Quad Bayer

Quad Bayer — это технология организации цветных фильтров на матрице цифровых фотокамер и смартфонов, при которой каждый стандартный пиксель (фотодиод) заменяется блоком из четырёх одинаковых субпикселей, расположенных в квадрате 2×2. В отличие от традиционного фильтра Байера, где каждый пиксель отвечает за один из трёх цветов (красный, зелёный, синий), в схеме Quad Bayer четыре субпикселя одного цвета объединены под одной микролинзой. Технология позволяет повысить светочувствительность за счёт объединения сигналов соседних субпикселей (бинаринг) и одновременно увеличить разрешение снимков за счёт работы каждого субпикселя как отдельного пикселя при достаточном освещении.

История

Концепция Quad Bayer была впервые представлена компанией Sony в 2017 году в сенсоре IMX400, который использовался в смартфоне Sony Xperia XZ Premium. Первоначально технология позиционировалась как решение для улучшения качества съёмки при слабом освещении, когда традиционные матрицы с фильтром Байера демонстрировали высокий уровень шума. В 2018 году Sony анонсировала сенсор IMX586 с разрешением 48 мегапикселей, построенный по схеме Quad Bayer. Этот сенсор стал массово применяться в китайских смартфонах (Xiaomi, Huawei, Honor) и положил начало «гонке мегапикселей» в мобильной фотографии. В 2020 году появились сенсоры с ещё более сложными схемами — Nonacell (9 субпикселей в блоке 3×3) от Samsung и Tetra² (16 субпикселей) от Sony, которые являются развитием идеи Quad Bayer.

Устройство и принцип работы

Традиционный фильтр Байера

В стандартной матрице Байера (изобретена Брайсом Байером в 1976 году) каждый пиксель покрыт светофильтром одного из трёх цветов: красного (R), зелёного (G) или синего (B). Зелёные пиксели занимают вдвое больше площади, чем красные и синие, что соответствует чувствительности человеческого глаза. Минимальный повторяющийся блок состоит из 2×2 пикселей: один красный, два зелёных, один синий (RGGB).

Схема Quad Bayer

В Quad Bayer каждый такой блок 2×2 заменяется четырьмя субпикселями одного цвета. Таким образом, минимальный повторяющийся блок становится размером 4×4 и содержит 16 субпикселей: 4 красных, 8 зелёных, 4 синих. Все четыре субпикселя одного цвета расположены в квадрате 2×2 и покрыты общей микролинзой. При этом физический размер каждого субпикселя меньше, чем у пикселя в традиционной матрице того же общего разрешения.

Режимы работы

Quad Bayer поддерживает два основных режима:

1. Режим высокого разрешения (бинаринг выключен). Каждый из 16 субпикселей работает как отдельный пиксель. В результате сенсор с номинальным разрешением 48 Мп (например, Sony IMX586) выдаёт полноценный 48-мегапиксельный снимок. Однако из-за малого размера субпикселей (обычно 0,8 мкм) такой режим эффективен только при хорошем освещении.

1. Режим высокой светочувствительности (бинаринг включён). Сигналы четырёх соседних субпикселей одного цвета суммируются (бинаринг) в один пиксель. В результате получается изображение с разрешением, в 4 раза меньшим номинального (например, 12 Мп из 48 Мп), но с увеличенным в 4 раза размером эффективного пикселя (до 1,6 мкм). Это значительно снижает шумы и улучшает динамический диапазон при слабом освещении.

Цветовая интерполяция

При бинаринге цветовая информация теряется, так как четыре субпикселя одного цвета дают только один цветовой канал. Для восстановления полноцветного изображения применяется демозаика (интерполяция) — математический алгоритм, вычисляющий недостающие цвета на основе соседних пикселей. В режиме высокого разрешения демозаика также необходима, но она восстанавливает цвета из 16 субпикселей, что даёт более точную цветопередачу.

Классификация

По числу субпикселей в блоке выделяют:

• Quad Bayer (4 субпикселя) — блок 2×2. Наиболее распространённая схема. Примеры: Sony IMX586 (48 Мп), Sony IMX686 (64 Мп), Samsung ISOCELL GM1 (48 Мп).
• Nonacell (9 субпикселей) — блок 3×3. Используется в сенсорах Samsung ISOCELL HM1, HM2, HM3 (108 Мп). При бинаринге даёт пиксель размером 2,4 мкм.
• Tetra² (16 субпикселей) — блок 4×4. Применяется в сенсорах Sony IMX789, IMX800 (50 Мп). Позволяет объединять 4 или 16 субпикселей, давая гибкость в выборе разрешения.

