что больше пиксель или мегапиксель
Почему в камерах смартфонов много пикселей: польза или маркетинг
Содержание
Содержание
В век цифровых технологий все компании в мобильной индустрии придерживаются девиза 3 Б «больше, быстрее, безрамочнее». Процессоры становятся более производительными и энергоэффективными, уже выходя за рамки гаджетов. Площадь экрана все увеличивается и увеличивается, покрывая всю лицевую часть и стремится к заветным 100 %, а в случае Xiaomi Mi Mix Alpha выходит за рамки фронтальной части смартфона, переходя на корпус.
Вот и мегапикселей в камерах все больше и больше, как, впрочем, и самих модулей. Есть ли польза от такого количества пикселей или же это всего лишь маркетинг? На данный момент уже есть модули на 48 Мп, 64 Мп, 108 Мп и даже готовится на 150 Мп от Samsung. Но такие значения характерны для бюджетных и среднеценовых смартфонов. В премиальном сегменте больше 48 МП у камер вы не встретите. Исключениями являются Huawei P 40 Pro с 50 МП и Samsung S 20 Ultra с 108 МП, что наводит на мысль: а почему во флагманах нет таких «крутых» фотомодулей?
Общие понятия о характеристиках камер
Разрешение камеры
Разрешение камеры измеряется в пикселях (точках). Чем больше мегапикселей, тем больше деталей будет на фотографии, это хорошо проявляется при увеличении фото — четкость и детализация будут возрастать. При увеличении Мп в сенсоре должна либо возрастать площадь матрицы, либо должно быть сокращения размера пикселя.
Размер объектива
Чем больше размер объектива, тем больше света он может физически пропустить через себя. Не стоит забывать про качество исполнения линз, если их прозрачность далека от идеала и элементы недостаточно подогнаны, хороших фотографий можно не ждать.
Зум — способность фотокамеры увеличивать изображение во время съемки с предварительной фокусировкой. Существует два вида зума: цифровой (софтверный) и оптический.
Стабилизация изображения
Так же как и зум, стабилизация бывает цифровой и оптической. Цифровая стабилизация считается программной, а вот оптическая приводится в действие с помощью маленьких гироскопов, которые физически перемещают объектив камеры во избежание каких-либо движений, это и обеспечивает снимок высокой четкости.
Матрица
Матрица — это ряд светочувствительных фотодиодов с нанесенным на них тончайшим фильтром. Размер матрицы напрямую влияет на количество пропускаемого света, это ведь важно для качества изображения, опять же чем больше света способна пропустить матрица, тем качественней будет конечная фотография.
Диафрагма
Говоря по-простому, диафрагма — это «отверстие в объективе», которое пропускает свет в матрицу. Диафрагма регулирует световой поток, что дает возможность изменять глубину резкости. Чем ниже данный показатель, тем лучше детализация фотографии в темноте и выше скорость съемки.
Иногда производители камер для смартфонов интегрируют переменную диафрагму, например, Samsung S9 и S9+. Это должно было хорошо сказаться на фотографиях, но оказалось — при маленькой матрице переменная диафрагма попросту лишняя и маркетинговая уловка.
Дополнительные модули
Существует несколько видов: широкоформатный (ширик), телеобъектив (телевик), черно-белый, цветной и с эффектом боке.
Программное обеспечение
Софтверная часть занимает львиную долю работы с фото, поскольку уже не единожды смартфоны Google Pixel с одним 12 МП модулем доказали, что качественную картинку можно получить с помощью анализа и подбора оптимальных настроек. Именно ПО позволяет максимально раскрыть потенциал камеры.
Bayer
На сегодняшний день известно несколько основных структурированных технологий размещения светофильтров пикселей в камере: Bayer, Quad Bayer, TetraCell и NanoCell.
NonaCell в камерах от Samsung не путать с Nanocell от LG в телевизорах.
Bayer — это двумерный массив цветофильтров, покрытых фотодиодами матрицы. В классическом фильтре Байера применяются светофильтры трех основных цветов RGB. Как видно на первом рисунке, количество зеленого цвета больше, чем у красного и синего цветов. Также разрабатывались другие светофильтры, но данный фильтр Bayer широко распространен.
Принцип работы светофильтра Bayer
Quad Bayer/Tetracell
Quad Bayer — это структура размещения светофильтров пикселей в модуле камеры и разбивание пикселя на группы по четыре субпикселя. То есть соседние субпиксели в квадрате 2х2 накрываются общим светофильтром RGB, а точнее — GR-GB.
Принцип работы Quad Bayer
Quad Bayer/TetraCell — удешевляет процесс производства модулей камер для смартфонов благодаря «разбивке» пикселей и их группировке под одним большим покрытием, что ведет к увеличению разрешения. Если бы производитель хотел «честные» 48 мегапикселей, то ему бы пришлось утончать тех процесс, а тут всего лишь используется тоже самое покрытие в 12 мегапиксельной версии.
Quad Bayer это термин активно используемый в камерах Sony, TetraCell тоже самое только от Samsung.
Но все таки имеются и плюсы данных технологий:
Это работает только при хорошей оптимизации и, зачастую, во флагманских устройствах.
