pro,华为p50Pro以及小米10u/11u/12su,在机身暴露在零下10~20度环境一段时间后,长焦都会变糊,而玻塑混合的p/mate40Pro+,解析力变化就不甚显著。一般等效5倍800万像素以下的长焦镜头温飘影响不显著,比如华为p30Pro,vivox60Pro/70Pro等,OPPO find x2Pro,以及小米10Pro等机型,解析力几乎没变化)。

当然做为CMOS解析力排行榜,不对镜头因素进行过多的讨论。这里说要根据CMOS实际解析力而非宣传像素数进行排名,主要考虑到智能机像素合并也就是多合一cfa(像素滤光阵列)下的解码造成的解析力损失进行讨论。一般对四合一像素(quadbayer),反马赛克后的照片解析力损失不超过10%,但是达不到原生bayer的解析力水平。但是九合一一般会损失掉50%的解析力,而对十六合一,由于4*4像素距离过远猜色过于困难,它实际解析力大概相当于1/4像素的quadbayer。比如对于40mp的imx608,其实际解析力相当于10mp的quadbayer即10*0.9=9mp(mate30p的40mp细节相对于10mp毫无提升,以至于p40直接取消了imx608的40mp输出模式);对于200mp的hp1,其200mp相比50mp细节也无提升(@zph咋拍好测过的hp1细节相比989几乎无提升),如此例子还有很多,不一一列举了。

因此,对于一颗总像素数为x的CMOS,在计算其像素数时,quadbayer乘90%,nonabayer九合一乘50%,hexbayer十六合一乘22.5%(=1/4*90%)。

2.尺寸。在引入尺寸前要先解决一个误区,很多人认为尺寸越大,全照片信噪比越高,这是一个错误观念,实际上只和进光量有关。如果一颗小底配大光圈使得其总进光量超过大底配小光圈,它一样能取得更高的信噪比。一般不认为CMOS尺寸和全照片信噪比有关。

但是之所以引入尺寸作为一个重要参考要素,是因为尺寸和很多参数息息相关。比如面积越大的CMOS,其总阱容(full well capacity)越大。当然总阱容也不一定和照片的观感宽容度有关,因为我们还要考虑像素数。但是,总阱容越大还是存在优势,因为就算原生像素数多,依然可以通过像素合并或者对raw格式图片缩图的方式减少像素数,达到单个像素的信噪比和宽容度增加的目的。除了阱容之外还有多个参数和尺寸相关,这里不一一叙述。

注1:目前随着CMOS技术突飞猛进,一些CMOS的满阱容量发展很快,有可能人家1/3寸大小就可以做到其他家1/1寸大小的满阱容量(比如三星的hp2传感器!)。但是满阱容量参数并不能找全,一些CMOS型号不公布满阱容量,因此采用面积替代满阱容量进行排列,因而会影响排名(比如hp2这种满阱容量很大的),导致一些很强的CMOS排名靠后!!!

3.合并像素大小:像素大小是一个重要的参数,因为决定照片观感宽容度和噪声的是单像素的噪声或者宽容度。噪声一般认为和进光量成正相关关系,而宽容度和满阱容量有关,而满阱容量在相同技术下一般和面积有关。

因此可以看到,合并像素越小的感光元件越吃亏,这也是为何一亿像素四合一元件和6400万四合一元件逐渐淡出视野的最主要原因,哪怕是2亿像素也要做十六合一到1200万像素使得在相同大小元件下单像素面积相比5000万一样大不吃亏,就是为了兼顾像素数和单像素大小。因此单像素大小是一个重要参数,和尺寸一样。尺寸决定全图片的参数,之后可以对raw图进行缩图减少或者增加像素数进行处理;但是在手机上一般JPG直出下不会缩图处理,因此一般认为原生大像素更好,虽然同尺寸CMOS可以通过缩图到一样的像素数量达到一样的效果;但是也并非像素合并越大在本榜分更高,因为像素合并会影响1也就是解析力的分数。在本榜的权重下,一般认为5000万像素四合一是一个合理的值,可以兼顾解析力和单像素尺寸,这也是目前绝大多数手机厂商的选择。

实际上,因为这个原因,索尼在《最快2024年,智能手机拍照画质将超过单反相机》演讲中给出的未来发展方向也是大像素带来的更高的信噪比、大像素和新技术带来的更高单像素阱容和计算摄影,大像素放在索尼半导体未来技术迭代的第一位。