По типу подложки:

• CMOS (комплементарный металл-оксид-полупроводник) — все современные Quad Bayer сенсоры.
• BSI (Back-Side Illuminated) — подложка освещается с обратной стороны, что увеличивает светочувствительность. Используется в большинстве Quad Bayer сенсоров.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Улучшенная светочувствительность. Бинаринг позволяет получать качественные снимки при слабом освещении без использования вспышки.
• Высокое разрешение. В режиме без бинаринга сенсор выдаёт снимки с детализацией, сопоставимой с матрицами большего физического размера.
• Компактность. Технология позволяет разместить много пикселей на маленькой матрице (типичный размер — 1/2 дюйма для 48 Мп), что важно для смартфонов.
• Гибкость. Возможность переключения между режимами в зависимости от условий съёмки.

Недостатки

• Потеря цветовой информации. При бинаринге четыре субпикселя одного цвета дают только один цветовой канал, что снижает точность цветопередачи по сравнению с традиционным Байером.
• Сложность демозаики. Для восстановления полноцветного изображения требуются сложные алгоритмы, которые могут вносить артефакты (муар, ложные цвета).
• Меньшая площадь субпикселя. В режиме высокого разрешения каждый субпиксель имеет малый размер (0,8–1,0 мкм), что увеличивает уровень шума.
• Ограниченный динамический диапазон. При бинаринге динамический диапазон может быть ниже, чем у крупных пикселей традиционных матриц.

Применение

Смартфоны

Quad Bayer стала стандартом для мобильных камер с высоким разрешением (48, 64, 108 Мп). Технология используется в смартфонах практически всех производителей: Xiaomi (Mi 9, Redmi Note 8 Pro), Huawei (P30, P40), Samsung (Galaxy S20, S21), Honor, Oppo, Vivo, OnePlus. В 2023–2024 годах сенсоры Quad Bayer устанавливаются даже в бюджетные модели (Redmi 12, Realme 11).

Фотокамеры

В беззеркальных и зеркальных камерах Quad Bayer применяется реже, так как там используются матрицы большего физического размера (APS-C, полный кадр). Однако некоторые камеры, например, Sony A7R III (42,4 Мп), используют технологию, близкую к Quad Bayer, для повышения разрешения.

Видеосъёмка

Quad Bayer позволяет записывать видео в формате 4K с бинарингом (12 Мп) или 8K с полным разрешением (48 Мп). В режиме видео бинаринг часто включается автоматически для снижения шума.

Критика

Технология Quad Bayer подвергается критике за то, что реальное качество снимков при бинаринге часто не достигает уровня, обещанного номинальным разрешением. По мнению ряда экспертов, 48-мегапиксельный сенсор Quad Bayer в режиме бинаринга даёт изображение, сравнимое с 12-мегапиксельной матрицей того же физического размера, но с более сложной цветопередачей. Кроме того, при съёмке в режиме высокого разрешения (без бинаринга) качество снимков может уступать традиционным 12-мегапиксельным матрицам из-за шумов и артефактов демозаики.

Некоторые производители (например, Google в серии Pixel) предпочитают использовать традиционные матрицы с крупными пикселями (12,2 Мп, размер пикселя 1,4 мкм) и сложные алгоритмы обработки, считая такой подход более эффективным для мобильной фотографии.

Сравнение с традиционным Байером

Перспективы

Развитие Quad Bayer и её производных (Nonacell, Tetra²) связано с увеличением разрешения сенсоров до 200–300 Мп и внедрением технологий искусственного интеллекта для улучшения демозаики и шумоподавления. В 2024 году компания Samsung анонсировала сенсор ISOCELL HP2 (200 Мп, Nonacell), а Sony — IMX903 (48 Мп, Tetra²) для флагманских смартфонов. Ожидается, что в ближайшие годы технология Quad Bayer станет основой для камер смартфонов, а также найдёт применение в системах машинного зрения и видеонаблюдения.

Источники

1. Sony Semiconductor Solutions. «IMX586: 48 Megapixel CMOS Image Sensor». Техническая документация, 2018.
2. Samsung Electronics. «ISOCELL GN1: 50 Megapixel Image Sensor». White paper, 2020.
3. Брайс Байер. «Color imaging array». Патент США № 3971065, 1976.
4. Обзор технологии Quad Bayer на сайте DXOMARK (2020).
5. Статья «Что такое Quad Bayer и как он работает» в журнале «Мобильная фотография» (2022).