ryyb RYYB传感器是个什么鬼？手机镜头能否靠它逆袭？

在智能手机的各种组件中，相机应该算是物理结构最复杂的组件之一，通常由PCB主板、CMOS SENSOR、HOLDER和镜头ass' y组成。

互补金属氧化物半导体传感器

其中镜头由镜头(5片起，越多越好，玻璃材质比树脂好)、滤镜装置(主要是RGB原色分色法和CMYK补色分色法)和镜筒组成。不同的拍摄环境可以使用不同的光圈和焦距。如果你想支持OIS光学图像稳定，你需要集成额外的电机和陀螺仪。

CMOS的物理瓶颈

对于智能手机来说，拍照的最终目的是要有和专业相机媲美的成像水平。但是由于两类设备尺寸的差异，手机镜头的光圈一般只有8mm，怎么能和单反专用的“长枪大炮”竞争呢？

传感器尺寸

智能手机要想缩短与专业相机的差距，提高CMOS图像质量的方法只有一个。比如增加CMOS传感器的尺寸，就可以获得“底大一级杀人”的先天优势。

问题来了。在纤薄的智能手机中放一个更大的传感器是不现实的。历史上，诺基亚808 PureView搭载的1/1.2英寸已经是极限了。

到目前为止，无论是IMX586、IMX600还是IMX650，这些顶级超像素传感器的尺寸都只有1/2.0英寸和1/1.7英寸左右。虽然与手机常用的1/2.x英寸传感器相比，它们被认为是“大底”，但与专业相机的镜头相比，它们还不够看。

提高进入的光线量

再比如增加CMOS传感器的光输入，使其具有捕捉更多光线的能力，从而在相同环境下拍摄出亮度更高、噪音更小、更清晰的照片。对于CMOS来说，提高光输入的方法有很多。增加传感器尺寸，增加镜头光圈，增加单个像素的感光面积，引入超像素超像素相机(如HTC One M7)都是可行的手段。

但是，历史已经证明，超像素超像素相机合不来。镜头光圈和传感器尺寸一样，f/1.6几乎是手机小尺寸的极限。IMX586通过Quad Bayer阵列和四合一像素聚合技术可以实现1.6μm的等效单像素感光面积，而高端IMX600传感器只有2.0μm，还是有上限的。

在这种环境下，我们只能另辟蹊径，尝试改造CMOS传感器的底层架构。

神奇的拜耳阵列

我们之所以能看到五彩缤纷的颜色，是因为人眼中有许多种细胞能感知不同频率的光。CMOS传感器也有可以感知不同颜色的“单元”，但它们被称为像素，以拜耳阵列的形式排列。

什么是拜耳阵列

从历史上看，柯达公司的成像科学家布莱斯·布莱斯·拜耳最先发现，在红、绿、蓝三原色中，人眼对绿色最为敏感，于是他尝试在CMOS上面加一个滤镜，采用1红2绿1蓝(RGBG，也叫RGGB)的排列方式，将灰度信息转化为颜色信息，使CMOS上呈现的颜色最接近人眼的视觉效果。

所以几乎所有的CMOS传感器都采用了RGBG排列，俗称“拜耳阵列”或“拜耳滤波器”。

拜耳阵列的缺陷

需要注意的是，CMOS在光电转换过程中无法获取颜色信息，只能获取不同的强度信息。拜耳阵列的机理类似于“分色”。滤镜上的红、绿、蓝像素只允许对应颜色的光通过，阻挡其他颜色的光进入，让每个像素得到颜色和明暗信息。

但是“分色”的过程中有一个缺陷。滤光会损失一部分光强，同一点只能获得一种颜色信息，而这个位置的其他颜色信息都会丢失。

为了得到最接近的真彩色，需要根据相邻像素上的颜色信息“猜测”该位置丢失的剩余颜色信息。业内称这种“猜色”过程为“反拜耳操作”。

换句话说，由于拜耳阵列中存在“猜色”环节，理论上CMOS永远无法100%还原真实景物的颜色，只能无限接近现实。现实中拍摄的照片出现“偏色”，即在“猜色”过程中出现错误。

拜耳阵列的改进

拜耳阵列之所以受欢迎，是因为它被认为是最好的CMOS结构。但是随着手机内置ISP单元性能的提高和各种成像算法的不断优化，空被给出来优化CMOS结构。所以我们看到“RGBW”、“RWWB”、“RYYB”等CMOS结构。

RGBW结构

因为人眼对绿色最敏感，拜耳在每个RGBG阵列中使用两个绿色像素(G)。此时，如果用透光率更强的白色像素(W)代替其中一个绿色像素(G)，形成所谓的“RGBW”阵列排列，能否解决增加入射光量的问题？

