从2018年到2019年，智能手机市场“超高像素”的风潮可谓是愈演愈烈。虽然我们三易生活其实也不止一次地提醒大家，在当前的技术条件下，即便是最强大的旗舰智能手机也还无法完全发挥超高像素设计的潜力。但是必须要承认的是，由市场营销需求所驱动的此次智能手机拍照革命，客观上也确实促进了新技术更迭的加速，并将以往可能只存在于高端相机或极少数拍照手机里的旗舰CMOS、高端算法、专业功能带到了更多价位更低的产品上，让更多的消费者享受到了技术竞赛、市场竞争所带来的好处。
第一台6400万像素GW1搭载机：Redmi Note8 Pro当然，说到拍照手机的技术竞赛，大家脑海中可能第一时间浮现出的是几家知名的手机品牌。但实际上，深究从去年至今的智能手机高像素拍照配置我们不难发现，它们背后其实是索尼与三星两家CMOS供应方的一次大规模正面对决：4800万时代，索尼靠着硬件直出的画质优势以及更高的定价策略，成功树立了IMX586“高端”的形象，让三星GM1多少有点难堪；但不久之后，随着三星6400万像素的GW1抢先上市，一瞬间就成功地扭转了颓势，同时也将超高像素拍照手机的设计带入了一个更新的时代。三星GW1这颗CMOS到底强在哪？一般的消费者可能首先关注到的是它的6400万超高像素，毕竟更高的像素意味着光线充足时更好的解析力，在市场宣传上也会更有优势。而稍微懂一点门道的朋友，可能会更在意它那1/1.7英寸的CMOS尺寸，因为这是当前市面上智能手机CMOS的最大尺寸，也是当前市面上唯一一颗非定制、非限定机型品牌的1/1.7英寸超大底手机影像传感器。它的出现，也打破了此前华为P30Pro及Mate20 Pro独占超大底CMOS的市场局面，更将顶级拍照体验带入了低至千元的手机价位段。意义不可谓不重大。但是实际上在三星GW1里，还隐藏着一个比单纯的“大底”、“高像素”更黑科技，也更有意义的成像技术，但它却没有引起足够的关注，甚至厂商们发布新机的时候也没有刻意去讲到它。正因为如此，我们三易生活今天就来给大家科普一下三星GW1里出现的这个，不仅真正算是具备“单反血统”，而且对于日常拍照体验意义重大的技术——DCG（双转换增益）电路。
说实在的，我们相信大部分读者可能看到“双转换增益”这么一个很显然相当专业的名字，心里就已经在打退堂鼓了。但是别怕！其实它的原理并不算太复杂，而且理解了它，你才算是真正地理解了“手机到底是如何拍出照片”的这个全过程。首先，我们想请问大家一个问题：你真的知道CMOS，或者说，影像传感器是如何工作的吗？可能有的朋友马上要说了：我知道！不就是光电转换吗？CMOS的像素点将光信号转变为电信号，就变成图像了呗！咳咳咳……这就属于典型的一知半解，实际上“感光”只不过是CMOS在成像过程中的第一步工作而已。对于现代的CMOS来说，当光线照射在半导体像素点上时，每一个像素点都会将自己捕捉到的光能转化为电能，对应画面明亮部分的像素点，接收到的光线就多，产能的电能（电子数量）也就多；对应画面阴暗部分的像素点，接收到的光线就少，产能的电能也少。而这种，将自然界的明暗光学，转化为传感器上的电压高低分部的过程，就是当今数码成像的所谓“感光”。发现问题了吗？没错，当感光完成之后，此时电荷还在CMOS的半导体元件上，而电信号是没法直接变成图像的。因此为了能够释放感光元件上的电荷（不然的话没法继续感光了），也为了实现下一步的电信号处理，在CMOS内部位于感光元件后端的部分，还有两个重要的组件，他们分别是电容和功率放大电路。其中电容直接捕捉感光元件产生的电荷，而功率放大电路则将电压信号进一步增大，方便最终的ADC（模拟-数字转换单元）将电压信号转变为我们所熟悉的，图像的数字信号。用一个简单的文字流程图来描述这个过程，也就是：感光单元（光信号转电信号）→电容（存储电信号）→功放（放大电信号）→ADC（最终把电信号转换为图像数字信息）
