譯者按：Hi 各位好，我是 Laze Sun ，在制作《你知道也沒啥用的相機豆知識》的過程中，我無意中發(fā)現(xiàn)了這篇諾基亞于 2013 年發(fā)布的論文，雖然這篇論文的部分內(nèi)容用現(xiàn)在的眼光看已經(jīng)有些過時，但是對于我這種小白來說還是受益匪淺，所以決定將其翻譯成中文供各位參考（部分文字有演繹）。

另：由于 b 站專欄打不出數(shù)學公式，所以部分章節(jié)會用圖片代替。

原文作者：

Juha Alakarhu, Samu Koskinen, Eero Tuulos, Nokia Corporation, Camera Technologies, juha.alakarhu@nokia.com,samu.koskinen@nokia.com, eero.tuulos@nokia.com,

摘要：本文關注超采樣相機及其圖像質(zhì)量。開發(fā)了用于分析弱光性能的公式并將其與主觀測試結果相比較。除此以外，關鍵發(fā)現(xiàn)還表明超過相機的奈奎斯特頻率的大量空間信息可被超采樣相機捕獲。同時我們還表明弱光性能基本上由圖像傳感器的尺寸而不是像素尺寸決定。諾基亞 808 PureView 就是搭載了超采樣相機的產(chǎn)品。

1. 介紹

在成像中，使用超采樣意味著需要使用比相機輸出圖像分辨率更高的圖像傳感器。許多智能手機的傳感器大于其顯示屏的分辨率，但是在超采樣相機中，縮放到較小的分辨率是在相機內(nèi)部完成的，并且能在更早的階段完成，質(zhì)量可能更高。

諾基亞 808 PureView 智能手機首次實現(xiàn)了使用極高分辨率的相機與不需要插值的變焦功能。最初使用超采樣的動機是希望實現(xiàn)在智能手機有限的體積內(nèi)實現(xiàn)高品質(zhì)的變焦功能。比起光學變焦，這種方法提供了很多優(yōu)勢：在整個變焦范圍內(nèi)都能實現(xiàn)恒定最大光圈和微距；變焦時是無聲的并且比機械移動更加平滑；結構更簡單可靠；還讓使用大型圖像傳感器來提供極佳的畫質(zhì)成為可能。除了變焦以外，超采樣還能提供顯著的畫質(zhì)優(yōu)勢。

我們經(jīng)常以為小像素尺寸或高分辨率會犧牲畫面質(zhì)量，這樣的論調(diào)通常錯誤地只考慮一個像素的性能而不是整個相機的性能。本文討論超采樣相機系統(tǒng)的畫面質(zhì)量。很多結果適用于任何當代相機，因為它們記錄的圖像文件通常都大于屏幕的分辨率[2]。

傳感器技術的發(fā)展使得像素能越做越小，而超采樣為發(fā)展中的像素技術提供了一種自然而然的利用方式。它同時還為用新方法去利用像素創(chuàng)造了一個有趣的機會：例如單幀 HDR （高動態(tài)范圍）， 高速相位對焦或光譜檢測。

2. 縮放部分相關像素

3. 線路噪聲

4. 大像素和小像素

5. 測量

6. 銳度

結論：通過在光學系統(tǒng)上使用超采樣，可以獲得像素級的細節(jié)圖像同時不產(chǎn)生混疊現(xiàn)象。

7. 產(chǎn)品

諾基亞 808 PureView 這款產(chǎn)品使用了基于超采樣技術的相機系統(tǒng)。它具有 4150 萬像素，單像素大小為 1.4 微米的圖像傳感器、5 片 F2.4 光圈鏡頭再加一個機械快門[1]。

對光學系統(tǒng)進行超采樣使得在圖像創(chuàng)建中也可以使用有光學系統(tǒng)再現(xiàn)的更高頻率。以諾基亞 808 PureView 為例：相機的像素尺寸為 1.4 微米，輸出 4:3 圖像的傳感器分辨率為 3800 萬像素，但在默認的自動模式下，相機只輸出 500 萬像素的圖像。通過這種方式，使用超采樣可以獲得質(zhì)量優(yōu)異還沒有摩爾紋的 500 萬像素圖像。如圖 4 所示，諾基亞 808 PureView 的 500 萬像素圖像和另一款 500 萬像素的高端手機相機的對比。