历史上，RGBW CMOS最早的制造商来自OmniVision(OV)，摩托罗拉的Moto X、Moto Droid Mini、Droid Ultra、Droid Maxx等产品都使用这种CMOS，但摩托罗拉称之为“清晰像素”技术。不幸的是，OV对传感器和摩托罗拉手机市场的影响力有限，这种RGBW CMOS并不为许多用户所知。

真正推动RGBW的是索尼2015年推出的IMX278传感器(后来推出的IMX298也是这种结构，在华为Mate8、小米5、One Plus 3、vivo X7 Plus等手机中使用过)。主要改进手机暗光拍摄，声称在低亮度下灵敏度可以提高32%，噪音可以降低78%。华为P8，OPPO R7 Plus，魅蓝6T等都用过。

RWWB结构

既然RGBW已经“剪辑”了一个绿色像素，并用白色像素替换它，为什么不更进一步，用白色替换另一个绿色像素呢？同样在2015年，联发科发布Helio P10的时候，它是名为“真亮”的主图像引擎。其主要组成部分是采用“RWWB”结构的CMOS传感器，将传统拜耳阵列上的两个绿色像素全部替换为白色，且光输入大于RGBW结构。

遗憾的是，联发科虽然在发布Helio X20的时候还在专注于这项技术，但到目前为止还没有发布RWWB CMOS，算是“理论上的存在”。

纯黑白结构

联发科倡导的RWWB CMOS虽然一直停留在论文阶段，但并不妨碍大家借鉴。既然RWWB已经取代了两个绿色像素，为什么不干脆把分色滤镜彻底扔掉，让CMOS实现全透光呢？所以索尼率先推出了专业的IMX Mono黑白相机，光线输入非常高，在黑暗环境下可以记录更多细节。

当然，由于Mono黑白镜头无法记录色彩信息，所以必须搭配另一种颜色的CMOS，夜间拍摄效果远远好于传统RGBG和RGBW CMOS采用双镜头+算法的单镜头。今天这种黑白+彩色镜头的组合依然大行其道，RGBW CMOS已经被扫进了历史的尘埃。

RYYB结构

得益于多镜头矩阵模块的普及，RGBW CMOS彻底失去了市场。但CMOS对光输入的需求并没有减少，如何进一步缩小手机与专业单反(或其他竞争手机)在夜间拍摄时的成像差距，成为未来智能手机的重点发展方向。

华为P30系列和荣耀20应该算是目前夜间拍摄效果最好的智能手机代表。不考虑单个像素的传感器尺寸、光圈和感光面积等参数，这些手机采取了一个危险的举动——将传统的RGBG拜耳滤镜(为了比较，下面将在RGGB描述)改为“RYYB”滤镜，用黄色像素(Y)替换两个绿色像素(G)。

与RGGB相比，RYYB可以减少前者在滤色过程中造成的光强损失，最多可以增加40%的光输入。以华为P30 Pro为例，该产品ISO高达409600，是iPhone Xs Max的64倍！所以在纯黑的环境下只需要一点微光就可以记录色彩细节。

问题是光的三原色是红、绿、蓝，是RGBG拜耳滤光片的成分，而黄色只是打印颜料的三原色之一(包括红、青)。没有钥匙绿怎么还原本色？

其实黄色可以从红色+蓝色(R+G=Y)得到，即黄色是绿色和红色的组合，两者在亮度上的叠加。RYYB CMOS在对三原色进行整形后，在颜色原理上会和RGGB有一个根本性的变化——RGGB光学三原色是叠加法，表现为吸收光(绿色通道吸收绿光)，R+G+B为白色，吸收所有光；RYB三色是减色法，代表反射光(黄色反射红光和绿光)，R+Y+B是黑色，反射所有光。

需要注意的是，RYYB滤光片虽然可以增加光输入，但其本质是变相增加红色的光输入，从而提高在弱光环境下的性能。同时，由于黄色像素数量大，色偏会难以避免，绿色像素的缺乏也会影响饱和度。

因此，为了更好地控制RYYB CMOS，需要更强大的硬件ISP和更成熟的成像算法。华为终端手机产品线总裁何刚曾表示，华为花了三年时间确保RYYB阵列在配色上的准确性。但是在P30系列的初期，很多用户还是暴露出了色偏的问题，随着后续固件升级，这种现象逐渐减少。

如今，智能手机的外观设计、SoC等硬件趋于同质化。谁能在形象的道路上走得更远，谁就一定能提升竞争力。定制化CMOS滤波器结构是现阶段最能体现厂商技术实力的性能之一，我们也期待更多厂商拿出自己独特的图像观，向传统宣战。毕竟随着AI技术的不断创新，新一代的成像算法可以弥补各种“猜色”和“偏色”问题，也给CMOS供应商和手机厂商更多发挥空。