Nonacell
Отдельного упоминания стоит NonaCell от компании Samsung. Этот тот же Bayer, только с формированием группы субпикселей 3х3. Данная структура будет применяться в 150 МП модулях камер, но пока неизвестно, будут ли улучшения по сравнению с предшественником.
Сравнение Tetracell и Nonacell
На этой картинке виден изначальный размер субпикселя 0,8µm, на Tetracell 2х2-1,6µm и Nonacell 3х3-2,4µm. Так же идет «искусственное» увеличение пикселей, не ведущее к заметному повышению качества изображения.
NonaCell — это усовершенствованная версия Tetracell, формирующая группы 3х3 субпикселя.
Специфика камер со структурой Quad Bayer/Tetracell/Nonacell делает их интересным решением на рынке сенсоров. Как говорилось выше, данные структуры хорошо себя показывают при достаточной освещенности, в темное время суток, также при однокадровом HDR, который позволяет уменьшить время съемки. Но все это работает только при условии качественного ПО, что доказывают 12 МП модули флагманов «яблочка» и «корпорации добра».
Так уж повелось маркетологи приучили нас мерить качество фотографий мегапикселями и это выливается в хорошую картину: 48 МП = 12 МП, 64 МП= 16 МП, 108 = 27 МП, а 150 МП = 16,6 МП.
Что такое пиксель, мегапиксель и сколько их нужно для хорошего фото?
С появлением и широким распространением цифровой техники у каждого появилась возможность расширить свои творческие аппетиты. Теперь процесс создания фотографий не так трудоемок, как в эпоху пленки. А сравнительно доступные, или как их еще называют, бюджетные модели цифровых фотоаппаратов позволяют даже начинающим фотохудожникам создавать вполне приличные работы.
Термин пиксель широкую популярность получил вместе с популярностью цифры. Сам термин образован как сокращение слов picture element («элемент изображения»). Речь идет о точках, что образуют картинку, которую мы видим на компьютерном дисплее или экране телевизора. Один кадр, сделанный цифрой, может состоять из нескольких миллионов таких точек.
Любой пиксель состоит из пяти элементов информации. Два отвечают за его координаты: положение по вертикали и положение по горизонтали. А еще три определяют цвет: яркость красного, яркость синего и яркость зеленого цвета. Совместно все эти элементы информации позволяют считывающему устройству определить правильный цвет точки и поместить ее в правильном месте на экране. Все пиксели, заполняющие экран, вместе образуют один кадр.
Но еще чаще употребляется термин мегапиксель. Это величина в один миллион пикселей, из которых создается изображение. Обычно в мегапикселях измеряют размер фотографии или отсканированного снимка. Но при выборе фотоаппарата в мегапикселях отображается одна из его существенных характеристик — разрешение матрицы.
В магазине меня убеждали, что чем больше этот показатель, тем будет лучше. Но в действительности оказалось, что количество мегапикселей — отнюдь не самый главный показатель качества аппарата.
Важное значение имеет физический размер матрицы — чем она больше, тем качественнее получится снимок. Даже при одинаковом количестве пикселей качество фотографий с разных фотокамер может оказаться разным. Размер пиксельных ячеек приобретает первостепенное значение по сравнению с их количеством. Чем меньше размер пикселя, тем выше уровень шума изображения. 
Фото: Depositphotos
Если на матрице с диагональю ½, 5 дюйма реализовать 8 и больше мегапикселей, это обернется постоянным присутствием шума даже при низких значениях светочувствительности. В компактных камерах и большинстве зеркалок нежелательные эффекты сглаживает встроенная программа шумоподавления, но ее вмешательство приводит к замыленности снимка.
Конечно, от количества мегапикселей зависит размер и качество изображения. Но задумывались ли вы о том, почему большинство фотобанков устанавливает минимальную границу по этому параметру в районе от одного до четырех мегапикселей? Дело в том, что даже двух мегапикселей вполне достаточно, чтобы напечатать хороший снимок формата 10×15, а 4 мегапикселя хватит, чтобы создать качественное фото 20×30.
Кроме того, размер пиксельных ячеек совместно с качеством фотодиодов влияют на такой показатель как динамический диапазон — это способность светочувствительных ячеек матрицы воспроизводить детали объекта в определенном диапазоне ступеней экспозиции. Проще говоря, от этой характеристики зависит, насколько точно может камера передавать оттенки.
Но даже если в фотоаппарате установлена матрица с высоким разрешением, испортить картину в прямом смысле этого слова может дешевая оптика. Свойства объектива зачастую не соответствуют возможностям начинки, поэтому компактные цифровики не подходят для серьезной съемки. Почти 90 процентов любительских цифровиков имеют матрицы, на которых расположены от 5 до 12 млн. пикселей. У зеркалок разрешение от 8 до 21 млн. пикселей, зато размеры сенсоров куда больше. 
