知识帖：Ultra Pixel超像素技术解析
4月24日周永明再次登上舞台，这次他不再讲Quietly brillant(谦和智慧)，要Bold(大胆)、Authentic(真实)、Playful(有趣)，为中国消费者带来又一款旗舰安卓手机HTC One，与早前上市的Butterfly构成掎角之势，跟那些韩国人决一死战。在HTC语言中Butterfly是一台稳重的旗舰手机，而HTC One则是HTC One先进技术的集成者，不但有Butterfly上的1080P屏幕、88度大光圈前置摄像头、Beats Audio音效，还有金属Unibody机身、两轴光学防抖技术(OIS)、Ultra Pixel超像素技术。
HTC One
相机中寻Ultra Pixel
金属Unibody机身在苹果初代Macbook Air中首次使用、久经考验，光学防抖技术也经由Nokia Lumia920验证，低光照拍摄、视频拍摄时相当实用，因此在这些先进技术中最受争议的莫过于Ultra Pixel超像素技术。从像素尺寸上看，Ultra Pixel超像素技术是一反在传感器尺寸不变下把像素做小的方式，而是在传感器尺寸不变下把像素做大，让获得单个像素获得更多的光子，进而改善手机摄像头 成像画质，尤其是低光照环境下。Ultra Pixel超像素无疑是HTC在智能手机发展史上首创的做法，但这一做法在数码相机中并不新鲜。
把时钟拨回2001年2月，尼康发布了新一代旗舰数码单反相机D1H，这是一款面向新闻记者、体育记者的高速单反相机，使用CCD传感器、拥有 262万有效像素、最高连拍速度为5FPS、最多可连续拍摄40张JPG(看到如此规格时是否感动泪流满面呢，当年一台旗舰相机居然连当今一台手机都不 如)。后来又好事者把D1H CCD表面的低通滤镜拿走，用微距镜头拍摄CCD表面的像素，发现D1H CCD的拜尔阵列有点不同。
D1H的微距照片，尼康把四个像素合一使用
CCD、CMOS是两种常用光学传感器，它们能将光子转换为电信号，进而记录图像，但它们只能记录光子的强弱、没法获知光子的色彩(波长)。为了记 录了彩色图像，Bryce Bayer(布莱思·拜尔)发明了一个后来称为拜尔阵列的彩色滤镜阵列。拜尔阵列最基本单位是1红2绿1蓝滤镜的2×2方格阵列，每个滤镜与CCD、 CMOS上的像素一一对应，在像素数量不低于一万时，可以通过一套复杂的算法猜出图像色彩。由于四个像素才能获得一个完整的RGB信息，因此每个像素实际只有25%蓝色/红色信息以及50%绿色信息，其他信息只能通过插值获得。
拜尔阵列
可见拜尔阵列是一种光子利用率很低彩色获取手段，每一个像素都会浪费两种原色光子，为了增加每个像素获得光子的数量，最简单的方法是增加每个像素的 面积，尼康D1H正是这样做。D1H将1080万像素的CCD传感器的4个像素合成1个大像素，进而提高感光表现。HTC One的Ultra Pixel超像素技术与D1H殊路同归，不过比后者更为激进。
HTC One
Ultra Pixel名字掩饰下的秘密
根据外媒拆解，HTC One的摄像头模块由ST Microelectronics 5869 BA四百万像素的BSI CMOS、InvenSense的陀螺仪与一块用途不明的Renesas芯片组成，考虑到该CMOS长宽比为手机中少有的16：9以及1/3英寸尺寸，可 以推断出这是一块定制的传感器，而非早前推测像素合成而来4MP CMOS。
HTC One摄像头模块
要增加的像素面积方法不外乎几种，一是像素不变下增加传感器尺寸，但这会增加成本、增加体积；二是如D1H那样像素四合一，但这是奇技淫巧；而 HTC One采用了第三种方法，在传感器尺寸不变的情况减少像素数量，这比第二种方法能获得更多像素总面积——CMOS、CCD表面的像素并非密密麻麻排列着 的，在像素与像素之间存在大量辅助电路，减少辅助电路即可增总像素面积，在制造工艺不变的情况下减少辅助电路的方法便是减少传感器表面积的浪费。
红框里面才是每个“像素”真正的大小，红框与蓝框之间是辅助电路
依靠少像素策略，Ultra Pixel获得比一般手机用CMOS传感器的更大像素面积，根据HTC官方数据，在Ultra Pixel技术下每个像素的面积达到了4微米平方，而8MP CMOS每个像素面积小于2微米平方、13MP CMOS每个像素面积小1.3微米平方。(比如Omnivision OV8835、OV12830均是4：3长宽比、1/3.2英寸CMOS，前者拥有8MP像素、每个像素尺寸为1.96微米平方，后者拥有12MP像素， 每个像素尺寸为1.44微米平方。)
如此尺寸差异能带来多大性能差距呢，在发布会上HTC One表示Ultra Pixel大像素进光量可提升300%，只可惜单个像素的进光量并不决定一切，也不能反应最终性能。衡量一块CMOS性能的指标非常多，如灵敏度 (Sensitivity)、动态范围(Dynamic Range)、暗电流(Dark Current)、转换增益(Conversion Gain)、量子效率(Quantum efficiency)，要简单理解一块CMOS好坏最佳指标莫过于信噪比。
在相同技术、同样传感器面积、同样开口率下，传感器的信噪比与面积的开方成反比，假设13MP CMOS信噪比为33db，那8MP CMOS信噪比为35db，Ultra Pixel CMOS信噪比为37db，换算为感光度理解Ultra Pixel原声感光度比8MP CMOS高出0.3ev、比13MP CMOS高出0.6ev，再加上光学防抖技术、F/2.0大光圈优势，理论上在低光照环境中HTC One能获得2-3ev的优势。
Foveon X3至今仍是纸老虎
Ultra Pixel超像素技术无疑是基于拜尔阵列，若抛弃拜尔阵列有无提高感光度的可选方案呢，比如Foveon X3。Foveon X3结构上与胶片有相似之处，单个像素即可接收RGB三原色光，理论上拥有极高光子利用效率，但现实的残酷的，上图是Sigma DP1M与Nikon COOLPIX A在ISO 1600下的对比图，前者图像细节、色彩一塌糊涂，实际上Foveon X3量子效率极低，若把Foveon X3技术用于手机传感器，那恐怕只有ISO 50可用了。在可预测的将来，松下的微分光棱镜技术更有助于改善手机传感器画质，不知HTC日后能够抢先采用。
松下的微分光棱镜技术，用于代替拜尔阵列，光利用率更高
对于智能手机消费者Ultra Pixel是一个新颖的名字，比起光学防抖与大光圈更加吸引人注意，但从设计、从实拍中Ultra Pixel式与F2.0、光学防抖三位一体，三者结合才能完全展示HTC One的实力。在拍摄城市夜景时，会发现HTC One仅需ISO100感光度 即可拍摄出一幅清晰、明亮的夜景照片。
HTC One夜景实拍