通過與佳能 EOS 1Ds Mark III 搭配 L 系列鏡頭并設置為 28mm F2.8（ 2150 萬像素）的全像素模式對比表明，諾基亞 808 PureView 可以捕捉更多細節(jié)。這表明了經(jīng)過精心設計的手機相機能捕捉到的細節(jié)有多強，進一步證明了可以通過超采樣獲得大量信息。

8. 展望

結果表明，只要使用得當，基于超采樣技術的相機可以提供比傳統(tǒng)相機更好的圖像質(zhì)量：擁有更好的細節(jié)、更少的處理和混疊偽像、無損變焦、在整個變焦范圍內(nèi)恒定光圈和微距還有變焦過程是無聲的。弱光性能基本上由圖像傳感器尺寸，使用技術和光孔來定義，也就是說超采樣對其沒有主要影響。

獲得最佳效果的關鍵要素是具有良好光譜響應的小像素和能夠提供足夠銳度來啟用變焦的光學系統(tǒng)。本文提供的結果表明，這些可以在智能手機的大小里完成。

超采樣技術為將來提供了令人興奮的機會。高像素數(shù)量可用于各種新功能：例如單幀 HDR ，更快的相位自動對焦或光譜檢測，而這些只是冰山一角。

超采樣技術對未來像素的開發(fā)也提出了新的挑戰(zhàn)。未來相機的分辨率可能非常高。諾基亞 808 PureView 使用 1.4 微米的單像素尺寸，而 1.1 微米的已經(jīng)批量生產(chǎn)，而 0.9 微米的已經(jīng)在望了[10]。在不犧牲圖像質(zhì)量的情況下去制造更小的像素是可能的。即使像素尺寸很小，背照式圖像傳感器也可以提供高量子效率。像素也需要能夠非常好地處理串擾。例如 DTI 技術[9]可以在像素之間提供完美的電氣隔離。展望未來，我們可能會采用完全不同的方法，固態(tài)的成像器件表現(xiàn)的會越來越像模擬的膠片。

9. 總結

本文研究了超采樣相機的圖像質(zhì)量，包括弱光性能和銳度。結果表明，在設計良好的系統(tǒng)中，弱光性能基本上由光學系統(tǒng)、圖像傳感器尺寸和光譜響應來決定，而不是像素尺寸。結果還表明，智能手機的光學系統(tǒng)具有可以被超采樣利用的大量奈奎斯特信息。我們在諾基亞 808 PureView 上實現(xiàn)了超采樣相機。這款產(chǎn)品和高端 500 萬像素智能手機的對比揭示了超采樣到 500 萬像素的信息量到底多了多少，以及視覺效果如何。我們還將全像素模式下的諾基亞 808 PureView 和高端單反相機進行比較。這顯示了具有高分辨率圖像傳感器的高級手機相機可以捕獲多少信息。

譯者：這是我第二次翻譯英文文獻，但是是第一次出于愛好翻譯一篇非自身專業(yè)的文獻，可能在一些專業(yè)概念和專有名詞的使用上還會有一些偏差和錯誤，歡迎各位大佬指正。

參考資料：

[1] J. Alakarhu et al., “PureView Imaging Technology”, Nokia 2012

[2] E. Funatsu, “Small pixel CIS Technology and Image Quality Evaluation Method”, Image sensors 2012, London.

[3] Nikon D800 / D800E OLPF information, Nikon web pages. Accessed on 27.3.2013 http://imaging.nikon.com/lineup/dslr/d800/features01.h tm#a12

[4] E. Chang et al., “Color Filter Array Recovery Using a Threshold-based Variable Number of Gradients” Proceedings of SPIE, January 1999

[5] M. Stokes et al., “A Standard Default Color Space for the Internet – sRGB, Version 1.10”, November 5, 1996

[6] J. Alakarhu, “Image sensors and Image Quality in Mobile Phones,” in Proc. 2007 International Image Sensor Workshop

[7] J. Elaine et al., ”Softcopy quality ruler method: Implementation and validation”, Proceedings of SPIE, January 2009

[8] E. Fossum, “Gigapixel Digital Film Sensor (DFS) Proposal” in Proc. 2005 International Image Sensor Workshop

[9] A. Tournier et al., “Pixel - to - Pixel isolation by Deep Trench technology: Application to CMOS Image Sensor” in Proc. International Image Sensor Workshop (IISW), Hokkaido, Japan, 2011

[10] S.G.Wuu et al., “A Leading-Edge 0.9μm Pixel CMOS Image Sensor Technology with Backside Illumination: Future Challenges for Pixel Scaling (Invited)”,in Proc. IEDM, San Francisco 2010