Фото: Depositphotos
Значения интенсивности пикселя различаются по геометрической и цветовой точности, динамическому диапазону, наличию шумов. На эти характеристики влияет число фотодетекторов, использованных для его определения, качество линзы, комбинации сенсоров, размеры фотодиодов, предустановленные программы обработки изображений, формат, в котором сохраняется изображение 
Фото: Depositphotos
Впрочем, если вы не собираетесь устраивать фотовыставку и заниматься фотохудожеством вплотную, вполне можно найти адекватную модель для конкретных задач. А для оперативной съемки, размещения фото и отправки через интернет вполне можно выбрать фотоаппарат оптимальных возможностей — компактный цифровик среднего уровня. Специалисты рекомендуют обращать внимание на 5−8-мегапиксельные модели, выбирать для творческих работ непрофессиональных фотографов золотую середину — такого разрешения вполне достаточно, чтобы получить четкую и красочную картинку.
Про разрешение, пиксели и мегапиксели
Разрешение
Попробуем объяснить простым и доступным языком. Например, что подразумевает производитель, когда указывает в документации к камере для видеонаблюдения разрешение 2688×1512 пикселей? Этими цифрами обозначено количество точек, из которых формируется изображение, в строках. То есть, 2688 пикселей (точек) в горизонтальной строке и 1512 точек в вертикальной. Для того, чтобы понять сколько это будет в мегапикселях, эти числа нужно перемножить: получим 4064256 (если быть точными), иначе говоря, это 4 Мп.
Для того, чтобы определить, какое же разрешение оптимально для решения отдельно взятой задачи, можно использовать простую формулу:
В результате получаем, что для того, чтобы разглядеть в деталях одномиллиметровый участок при таких условиях, необходима камера с разрешением в 4 Мп.
Другой вариант: нам нужно получить четкое изображение номеров, въезжающих на парковку автомобилей. Используем вышеописанную формулу и подставляем значения:
Получаем два мегапикселя.
Вся информация, размещенная на сайте, носит информационный характер и не является публичной офертой, определяемой положениями Статьи 437 (2) ГК РФ. Производитель оставляет за собой право изменять характеристики товара, его внешний вид и комплектность без предварительного уведомления продавца.
Вся правда о мегапикселях. Сколько их должно быть в камере смартфона
С тех пор, как камера в смартфонах стала важнее функции звонков, производители предлагают пользователям все больше мегапикселей. Давайте разбираться, так ли уж важны мегапиксели для качества фото. Нужно ли камере смартфона 48, 64 или даже 108 мегапикселей? И если да, то почему в камерах iPhone всего 12 МП, а фото получше конкурентов?
“Мегапиксельные войны”, одно время казалось, что угасли. Но вот Xiaomi выпускает смартфон с камерой 64 Мп. А другие производители обещают “дикие” 108 Мп в камерах смартфонов 2020 года.
Что такое мегапиксели?
Термин “мегапиксели” относится к разрешению или деталям изображения, снятого камерой. Это количество отдельных пикселей, из которых состоит фото. Мега – это префикс, который означает “миллион”. Таким образом, матрица камеры с разрешением 24 Мп, состоит из 24 миллионов пикселей. Поразительное число!
Пиксель – это очень маленькая точка, содержащая визуальные данные. Многие из этих пикселей, размещенных в непосредственной близости друг от друга, составляют конечное изображение. Чем больше пикселей у вас есть, тем более детальным будет ваше изображение. Поэтому, в теории, фотографии камеры с разрешением в 20 мегапикселей могут выглядеть лучше, чем с камеры в 12 мегапикселей.
Значит, чем больше мегапикселей, тем лучше качество изображения?
Нет. По крайней мере, не полностью. Есть и другие характеристики камеры смартфона, которые непосредственно влияют на качество изображения. Например тип сенсора, размер пикселя и апертура.
Гонка за мегапикселями, кстати, началась не в смартфонах. Моду на них задали цифровые фотоаппараты. Потребители зацикливались на идее, что большее количество мегапикселей означает лучшее качество снимков. И с фотоаппаратами это работало. Ведь они не всегда гнались за миниатюризацией. А значит, большее количество мегапикселей не означало уменьшение размера отдельного пикселя.
Большой сенсор камеры цифрового фотоаппарата, как правило, означает большее разрешение (количество тех самых мегапикселей). Все потому, что вы можете поместить больше пикселей. Большие сенсоры фотоаппаратов также лучше работают в условиях низкой освещенности с меньшим количеством цифрового шума.
Подобно тому, как большое ведро может улавливать больше воды под дождем, большие пиксели способны улавливать больше света. Чем больше света может улавливать датчик с большими пикселями, тем лучше камера работает в условиях низкой освещенности.
Почему в камерах смартфонов большее количество мегапикселей не значит лучшее качество?
Если вы заметили, в смартфонах растет количество мегапикселей, а вот сами камеры остаются примерно тех же размеров. Вот и получается, что производители, чтобы вместить больше мегапикселей на той же площади, уменьшают размер пикселя! Таким образом, вместо 12 миллионов больших пикселей (12 Мп) на матрице размером 1/2,55 дюйма, вы получите 20 миллионов (20 Мп) маленьких пикселей на матрице того же размера.
И 12-мегапиксельная камера, в итоге, может делать снимки лучше, чем 20-мегапиксельная камера. Ведь ее большие пиксели ловят больше света!
Роб Лейтон (Rob Layton), преподающий мобильную журналистику и профессиональную фотосъемку на мобильные в Университете Бонда на Золотом Побережье (Bond University on the Gold Coast, Австралия) в этой теме разбирается! “На самом деле, когда речь заходит о соотношении между количеством мегапикселей смартфона и качеством изображения, это вопрос качества, а не количества”, – сказал профессор.
