Реальная роль сенсора в мобильной фотографии

Если сегодня ваш мобильный телефон — это почти ваш камера в изголовье кроватиЭто не волшебство. Еще совсем недавно камеры телефонов были не более чем средством быстрого решения проблемы: можно было сделать размытый снимок документа, отправить некачественное фото через MMS и больше ничего. Сейчас многие оставляют свои компактные фотоаппараты дома, потому что смартфоны работают настолько хорошо, что могут конкурировать со специализированными камерами среднего класса, а то и с некоторыми камерами среднего и высокого ценового сегмента.

Проблема в том, что маркетинг заставил нас искать не там, где следовало бы. Годами нам внушали, что важны именно... мегапиксели и количество камерИ многие люди по-прежнему выбирают мобильный телефон, основываясь исключительно на этих двух показателях. Однако истинное сердце системы — это другой компонент, на который почти никто не обращает внимания: датчик изображения. Понимание того, что он делает, как работает и почему его размер имеет решающее значение, — это то, что отличает покупку, основанную на рекламе, от разумной покупки.

Почему мегапиксели не являются истинным показателем качества

На протяжении многих лет мы привыкли сосредотачиваться в основном на количество мегапикселей С точки зрения производителя фотоаппаратов: чем больше мегапикселей, тем лучше… или так казалось. Реклама настаивала на том, что камера с большим количеством мегапикселей делает фотографии более высокого качества, и многие производители увеличили это число, не затронув действительно важные параметры: размер сенсора и размер каждого пикселя.

Датчик состоит из миллионов мельчайших частиц. кремниевые полупроводники Они называются фотоэлементами или фотодиодами. Каждый из них преобразует получаемый свет (фотоны) в электрический сигнал. На практике каждый фотоэлемент соответствует одному пикселю в итоговом изображении. Когда мы говорим о мегапикселях, мы просто имеем в виду общее количество этих точек, а не их качество.

Разрешение (например, 5472 x 3648 пикселей в камере с разрешением около 20 мегапикселей) указывает на максимальный уровень детализации и до какого размера изображение может быть получено. распечатать или вырезать без разрушения изображения. Но это ничего не говорит нам о шуме, динамическом диапазоне, работе в условиях низкой освещенности или точности цветопередачи. Все это во многом зависит от физического размера сенсора и размера каждого пикселя.

Как правило, при сравнении технологий одного поколения, чем больше сенсор, тем больше... общее качество изображенияТак почему же они не устанавливают максимально крупный сенсор во все устройства? Это чисто инженерные соображения: большие сенсоры дороже, занимают больше места и требуют больших объективов, что противоречит концепции ультратонких телефонов и жесткой ценовой политики.

Помимо разрешения спора, важно понимать два ключевых понятия: плотность пикселей (количество мегапикселей на квадратный сантиметр сенсора) и размер пикселя (размер каждого фотоэлемента, обычно в микронах). При одинаковом размере сенсора меньшее количество мегапикселей означает больший размер пикселей, способных захватывать больше света и, следовательно, обеспечивать лучшее качество изображения.

Как на самом деле работает датчик камеры мобильного телефона

Камера вашего мобильного телефона использует ту же базовую технологию, что и камера мобильного телефона. цифровая камера Традиционный подход. С одной стороны находится оптический блок (набор линз), отвечающий за «организацию» и направление света без внесения чрезмерных искажений или хроматической аберрации. Этот свет проходит через линзу, когда система открывает диафрагму, и попадает непосредственно на сенсор.

В аналоговых камерах свет фиксировался на химической пленке с помощью солей серебра. В мобильном телефоне свет падает на массив фоточувствительных клетокЦифровой датчик. Каждая ячейка подсчитывает количество фотонов, поступивших за время экспозиции, и генерирует напряжение, пропорциональное этому количеству света. Эта информация, пиксель за пикселем, затем преобразуется в цифровые данные, которые процессор обработки изображений (ISP) телефона интерпретирует и обрабатывает.

Датчики, которые мы находим в мобильных телефонах и камерах, по сути, делятся на два семейства: старые модели. ПЗС (прибор с зарядовой связью) и преобладающей технологией CMOS (комплементарный металлооксидный полупроводник). ПЗС-матрицы долгое время обеспечивали отличное качество изображения, но они были дорогими, сильно нагревались и требовали сложных и громоздких систем охлаждения, что было непрактично в тонком смартфоне.

CMOS-сенсоры, появившиеся и усовершенствованные во многом благодаря усилиям НАСА по миниатюризации, произвели революцию на рынке. Они интегрируют схемы считывания и оцифровки непосредственно в сам чип, что делает их более эффективными. Они дешевы в производстве и потребляют меньше энергии. Кроме того, они выделяют меньше тепла. Более того, они позволяют добавлять логику обработки данных непосредственно в сам датчик и являются программируемыми, что делает их идеальными для мобильных устройств, где важны компактность и энергоэффективность.