注意,单像素大小实际上更重要的在衡量单像素进光量,因此对于ryyb,合并像素大小多算40%。

4.读出速度:读出速度是CMOS里面除了面积,像素以外另一个极其重要的参数。它决定了高速移动时果冻效应的减少(实际上ccd就不用追求读出速度了,如果这个榜里再加ccd,我可以考虑把果冻效应这部分全给满分)、多帧合成的计算摄影等多种应用。读出速度一般有三种:全像素读出帧率(有些传感器全像素读出帧率受片上ISP的quadbayer解码速度瓶颈使得其全像素读出速度小于实际最大读出速度,比如imx608;因此这一参数给较小权重)、视频1080p输出帧率以及720p输出帧率。因为4k输出帧率找不全资料,因此4k输出规格暂时不计入分数!上述三个参数以2:5:5计入总分。

5.读出规格:读出规格和多个参数相关,比如信噪比,比如色深以及其他诸多参数,一般高端相机已经可以做到18bit ADC。但是在手机上目前12bit依然少见,主流是10bit,还有很多8bit ADC的CMOS在低端机上充当副摄凑数摄像头。

6.对焦:对焦同样是一个重要的参数。一般的对焦方面,对焦越快,越精准(即对焦方面横竖纹理都可以快速对焦的技术)的对焦越好。一般来说:2*2ocl最好,但是损失解析力到四分之一的水平;因此,我认为可以兼顾解析力和对焦速度的是八核对焦(QDPD,quad dual-pd),但是是那种两个竖向两个横向分割的,不是imx700那种的。当然随着三星进入2亿像素时代,已经可以做2*2ocl下依然有50mp,2*2ocl对解析力的损失也不再显著,因此此时我认为2*2ocl才算是真正发挥了作用。

注3:对于2*2ocl型号,由于采用2*2ocl对焦下解析力损失4倍,因此此时就算它是quadbayer,像素一栏也按1/4像素数算而不采用像素数*90%算。三星的2亿像素不受影响,因为它可以看成四分的1/4像素quadbayer因此像素一栏仍按1/4像素数的quadbayer算。

注4:对焦这部分也引入主观参数,主要是考虑到三星还有gn2这样为了全像素对焦把dti部分斜置导致两子像素串扰严重,最终反而影响对焦性能的奇葩。


未加入的参数:

7.片上/非片上马赛克解码(on-chip/not on-chip quad bayer(nona bayer/hex bayer) coding/de coding)

对于片上马赛克解码和非片上马赛克解码,主要影响的就是全像素模式输出精度速度以及是否能做全像素raw格式出图。华为的旗舰手机多像素合并的感光元件,raw图全部都是全像素的,主要就是因为华为的感光元件都是片上ISP反马赛克,因此CMOS给手机ISP传输的就已经是一个已经进行在感光器下逻辑层进行过片上ISP的quadbayer解码、实际上是bayer的raw照片,华为再根据这个照片直接输出(采用专业模式raw)或者进行处理输出全像素JPG格式照片。

而非片上ISP解码的全像素照片,速度相比片上全像素解码的就会有显著差距。比如三星hmx一亿像素出图一张要3秒以上,而华为的50mp高像素出图一张只有大概0.4秒左右,几乎差了10倍的速度。并且耗电量也有差别,因为片上ISP是专门针对多像素合并特殊优化的专用电路,和手机soc(比如骁龙ISP)非专用的,解码效率就会出现差别,一般非专用电路不但解码更慢,而且细节还原效果也不如专用ISP。

考虑到当前sensor绝大多数都已经是片上ISP解码了,因此没有必要再对这项参数进行计分,不过诸如hmx等非片上ISP输出的,会专门减一名排名。

8.噪声。在现代CMOS,真正的本底噪声实际上已经很低了。高端CMOS比如某夜视仪机型可以把读出噪声做到小于1e-,对于满阱容量12000e-几乎可以忽略不计。至于在暗光下raw图的满屏噪点并非来自CMOS而是来自光的物理属性(散粒噪声)。再加上因为本底噪声资料也不全,因此暂时也不计入CMOS排行榜。