“Старый маркетинг подпитывает миф о том, что чем больше мегапикселей в камере смартфона, тем лучше качество изображения. Но это не всегда так… Размеры сенсора, обработка изображения, вычисления в нейронных сетях и машинное обучение, – все это гораздо более критично для современных фото,” – говорит мистер Лейтон. – “Сенсоры, которые больше, будут давать изображения лучшего качества, чем камеры с большим количеством пикселей, меньшего размера и не способных поглощать столько света”.
Так сколько же мегапикселей достаточно для смартфона?
Это похоже на вопрос, сколько кирпичей достаточно, чтобы построить дом. Это зависит от размера дома, размера кирпича и дизайна дома, который вы строите.
То же самое касается и мегапикселей в камерах смартфонов. Все зависит от размера сенсора (дома), размера пикселей (кирпичей) и того, что производитель хочет для камеры (дизайн).
Например, если компания, производящая смартфоны, решит, что хотела бы, чтобы камера больше фокусировалась на светочувствительности, чем на изображениях сверхвысокого разрешения, то на их сенсоре будет меньше пикселей. При этом сами пиксели будут большего размера.
Другими словами, если сравнивать два смартфона с камерами одинаковой площади, то телефон с 12-мегапиксельной камерой мог бы иметь лучшую светочувствительность. И, следовательно, более яркие фотографии с меньшим шумом, чем у камеры с 20-мегапиксельной камерой. В то же время, 20-мегапиксельная камера будет иметь более детальную картинку, хотя, возможно, несколько более шумную.
Количество мегапикселей, которое можно считать достаточным, в действительности зависит от вас и от того, что вы хотите сделать со своими фотографиями. Хотите очень высокую детальность при увеличении, чтобы распечатать плакат, гонитесь за мегапикселями. Но не забывайте, что вы будете зависеть от условий съемки, освещенности и т.п.. А если вам нужна камера, которая отлично снимает и в сумерках, и днем, и ночью – смотрите на камеры около 12Мп, как на айфонах.
Если честно, смартфонам не нужно иметь 40 и более мегапикселей. Даже 20 Мп – это много.
Зачем смартфонам дополнительные камеры и сколько у них должно быть мегапикселей?
Возьмем, к примеру, Huawei P30 Pro. Существует огромная разница в мегапикселях между тремя задними камерами. Основная камера может похвастаться разрешением 40 мегапикселей, в то время как ультраширокороткоугольная камера имеет только 20 мегапикселей. У третьей камеры всего 8 мегапикселей. Все дело в том, что дополнительные камеры решают другие проблемы. Их важная характеристика – не разрешение, а апертура, объектив и т.п.
Что лучше – камера смартфона или цифровой фотокамеры?
Обычная цифровая камера с разрешением 24 Мп будет снимать фотографии лучшего качества, чем любой смартфон с таким же разрешением. Почему? В основном из-за заметно большего сенсора камеры. Просто положите рядом фотоаппарат и смартфон и сравните диаметр объективов!
Типичный полнокадровый сенсор DSLR имеет размер 36 мм х 24 мм. В то время как у среднего сенсора смартфона размеры около 5,5 мм х 4 мм в зависимости от производителя. Это означает, что полнокадровый сенсор цифровой камеры имеет площадь, которая примерно в 40 раз больше, чем у датчика смартфона.
Как уже упоминалось ранее, более крупные пиксели улавливают больше света. И поэтому могут давать лучшие результаты, чем маленькие пиксели.
Так неужели мегапиксели не имеют значение?
Количество мегапикселей в вашем смартфоне имеет значение. Однако мегапиксели – это не единственная характеристика камеры. Помните, что такие вещи, как размер сенсора и размер пикселей не менее важны. А еще компании придумали технологию, когда 48-мегапиксельная камера ведет себя как 12-мегапиксельная. Прочитайте ниже, для примера, как Sony создала один из самых популярных сенсоров для смартфонов IMX586 с разрешением 48 Мп.
48 Мп камера в смартфоне – победа количества над качеством
Наиболее часто используемым в смартфонах 48-мегапиксельным сенсором на сегодняшний день является Sony IMX586, представленный в июле 2018 года. Компания Sony признает наличие проблем.
“Как правило, миниатюризация пикселей приводит к низкой эффективности сбора света на пиксель, что сопровождается падением чувствительности и объема сигнала насыщения”, – говорят в японской компании.
Далее компания объясняет, как она справляется с этими присущими мобильным камерам проблемами. 8-миллиметровый сенсор содержит пиксели размером всего 0,8 микрона, но в условиях низкой освещенности четыре окружающих пикселя добавляются для создания пикселя размером 1,6 микрона, который получает, в итоге, больше света. В результате получается яркий 12-мегапиксельный снимок без шума. Специальная технология обработки сигнала внутри датчика увеличивает динамический диапазон для 48-мегапиксельных снимков в течение дня.
