随着CIS技术不断迭代更新，2023 年全球CIS市场规模达218亿美元，其中，智能手机CIS市场规模超140亿美元。面对如此巨大的智能手机市场，CIS厂商都研发了哪些核心技术，以引领智能手机视觉变革，实现高速抓拍、夜晚高清拍照、逆光拍照等拍照功能？CIS又在智能手机人脸识别功能中发挥了怎样的作用。

一、高速抓拍——全局快门技术

华为发布的Pura 70系列手机一经上市便吸引了众多手机摄影爱好者，特别是其“超高速风驰闪拍”功能，能够清晰地抓拍高速物体，且不会出现拖影、形变等问题。这是如何做到的呢？答案是全局快门技术。

快门是相机用来控制图像传感器曝光时间的机构，可以分成卷帘快门与全局快门。卷帘快门是通过图像传感器以逐行曝光的方式来进行感光（如下图左侧），全局快门则是使图像传感器上整个像素面阵同时开始曝光、同时结束曝光（如下图右侧）。

如下图所示，采用卷帘快门时，当曝光不足或物体移动较快时，若逐行扫描速度不够快，便会出现部分曝光、倾斜图形、晃动等现象，从而影响成像。

而全局快门能够准确地捕捉物体在同一时间点的状态，避免了因逐行或逐列曝光而产生的图像扭曲或变形。因此，使用全局快门CIS的手机通常可以很好地对高速移动的物体进行成像。然而，全局快门CIS更昂贵，因此并不是当前大多数智能手机的首选，而是广泛地应用到工业领域，例如药品检测、汽车电子等，其生产线可以移动得更快，运行效率更高。[1]

二、夜晚高清拍照——背照式技术

当前大多数手机在夜景等昏暗的场所中，也能够拍摄到流畅、高画质的影像，这是因为这些手机搭载了背照式CIS。相比起正照式CIS，搭载背照式CIS的摄像头能够在弱光环境下，提高约30%—50%的感光能力，能够在弱光下拍摄更高质量的照片。在正照式CIS的结构中，配线层（也叫金属互联层）在感光区域（光电二极管）以上，挡住了部分入射光，从而影响画质。而背照式CIS架构，使配线层在光电二极管以下。具体工艺流程是，首先在晶圆的一侧制作所有电路部分，然后将晶圆翻转倒置，以便创建可以在背面收集光线的光学结构。这样的结构能避免配线层对入射光子的反射和吸收，增大单位像素的进光量，从而提高画质。

三、逆光也清晰——HDR技术

你是否听过这句广告词：“逆光也清晰，照亮你的美”？逆光拍照不清晰的问题是怎样被解决的呢？人眼可见的亮度所跨的范围（即动态范围）非常广，而图像传感器可拍摄的动态范围很小，因此，不能将人眼能看到的范围完全拍摄下来。拍摄明亮的被摄体，暗部会发黑模糊，拍摄昏暗的被摄体，亮部会过度曝光。拍摄逆光等明暗差显著的场景时，拍摄效果与肉眼所见相差很大的原因就在于此。

用于捕捉这种明暗差显著场景的功能就是HDR（High Dynamic Range）。实现HDR功能的技术有很多种，智能手机基本采用时域HDR或行交织HDR。时域HDR是最普通的实现HDR的方法。

具体来说，如下图，HDR拍摄首先会改变快门时间，拍摄不同亮度的图像信号的图像。接着，在图像传感器上将拍摄的多张图像合成为一个数据，从而创建具备广域动态范围的信号。[4]时域HDR的优点是对CIS要求不高，所有CIS都可以实现时域HDR；缺点是每帧间隔过长，若被摄物体移动较大，则会产生叠影。

为了缓解叠影的问题，行交织HDR出现了。其运作方式基于卷帘快门，每一行像素都是先进行长曝光，而后进行短曝光。每一行不同曝光时间的数据交错读取，因此节省了等待时间，避免因物体移动产生的叠影。因此，可实现等同于肉眼所见的图像，实现“逆光也清晰”。

四、3D人脸识别——结构光&ToF

人脸识别技术已广泛用在登录APP、支付等场景，但2D人脸识别可能会被照片、视频或者面具等欺骗，3D人脸识别技术便应运而生。市场上主流的3D人脸识别技术包括结构光和ToF（光飞行时间测量）等。

自iPhone X起，苹果手机的前置摄像头便开始应用结构光。结构光在近距离下的精度更高，这就让它很适合被用于人脸识别，其安全程度让苹果甚至取消了指纹识别，将其作为唯一的生物识别方式。但更多的元器件也占用了更多的空间，成本也更高。

结构光的原理是通过向物体投射光线，然后根据光线在物体表面的反射和变形来测量物体的形状。采用结构光前置摄像头的手机在屏幕上方有一个原深感摄像头系统，它包括了红外镜头、泛光照明灯、泛光感应元件和点阵投影器等组件。

当你对着手机时，点阵投影器会向你的脸上发射出由3万多个肉眼不可见的光点组成的点阵。因为脸部是凹凸不平的，所以点阵的形状会发生变化。红外镜头会读取这些变化后的点阵图案，并和前置摄像头拍摄到的人脸图像通过算法相结合，就能生成一个带有深度信息的人脸模型。这个模型会被转换成一个数学表示形式，并和你之前注册时储存在手机中的数据进行对比，如果匹配成功，就能解锁手机。

[5]结构光成像示意图（图片来源于网络)ToF的优势是模组简单，“占地面积”小，代价是精度不如结构光。其原理是给目标发射连续的光脉冲（即光源按着一定时间间隔时断时续的发光），经过目标反射，通过传感器接收回来的光，记录飞行的时间，计算出到目标的距离。ToF原理示意图（图片来源：索尼半导体官网）ToF技术又分为iToF（间接飞行时间测量）和dToF（直接飞行时间测量）。不少安卓手机的前置摄像头都是基于iToF技术，例如华为Mate 60 Pro、LG手机等。其原理是利用i-ToF CIS进行相位测距，iToF发射的是调制过的光，通常使用连续波或脉冲调制信号。接收到的反射调制光和发射的调制光之间存在一个相位差，通过检测该相位差就能测量出飞行时间，从而估计出距离。iToF方案精度易受测量环境的影响，无法使用在较远的距离上。由于dToF适用于对测距精度要求高的较远距离测距场景，一般被应用在手机后置摄像头上，例如华为的Nova系列、三星手机等，通过测量景深，以实现背景虚化效果。dToF的原理是，直接发射一个光脉冲，之后测量反射光脉冲和发射光脉冲之间的时间间隔，就可以得到光的飞行时间。与iToF相比，dToF采用SPAD传感器阵列进行时间测距，具备低功耗、抗干扰等优势，测量精度在工作范围内相对稳定。