实际上对于索尼的传感器,这个参数加上也未尝不可,因为索尼传感器的白皮书一般都会给出一个叫做sensitivity的量,和本底噪声有关。但是一般的单像素越大,且cfa透光率越高,sensitivity越大,比如:

imx600,是273
imx766,是199
imx616,是152

还有个imx700和imx608的因为白皮书尚未公开(实际上这三者也只是部分公开,允许截图一小部分),imx700是380,而imx608分十六合一和四合一两种读出模式,在十六合一下,sensitivity高达522,索尼手机端这么多技术文档看下来没有比这个还高的了。

当然,如果有兴趣等我文档找全之后可以专门做一个索尼CMOS天梯排行榜。不过不需要为这件事担忧,单像素大小已经在榜中代替了sensitivity这个量进行排名。


排行榜权重:像素数10%+尺寸10%+单像素大小20%+读出速度30%+读出规格20%+对焦10%

权重原因:像素数在50mp下实际上已经够用,因为没有人放大数毛,并且大于50mp下有手机树脂镜头瓶颈(比如hmx传感器相比gn1,全像素模式解析力就不是两倍的关系。在一些条件下差距甚至不算太大),因此权重稍低给10%。尺寸目前只关系到全传感器满阱容量等几个参数,但是全传感器参数仅间接影响到照片质量,因此权重也给低一些,10%。单像素大小关系到照片信噪比,宽容度等多个参数,直接影响照片的质量,因此权重给20%。读出速度一直是目前手机传感器最重要的问题,要不然索尼三星也不会倾尽全力优化这个参数了,因此理应给最高权重,给30%;输出规格也极大程度影响照片质量,也给20%权重;最后对焦,对焦除了受传感器影响外还受镜组影响,在目前的旗舰传感器对焦技术下再提升感知不强了,因此给10%权重。

在该权重下 给出的传感器排名表如下所示。注:不收录不常见传感器(因为用的人太少或者索尼独占等传感器,资料封闭一般不全);截止截稿时间未搭载实机或已经知道参数但是一部分参数了解不全的,以括号圈住排名表示它理论上应该在的排名位置(如果(2)但是排名在实际第二名前面的,表明其实际排名在第二名前面第一名后面;排名在第二名后的(2)表示其实际上在第二名后面第三名前面,但是因为参数不明也按第二名算),但是实际因为参数不确定,不计入排行榜。


排名   传感器型号  搭载机型示例

旗舰传感器序列

这些都是旗舰传感器,代表着一家(索尼或三星)甚至好几家(尤其是对于联合研发的CMOS)的最尖端影像技术的集大成者。它们当中的很多传感器过了好几年依然不过时。当然随着23年临近,索尼和三星之间又要爆发新的传感器战争,可能一些在榜首已经坐累的传感器这下要下榜了。

1.imx608 huawei p40Pro+

(2)s5khp2 Samsung Galaxy S23 ultra

(2)imx989 vivo x90 Pro+(目前资料显示它可能是有12bitADC读出的,不过各个厂商都不做,本榜以它有12bitADC计入)

2. imx700 Huawei p40Pro+

(3)imx718 huawei mate40Pro

(3)imx555 Samsung Galaxy s21+

(3)imx803 apple iPhone14 Pro Max(并非全像素双核对焦,技术类似于掩蔽式相位对焦,其余技术和imx700同源,输出规格略强但是对焦,ADC稍差。目前资料依然不全,不知道它和imx700孰强孰弱,但是超过imx707是没问题的)

3.imx789 oneplus 9Pro

(4)imx707 xiaomi 12s

4. s5khp1 MOTO x30Pro

(5)s5kgnh honor magic4 ultimate

5.s5kgn2 xiaomi 11 ultra

(6)s5kgnv vivo x80Pro(相比gn1给了全像素高度dti)

6.s5kgn1 vivo x70Pro+

(6)s5khm3 Samsung Galaxy S22 ultra

(6)s5khpx xiaomi note12Pro+

(6)s5khm1 Samsung Galaxy S20 ultra

(6)ov48c xiaomi 10 ultra

7.imx600(ryyb)huawei p30Pro(实际上imx600和600y除了cfa其他完全一致,但是600按600y计入了,由于ryyb导致单像素面积大,因此imx600排名比600y要靠后)

7(并列).s5khmx xiaomi 10 Pro(因非片上ISP解码减一名)