Учи матчасть. Выбираем смартфон по камере
В серии материалов мы подробно разбираем техническую сторону смартфонов. Мы уже писали про процессоры и дисплеи. Сегодня речь пойдет о камерах. Ведь смартфоны уже давно являются той самой «лучшей камерой», которая всегда с собой. Камера смартфона уже давно стала основной причиной для обновления. Мы поговорим о технических характеристиках камер и развеем конфузы вокруг светосилы, диагонали сенсора и автофокусировки, а еще расскажем, что такое HDR, OIS и DPAF.
Гонка мегапикселей продолжается
Компактные камеры PowerShot, Cybershot, Coolpix и прочие мыльницы остались в прошлом-позапрошлом десятилетии. Но это не значит, что старые уловки маркетологов не работают. Работают еще лучше, чем раньше. И камеры телефонов перевалили за 100 мегапикселей.
Пиксели — маленькие квадратные точки, из которых состоит любое цифровое изображение. Это его строительные блоки. Они располагаются в строках и столбцах, как на шахматной доске, только в сильно уменьшенном формате. Если камера снимает в разрешении 12 мегапикселей, это значит, что конечное изображение будет построено из 12 млн пикселей, или же разрешение картинки составит 12 мегапикселей. Например, соотношение сторон 4:3 позволяет уместить те самые 12 млн пикселей в табличке 4000 на 3000. Более высокое разрешение означает более четкую картинку. Ну, или что-то вроде этого.
Мы любим большие цифры, но еще больше их любят маркетологи. Еще в эпоху компактных цифровых камер мегапиксельные гонки сводили с ума подкованную часть аудитории. Не стоит вестись на большое разрешение камеры в мегапикселях: оно не гарантирует лучшего качества снимков. Роль также играет очень много других факторов. О них ниже.
Размер сенсора
Высокое качество изображения по результатам многих исследований — одна из основных причин, по которым фотография считается хорошей и нравится другим людям. Физический размер сенсора вносит в качество картинки основной вклад. Сегодняшний цифровой сенсор — по сути, вчерашняя пленка, но не требующая замены и проявки. Когда телефон делает снимок, свет проходит через объектив и попадает на светочувствительную матрицу. Смартфон захватывает этот световой сигнал и превращает его в изображение.
Чем больше размер сенсора, тем больше света на него попадает. Чем больше света на него попадает, тем лучше качество изображения.
Размер сенсора указывает на его физические габариты, но в цифрах габаритов сенсора легко запутаться. Традиционно производители указывают размер сенсора в долях дюйма, что обозначается знаком ″ в конце дроби. Какое-то время стандартом был сенсор 1/3″. Не влезая в детали, чем ближе дробь к полному дюйму (1″), тем больше сенсор.
Например, Samsung и Xiaomi уже пробуют использовать гораздо бо́льшие (соответственно, 1/1.33″) сенсоры в своих флагманах, близок к ним и Huawei P40 Pro с 1/1.54″. В iPhone 11 Pro используется меньший сенсор — 1/2.55″.
Чем больше размер сенсора, тем труднее уместить его в компактный корпус телефона вместе с оптикой. Современные телефоны уже близки к этому пределу.
По площади сенсора смартфоны даже в лучших случаях в десятки раз уступают зеркальным полноформатным камерам.
Размер пикселей сенсора
Этот параметр упоминается не очень часто, но также является важным в определении того, хороша или плоха мобильная камера.
Размер пикселя соотносится с физическим размером каждого отдельного пикселя на матрице. Их измеряют в микрометрах, или микронах, используя греческие буквы µm или просто µ. 1 миллиметр равен 1000 микрометрам. Чем больше пикселей умещает производитель в сенсор, тем меньше они будут. Это на самом деле не очень хорошо, потому что тут начинают играть квантовые эффекты и пиксели становятся более подверженными цифровому шуму, особенно при слабом освещении.
Более крупные пиксели, в свою очередь, могут собирать больше ценной световой информации и, таким образом, демонстрировать более качественную картинку при слабом освещении.
Сенсор с размером пикселя 1,7 микрометра будет значительно лучше при слабом свете, чем маленький пиксель размером 1,0 микрометра. Другими словами, сенсор 1/2.5″ с 12 мегапикселями на борту имеет более крупные пиксели, чем такой же сенсор, в который втиснули 20 мегапикселей. Это значит, что 12-мегапиксельный сенсор, скорее всего, обставит 20-мегапиксельный по качеству при слабом освещении. Однако 20-мегапиксельный сенсор даст больше разрешения при хорошем освещении.
Размер пикселя — это характеристика светочувствительной матрицы. Производители используют различные модели сенсоров в разных телефонах. Технологии производства полупроводниковых сенсоров постоянно улучшаются такими производителями, как Sony, OmniVision, Samsung и другие. Поэтому смартфоны каждого нового поколения при, казалось бы, прочих равных будут снимать лучше только благодаря новым матрицам.
Во флагманских моделях смартфонов можно найти самые современные сенсоры последних поколений c размером пикселей от 1,4 до 2,44 микрометра. На простых смартфонах размер пикселей может быть маленьким, около 0,8 микрона.