明白了数字化的拍摄设备究竟是如何成像这个基本原理，现在我们终于可以来揭示传统CMOS在感光元件之后的一大设计难题了：这就是增益转换电路的两难问题。首先大家都知道，CMOS面积越大总像素越少，那么单个像素进光量是越大的。但是“进光量”是不能直接决定最终的画面信息的，真正起到关键作用的，其实是感光部分产生的电荷数量，以及电容部分所捕捉的电量数量。打个比方，两块CMOS的面积一样大、像素数量一样多，在一次拍照中，它们都产生了10000个电子。但是传感器A的电容容量为10000，而传感器B的电容容量只有1000，那么此时传感器A一次所能捕获的画面信息量就是10000，传感器B的画面信息量就只有1000了，多出来的9000个电荷，就被浪费掉了。体现在最终的成像上，大电容的CMOS，其画面信息量、宽容度理论上就会比小电容的CMOS多出10倍。这意味着大电容设计能更好地适应大光比场景，譬如在强烈的阳光下，大电容CMOS就能更完整记录画面从最暗到最亮处的变化，而不会那么容易过曝。即使是超大底旗舰拍照手机，夜景的噪点、眩光也不可避免那么，是不是说CMOS的电容就越大越好呢？并不是。因为电容容量大了，的确意味着一次性记录的画面动态范围就更大。但它也同时意味着，信号中的杂讯也会更多。要知道，CMOS内部对于模拟电路的杂讯是极度敏感的，电压越高、电流越大，或者哪怕是因此带来的多一点点的发热，都会造成画面噪点严重增多。而且，大电容设计就意味着电容之后的功放电路放大倍数不能太大，否则也会造成过曝。是，如果我们假设现在拍摄的对象并不是光线强烈、信息量丰富的白天繁华的街道，而是夜晚静谧的星空。那么“大电容+小倍率功放电路”的所有优点都会瞬间变成缺点。比如因为星空本身信息量就少，但杂讯却很多，此时更大的电容所记录下的CMOS产生的电信号里，不需要的成分就会大大增加。而由于功放电路放大能力不够，真正有需要的重要信号强度就业得不到保障。这样一来，当ADC把充满杂讯、信号强度又不够的电信号“翻译”成数字照片之后，我们得到的就可能会是一张星星没拍清楚，可噪点却不少的夜晚图像。相反，此时“小电容+高倍率放大电路”就会变得非常有利：既能减少噪点，让画面纯净深邃，又能充分放大所需信号吗，让画面的高感表现清晰锐利。将以上两种情况总结一下，就是说：CMOS里，负责对半导体捕捉、转换的电信号进行进一步处理的电路，由电容+功放组成。而其组合方式可以分为“大电容+小功放”和“小电容+大功放”两种。前者拥有更大的画面动态范围，可以保证在明暗对比强烈或者强光直射的白天拍出更为生动的色彩，避免过曝；而后者天生高感能力强悍，更适合在画面信息量少、曝光严重不足的情况下提亮画面，同时有效抑制噪点。
话说到这一步，相信大家都看懂是怎么回事了。因为两种增益放大电路的设计截然相反。因此对于过往的CMOS来说，白天（或者夕阳）场景下的超大动态范围，与夜间（或者暗光）场景下的高感表现是绝对无法兼得的。比如说知名的尼康上代旗舰单反D810就是高电容增益电路的实际“受害者”——由于其过分追求昼间动态范围与画质，导致夜间高感性能实在太差，最终尼康不得不专门为单反相机的强力消费群体，也就是天文爱好者出了个定制型号D810A，反过来舍弃动态范围以达成极致的“拍星星”能力。那么，是不是真的没有办法将白天的高画质与夜间的低噪点兼顾了呢？办法还是有的，那就是直接在CMOS里内置两套增益转换电路就好了。而这，其实就是三星GW1的DCG（双转换增益）的真相。GW1在白天拍摄的时候，可以用6400万像素，配合大电容阱，充分实现高像素+高进光捕捉，带来爆表的HDR性能；而到了夜间，四合一之后的1600万像素既能增大进光量，同时加上小电容、大功率放大的第二套增益转换电路，又能有效降低噪点、提高画质。从某种程度上来说，这种两套增益电路切换设计所带来的CMOS成像素质提升，比单纯加大CMOS面积或者增加像素数量的作用可能还要更加显著一些。比起高像素，DCG才是真正的领先技术（图为拿DCG大做宣传的松下S1H电影机）更有意思的是，比起智能手机小相机高像素的争议性能，双转换增益设计在如今的相机界却是更加公认的高端元素。从尼康的D850到索尼的A7R3，再到刚刚发布的，主打6K专业摄像的松下S1H，均有赖于CMOS双转换增益设计才做到了日夜拍摄场景的“通吃”。因此从某种意义上来说，三星GW1确实有资本自称是“可比拟顶级相机”，只不过原因不在于6400万，而在于很多人都没有注意到的，它的后端电路设计而已。
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