9.imx800 honor 70 Pro+

10.imx787 nubia z50 Pro

11.imx400 Sony xperia xz premium

12.imx689 OPPO find x2Pro

13.imx445 Sony Xperia I



高端传感器序列

高端传感器序列一般代表着高端机(售价一般大于3500元)上所搭载的传感器。技术一般并不是最先进的,但是性能相比绝大多数公版传感器要好很多。它可以保证在发布后2年以内技术不落后(索尼御用CMOS除外,领先时间可能更长),但是和旗舰传感器某项技术可能几年甚至十年都不落后不同,它无法保证这么长时间的领先时间。但是,如果对传感器绝对领先没有特殊需求,但是对画质还有一定需求,购买采用高端传感器的手机已经足够。


14.ov64a huawei mate40e

(14).imx703 apple iPhone13 Pro Max

15.imx890 oneplus11

16.s5kgn5 iqoo 9Pro

17. imx766 OPPO find x3Pro

18.s5kgn3 Samsung Galaxy S22

19.imx603 apple iPhone12 Pro Max

20.imx378 xiaomi 5s(一颗有意思的传感器,单像素面积巨大,前imx600y的暗夜之眼。支持高端传感器序列里大部分不支持的12bitADC以及4k60FPS/1080p 240FPS高速读出,大阱容高宽容度兼具,2016年时不靠多帧合成,夜景、宽容度等便可以打imx298等多帧样张。总体分数在2017年前仅次于imx400的外卖旗舰型号,其演进型号imx380在2018年是除索尼御用外,除imx600外实力最强的)

21.imx598 vivo x80Pro

22.imx586 nubia z20(想不到吧,imx586作为gen3的CMOS传感器,读出速度挺高的,大于s5khm2/hm6,今天依然不算落伍,算完之后还能排在高端传感器序列里面,虽然算垫底的水平,但是考虑到还有imx582和682,就把这俩放进高端传感器序列了)

23.imx686 meizu 17Pro

24.imx300 Sony xperia z5 premium(总像素数按25mp计入,实际可用23/20mp,注意该传感器实际面积比1/2.3寸(18mm标准)略大,因为其为可变画幅,实际尺寸甚至略大于imx586,为1/1.95寸(16mm标准)。噪声测试表现在相同进光量下,竟然比imx586还要稍好)

25.s5kgw2 Samsung Galaxy S21+(6400万像素bayer,原生高解析力拉分拉了不少)


中低端传感器序列

上述传感器一般搭载于1000-3000元款的手机上,用作主摄。

26.s5khm2 zte axon40 Pro

27.imx682 meizu 18

28.s5khm6 xiaomi redmi k50 ultra(这颗CMOS输出规格甚至还不如imx582和682)

29.imx582 honor 9x/Pro

30.s5kgw1 iqoo neo6

31.ov64b OPPO Reno7

(31).imx633 apple iPhone14 Pro Max

32.s5kgw3 meizu 18x

33.imx503 apple iPhone11 Pro Max

34.s5kgm2 mi10 lite

35.imx200 Sony xperia z1/z1c(初代索尼gen2传感器,支持4k30FPS和高像素,非常经典的一款传感器)

36.s5kgm1 xiaomi redmi note7(注意该款传感器不但不支持片上ISP解码,还不支持反马赛克算法,使得它仅支持12mp输出)

37.imx616 huawei p40Pro+ (经典前置带af传感器。全像素@24FPS/4k30FPS/8MP@120FPS较高速读出,面积比jn1还略大一点点)


凑数传感器序列

上述传感器一般搭载于1000到3000元档用作主摄,但是素质实在是很差,就是凑数水平。如果发现传感器是这款,那么一般暗光拍摄要么因为进光量太小,要么因为传感器输出帧率过低无法做多帧合成,因此一般可以和暗光拍摄说拜拜了。并且,日间拍摄因为多帧合成能力弱,因此hdr效果爆炸。同样价格,碰到这样的主摄,直接pass即可,除非你是真扫码。

只收录应用在主摄或者超广角镜头上的型号,至于应用在长焦(长焦焦距长,很难上大底否则体积会爆炸,长焦上小底不可以算凑数)或者前摄(前摄同样一般不能用大底)的不计入。

s5kjn1 xiaomi redmi note11、honor x40 gt

imx403 apple iPhone xs

imx315 apple iPhone se1/2/3,6s/7/8(2015年索尼除imx300外最强的传感器,但是在目前也就是凑数水平)

ov16a redmi note12

ov13b10 xiaomi 12s、xiaomi mix fold2

s5k4h7 xiaomi redmi k50 ultra

ov08d10 oneplus ACE Pro

ov02b10 各家景深凑数混用


未来发展:

短期内三星:三星的路子比较简单粗暴,就是堆料,通过三星半导体在半导体领域积累的材料科学和大量的技术工艺优势,三星半导体充分发挥自己在半导体电路制造领域的优势进行堆料(索尼曾经在半导体电路制造领域有优势,但是随后被三星反超,导致索尼已经开放了一部分传感器给台积电代工。不过索尼还有两个看家本领,第一个是合作对象提供的丰沛的思路,第二是索尼在晶圆对齐等先进封装领域积累了大量的经验,三星短时间内超不过去)。因此,三星的传感器一般在满阱容量等微电路蚀刻领域的参数非常耀眼,而在先进封装领域的读出速度,本底噪声,热噪等领域参数一直落后于索尼,直到最近可能追上了索尼2018年的水平?但是目前索尼先进封装工艺手机厂商一般不感冒,因为目前绝大多数手机传感器都是刚演进到gen3的非像素级铜互联技术,至于很多副摄还是gen2硅穿孔技术(尤其是三星大把传感器都是硅穿孔技术,包括一些旗舰传感器,要不说三星在先进封装领域技术差吧),索尼都快gen7(gen7是个人命名,官方没有这种说法)了,手机厂商用的还是gen3,这给三星反超的机会,因为gen2极致打磨到gen3的水平还是容易的,我虽然读出速度等参数略落后于索尼的gen3,但是我其他参数远优秀于索尼就好了呀。目前三星用尽力气堆了一颗hp2传感器,参数很耀眼,但是读出速度刚追上索尼18年的水平(imx586)甚至16年的水平(imx400),路依然很长,但是三星这个策略短期内还是能占领一些市场的。

长期内索尼:继续缝补晶圆堆积技术,索尼在2021年曾在IEEE2021国际电子会议上发布了基于双层晶体管像素技术的CMOS图像传感器。索尼从gen1到gen6的演变实际上都是在基于图像传感器的晶圆级对齐和连接上下功夫,连接精度越来越高,连接点越来越多(gen3的铜互联到gen5的像素级铜互联再到这个估计能算gen7了吧?的像素内级别铜互联),我认为长期内画质收益是会超过三星的,当然三星搞得很多黑科技也索尼需要补课的,尤其是材料科学和电路,不过索尼短期内弥补该缺陷的思路也比较简单粗暴,就是引入“小三”台积电,从而快速追上三星差距。最近台积电在熊本建了好几个厂子,多半是为索半搞CMOS用的。

在长期内,索尼提供高速高信噪比的读出,三星则是提供高阱容,两者之间虽然是相互竞争的关系,但是实际上二者的关系更接近于相互学习。虽然目前来说索尼还并未着急提高像素层的满阱容量,但是三星可是着急学索尼优化模拟层工艺来优化读出噪声和读出速度,并且进步还可以,原来一秒读10帧,现在可以50mp读30帧了(s5khp2,基本追上了imx586和imx600的水平,所以不要小看586,索尼模拟层读出工艺在2019年甚至更早就已经是三星望尘莫及的水平了),显然到底是满阱容量对市场更有作用还是读出速度对市场更有作用相信各手机厂已经用脚投票了,因此目前三星还是比索尼更着急的。不过2023年新的传感器大战已经打响,让我们看看新的一年,imx608和700是会重新卫冕榜首,还是新传感器登上顶峰?(据说索半正在搞一颗1寸规格的很强的传感器,有望冲击榜首并把608和700全甩出好远,实际上这几年没新传感器冲击榜首,并非索尼技术停滞了,主要是新技术太贵,除了华为苹果以外没厂商用的起,索尼移动自己用,又不是主流传感器,一般不收进榜(主要还是公开的资料太少)。华为被制裁用不了最新技术传感器,苹果不激进牙膏一代一代挤,三星技术还差一点,因此最近几年没有新传感器冲榜,是一个很正常的现象)

更新日志1:目前二手iPhone买卖也很活跃,因此更新iPhone图像传感器(从imx315(因为这款传感器从6s一直用到se3)到imx603)全部加入列表中。

更新日志2:最近找好玩的老机子的时候看到一些有意思的超强传感器,比如imx378,且能找到白皮书。遂更新。