Хотя смартфоны с камерами на 64 мегапикселя и больше тоже неизбежно получают пиксели в 0,8 микрона. Но тут есть уловка: биннинг пикселей 4:1, объединяющий квадратик 2×2 из четырех 0,8-микронных пикселей в один большой 1,6-миллиметровый пиксель. В случае флагмана Samsung S20 Ultra биннинг на его 108-мегапиксельной матрице идет уже в соотношении 9:1 (квадрат 3×3), и мы получаем «суперпиксель» размером 2,4 микрона. Но даже эти пиксели меркнут перед размером пикселя полноформатной зеркальной камеры: там он составляет 8,4 микрона и может быть даже больше. Именно поэтому тепловые эффекты любой электроники будут еще более заметны на маленьких пикселях при попытке усилить сигнал, тогда как на больших пикселях вклад шумов в соотношение будет невелик.
Объектив и его фокусное расстояние
Световое излучение и весь видимый свет распространяются прямолинейно. Когда свет проходит через линзу, лучи в какой-то момент сходятся в одной точке. В обычных камерах расстояние от точки схождения лучей до сенсора называется фокусным расстоянием и изменяется в миллиметрах.
Разные объективы отличаются числом линз, оптической схемой и обладают разными фокусными расстояниями. Фокусное расстояние в Samsung Galaxy S10, например, составляет 26 миллиметров в эквиваленте, что типично для широкоугольной оптики. Она имеет широкий угол обзор, а значит, в одной фотографии камера захватит больше пространства.
Бо́льшие фокусные расстояния означают уменьшенный угол обзора и большее увеличение — это характерно для так называемых телеобъективов. В Samsung Galaxy S10, к примеру, фокусное расстояние телеобъектива в два раза больше широкоугольного модуля и составляет 52 миллиметра в эквиваленте. Это значит, что Samsung S10 обладает 2-кратным оптическим зумом.
Ультраширокоугольные объективы отличаются еще бо́льшим углом обзора и еще меньшим фокусным расстоянием. Например, в случае ультраширокоугольной камеры Samsung S10 оно составит всего 12 миллиметров в эквиваленте.
Не все смартфоны выпускаются с тремя камерами с разной оптикой. Большинство из них имеют одну, максимум две камеры.
Фокусное расстояние и углы обзора камер отличаются у разных моделей смартфонов и производителей.
Обратите внимание, что фокусное расстояние камеры смартфона (например, 26 миллиметров) не является физическим расстоянием от точки схождения лучей до матрицы камеры смартфона. Смартфоны слишком маленькие для таких расстояний (иначе они не поместились бы даже в нашей руке), и это всего лишь визуальный эквивалент популярных 35-миллиметровых камер пленочной эпохи.
Объектив и его зум
Обычно во флагманском смартфоне сейчас три камеры: телефотообъектив, широкоугольная и ультраширокоугольная линза. Все эти объективы отличаются фокусным расстоянием и углом обзора. Когда вы зумируете на телефоне, он автоматически переключается между линзами, которые дадут нужную картинку. Ведь реализовывать на практике один объектив с зумом было бы глупо: он был бы темнее, не выдержал бы и единого падения, требовал бы скрупулезного ремонта.
Если вы захотите «отзумить» с основной камеры, телефон переключится на ультраширокоугольную. Если захотите «зазумить», телефон автоматически переключится на телеобъектив. Насколько сильно вы можете увеличить картинку, определяется телеобъективом камеры.
Оптический зум сохраняет качество картинки. Цифровой зум в последние годы стал сильно лучше, но все равно это не реальность, а цифровая симуляция оптического зума. В худшем случае детали будут просто размазаны, в лучшем — дорисованы алгоритмами. Камера просто обрежет картинку и затем растянет ее до размера изначального кадра.
Цифровой зум, по сути, единственная причина, по которой производители запаковывают в свои телефоны столько много мегапикселей. Он дает нам иллюзию увеличения.
Производитель и указание знаменитых брендов, таких как Zeiss и Leica, по сути, не говорит ни о чем, кроме кооперации брендов на уровне маркетинга и идей.
Объективы смартфонов могут производиться из пластика китайских вендоров и по чертежам немцев, а основной упор в коллаборации и вовсе может быть сделан на алгоритмы обработки сигнала и получение фирменных цвета и текстуры изображений модных камер.
Объектив и его светосила
Как правило, светосила — это изменяемая характеристика объектива. Она касается диафрагмы — круглого отверстия, которое может меняться в диаметре и тем самым уменьшать/увеличивать световой поток, который проходит к сенсору. Чем шире диафрагма, тем больше света попадет на сенсор, чем у́же, тем, соответственно, меньше света доходит до сенсора.
Степень открытости диафрагмы (опустим математические выкладки) измеряется в F-стопах. Низкий F-стоп (например, f/2) означает более открытую диафрагму. Чем больше цифра в F-стопе (например, f/8), тем у́же отверстие и тем меньше света проходит через объектив к сенсору.
В начале мы написали «как правило». Ведь в смартфонах, в отличие от обычных камер, диафрагма обычно фиксирована, и светосила отличается от телефона к телефону. Некоторые телефоны получают камеры со светосилой f/1.7, некоторые получают f/2.2 или даже f/1.4.
Причина, по которой смартфоны получают светосильные объективы, проста: критически важно, чтобы на микроскопическую оптику камеры и светочувствительный сенсор попадало как можно больше света. Это же позволяет ему лучше «видеть» в неблагоприятных условиях съемки.
Однако некоторые смартфоны получают фотомодели со сменной диафрагмой: например, Samsung S10 умеет снимать как при f/1.5, так и при f/2.4. При некоторых условиях (избыток освещения) закрытая диафрагма может уменьшать виньетирование по краям кадра, а также увеличивать резкость изображения. Можете проверить этот эффект сами, просто посмотрев через отверстие в ремешке своих часов.
Объектив как на подводной лодке — с перископом
Последние смартфоны Samsung и Huawei получили модули с большим оптическим зумом.
Этого удалось добиться только благодаря конструкции перископа, как в подводной лодке. Самая длинная часть оптической схемы таких камер лежит перпендикулярно внешней линзе внутри корпуса смартфона, потому что в прямую линию она бы просто не уместилась в худеньком корпусе современного телефона. Лучи на 90 градусов поворачивает или призма, или зеркало. Именно перископ позволил Samsung S20 и Huawei P30 Pro добиться оптического зума.
Автофокус
Автофокус описывает способность камеры смартфона добиться резкого изображения на любых расстояниях до объекта съемки.
Автофокусировка по контрасту (CDAF)
Это наиболее популярный тип фокусировки, и он используется в большинстве камер смартфонов — настолько часто, что его просто указывают как «автофокус». Но это не самая совершенная технология.
C автофокусом по контрасту камера смартфона перемещает объектив вперед-назад, пока не найдет точку, в которой изображение отличается наивысшей контрастностью.
То есть то положение, когда границы между объектами в кадре наиболее резкие, и будет самым контрастным изображением. И хотя этот метод дает отличные результаты по точности, он может быть медленным и с трудом наводиться на резкость при слабом освещении или на однородных объектах.
Видели, когда резкость картинки на телефоне «рыскала» туда-сюда и отказывалась давать резкую картинку? Это наш друг автофокус по контрасту не смог справиться со сценой.
Лазерный автофокус
Это не такая популярная технология фокусировки, но она все чаще используется в современных смартфонах. Телефон освещает сцену пучком инфракрасных лучей и замеряет время, которое потребовалось им, чтобы отразиться обратно в камеру. По времени она определяет расстояние до объекта. Исходя из этого простого расчета, камера фокусируется на рассчитанную дистанцию и гарантированно попадает в резкость.
Лазерный автофокус отличается высокой скоростью и может работать в темноте. К сожалению, ИК-излучатель используется довольно слабый, и на длинные дистанции он не добивает, максимум на 1,5 метра. Наиболее эффективно он работает при макросъемке и съемке на близких дистанциях.
Фазовая автофокусировка (PDAF)
Топовые производители смартфонов используют эту систему автофокусировки в своих флагманских устройствах из-за скорости и эффективности. На эту же систему автофокусировки полагаются производители в топовых репортажных зеркальных камерах.
С фазовой автофокусировкой небольшое количество реальных пикселей на сенсоре смартфона (2—5%) убрано и замещено на фазодетектные фотодиоды — особые пиксели, созданные специально для нужд автофокусировки. Используя сигнал с этих микродатчиков, алгоритм и может рассчитать, резкое ли изображение, и сразу знает, на какую дистанцию нужно сфокусироваться. То есть фокусировка может корректироваться из текущего положения объектива на лету и без «рысканья». Впрочем, на однородных поверхностях у фокусировки по фазам тоже могут быть затруднения.
Фокусировка Dual Pixel (DPAF)
Эта технология была первой придумана Canon и разбивала все пиксели на подпиксели, которые работали в парах и обеспечивали упомянутую выше фазовую фокусировку. Но по сути это улучшение технологии фазовой автофокусировки. Если в том случае используется не более 5% площади пикселей для фокусировки, то в случае Dual Pixel для автофокусировки можно использовать все 100% из-за специальной микроархитектуры пикселей. Это означает высокую скорость и точность фокусировки, потому что как только хотя бы одна пара из миллионов пикселей уверенно подтвердит наводку на резкость, остальные подхватят.
Оптическая стабилизация
Оптическая стабилизация, или Optical Image Stabilization (OIS), указывается в характеристиках многих топовых смартфонов. Другие телефоны могут иметь в описании камеры аббревиатуру EIS, что означает Electronic Image Stabilization — электронная стабилизация изображения.
OIS — довольно устоявшаяся технология, которая зарекомендовала себя еще в эпоху до смартфонов, но набирает популярность и в мобильниках. По сути, оптическая стабилизация — это компенсационный сдвиг отдельных линз или сенсора в противовес естественному сотрясению камеры в ваших руках. Это такой миниатюрный амортизатор, чтобы сохранить камеру максимально неподвижной в краткое мгновение съемки.
Стабилизатор помогает побороть размытость снимков и сделать фотографии более резкими. Минусы — это дополнительные тонкости производства и дополнительно занятое место в корпусе смартфона.
Электронная стабилизация изображения — не механическая, а программная функция. Этот способ задействует информацию со встроенного в любой смартфон гироскопического сенсора или путем отслеживания определенных точек на изображении/видео. После этого изображение анализируется, а ненужные сдвиги компенсируются или обрезаются по записям гироскопа. Электронная стабилизация особенно хорошо зарекомендовала себя при съемке видео, при съемке же фотографий ее преимущества сомнительны и идут рука об руку вместе с потерей качества.
Сенсор глубины (Depth Sensor, ToF Camera, ToF 3D Camera)
Сенсор глубины — маленький помощник многокамерных смартфонов, благодаря которому они могут снимать с небольшой глубиной резкости кадра и размытым фоном.
Основная камера работает вместе с датчиком глубины, который создает карту объема пространства. Так как обе камеры смотрят на сцену с немного разными перспективами, система может вычислить расстояние между объектами на картинке и отделить объекты переднего плана от фона. Она также используется при распознавании лиц (и для разблокировки лицом) и для автофокуса в слабом свете.
ToF-камера, или Time-of-Flight, работает по тому же принципу, что и лазерный автофокус. ToF-камера использует инфракрасную сетку точек, чтобы собрать данные об объеме сцены и расстоянии до объектов. А расстояние она замеряет по времени, которое нужно свету, чтобы отразиться от объектов сцены и вернуться в объектив.
HDR позволяет снимать изображения с широким динамическим диапазоном, то есть равномерной детализацией в очень темных и очень ярких участках кадра. С включенным HDR камера делает несколько снимков с разной яркостью.
После этого изображения собираются в конечную картинку, но из них берутся лишь части с наилучшей детализацией: отдельно светлые участки, отдельно темные, отдельно средние тона.
Вспышка
В смартфонах используются разные типы вспышек. Наиболее популярная — светодиодная вспышка, или LED. Эта вспышка использует высокоэффективные светодиоды, которые также могут работать в роли постоянного источника света при съемке видео.
Dual LED — вспышки используют два светодиода с разной цветовой температурой. В этом случае телефон определяет необходимую цветовую температуру или тон (теплее/холоднее) в зависимости от баланса белого в кадре, чтобы дать более естественный по атмосфере кадра цвет. Другие варианты LED-вспышек могут включать и четыре светодиода. Удивительно, но принципами работы True Tone — вспышки Apple не позволяет управлять даже разработчикам App Store.
Иногда можно встретить ксеноновые вспышки, они более мощные и с лучшими спектральными характеристиками света, но требуют больше энергии и не могут использоваться в качестве фонарика или при съемке видео.
Видео
Разрешение видео указывает на число пикселей, которое дисплей может демонстрировать по каждой стороне:
Число типа @24p указывает на число кадров в секунду, которое возможно при этом разрешении съемки. Например, 4K@24p означает, что видеозапись будет идти в 4K с частотой 24 кадра в секунду. Чем больше кадров в секунду указывается производителем, тем более плавным будет видеоряд. Сейчас смартфоны без проблем снимают видео частотой 60 к/c.
Высокая частота кадров, например 960 к/c, идеально подходит для замедленных видео. На такой частоте можно рассматривать в деталях самые быстротечные, забавные и нелепые процессы.
Процессор обработки сигнала (ISP) и невидимые алгоритмы вычислительной фотографии
Чтобы компенсировать свои недостатки, камеры телефона полагаются на вычислительную фотографию, то есть алгоритмы и хитрости обработки сигнала могут вносить более существенный вклад в качество картинки, чем физическая начинка. Создание изображения не заканчивается на сенсоре и объективе, оно там только начинается.
Хорошим примером этого можно считать ночной режим съемки, набирающий сейчас популярность во флагманах. Смартфоны не очень хорошо (как вы поняли, ужасно) подходят для съемки при слабом свете: сенсоры небольшие, пиксели ужасно маленькие. Так как с этим ничего не поделаешь без превращения телефона в громадину, смартфонам приходится хитрить, благо вычислительные мощности современных телефонов кладут на лопатки некоторые компьютеры.
За качество изображения отвечает специальный процессор обработки сигнала (ISP) — мозг мобильной камеры. Он перехватывает на себя весь поток массива данных с сенсора. Прежде чем мы получим конечную картинку, он проведет триллионы манипуляций.
Они включают демозаику байеровской структуры сенсора, «вычисление» цвета пикселей, подавление шумов, коррекцию теней и светов, выделение однородных зон и дополнительную очистку их от шума, исправление искажений оптики, ретушь телесных тонов, создание HDR, особые алгоритмы съемки в ночном режиме, электронную стабилизацию, цветокоррекцию, сжатие и много чего еще. Также нейронные алгоритмы ISP натренированы огромной базой данных и сверяют цвета картинки с наиболее оптимальными.
В отличие от механического затвора, электронный затвор камеры может кодироваться на самые невероятные комбинации для сбора серии кадров: брекетинг экспозиции, по времени, движению и много чего еще доступно нам благодаря светлым умам инженеров.
В этом плане наиболее продвинулись инженеры Google и Apple, но не перестают удивлять Samsung и Huawei. К радости всех мобильных фотографов, жесткая конкуренция продолжается. Но конкретных метрик тут нет: читайте отзывы, снимайте сами и смотрите, насколько камера понимает ваши мысли при съемке. Если кажется, что смартфон понимает вас без слов даже в сложных условиях, берите смело и снимайте на радость.