Исходя из этого, возникли различные варианты, например, датчики. BSI (датчик с задней подсветкой)Такие конструкции очень распространены в современных смартфонах. Здесь структура реорганизована таким образом, что свет достигает фотодиодов с меньшим количеством препятствий, что заметно улучшает качество снимков в условиях низкой освещенности. Результат: более четкие фотографии с меньшим уровнем шума при недостаточном освещении.

Способ расположения ячеек в массиве также имеет значение. Существуют датчики с линейным, трилинейным и многоэлементным распределением… но в мобильных устройствах обычно используется следующая конфигурация: Матрица Байера, которая сочетает в себе цветовые фильтры, размещенные над каждым фотоэлементом, для разделения белого света на три компонента.

Матрица Байера: RGGB, RYYB и борьба за улавливание большего количества света.

Свет, попадающий на сенсор, белый, но нам необходимо разложить его на цветовые компоненты, чтобы восстановить изображение. Для этого каждый фотоэлемент покрыт крошечным слоем цветной фильтр Это позволяет проходить лишь части спектра. Обычно его разделяют на красный, зеленый и синий (RGB) или варианты, такие как красный, желтый и синий (RYB), и объединяют информацию с нескольких фотоэлементов для каждого конечного пикселя.

Классическая матрица Байера — RGGB: в блоке из четырех фотоэлементов мы имеем один красный, один синий и два зеленых. Эта избыточность зеленого цвета не случайна. Человеческий глаз более чувствителен к зеленому каналу, и его удвоение позволяет нам достичь Больше деталей и меньше шума на итоговом изображении. Камера, с помощью обработки, объединяет данные с этих четырех фотоэлементов для создания одного полноцветного пикселя.

Компания Huawei в сотрудничестве с Leica решила в некоторых своих моделях отойти от этой традиции, внедрив в них датчики. RYYB СуперспектрВ данном случае матрица имеет один красный фотоэлемент, один синий фотоэлемент и два желтых фотоэлемента, заменяя избыточный зеленый канал желтым, который пропускает другую, более широкую часть спектра.

Что это нам говорит? Это означает, что жёлтые фотоэлементы улавливают больше света, чем зелёные, поэтому датчик, теоретически, Оно собирает больше световой информации.Теперь система работает скорее как в мире CMYK-печати (где цветовая модель основана на вычитании), чем строго аддитивной модели RGB. Для восстановления достоверного изображения требуется больше вычислений: данные красного и синего цветов объединяются с данными желтого для получения окончательных каналов, что требует большей вычислительной мощности и значительного объема вычислительной фотографии.

Это изменение наглядно демонстрирует тенденцию в отрасли: идет гонка за тем, чтобы выжать максимум света и деталей из каждого миллиметра пространства сенсора. Но, как это почти всегда бывает, чудес бесплатно не бывает. Этим сенсорам необходимо... мощные процессоры и передовые алгоритмы чтобы максимально эффективно использовать свет, не искажая цвет и не увеличивая шум.

Размер сенсора и размер пикселя: вот ключевое слово.

Если бы нам нужно было вынести из всего этого только один ключевой вывод, он должен быть таким: при равном уровне технологий, Чем больше датчик, тем больше информации он может зафиксировать.И, что касается самого сенсора, чем больше его пиксели (то есть фотоэлементы), тем лучше будет работать камера, особенно в условиях недостатка света.

Количество фотонов, которое может «подсчитать» элемент, пропорционально его площади поверхности. Большой элемент может накопить больше заряда до насыщения, чем маленький, что приводит к большему динамическому диапазону (лучшая детализация в светлых и темных участках), меньшему шуму и более стабильной цветопередаче. Неслучайно в серьезных технических характеристиках упоминается следующее: размер пикселя в микронах: 1,22 мкм, 1,4 мкм, 1,8 мкм, 2 мкм… чем выше число, тем лучше, при условии, что мы сравниваем датчики одного поколения.

Производители работают в очень ограниченном физическом пространстве: модуль камеры должен помещаться внутри корпуса телефона, не должен чрезмерно выступать и должен сосуществовать с батареей, материнской платой, динамиками и другими компонентами. Поэтому часто приходится идти на компромиссы. размер сенсора или пикселя Для повышения разрешения в маркетинговых целях. В результате может получиться камера с разрешением 64 или 108 мегапикселей и очень мелкими пикселями, которая без программного обеспечения работает хуже ночью, чем 12-мегапиксельная камера с крупными пикселями.

Для решения этой проблемы многие датчики высокого разрешения используют методы, описанные в данной статье.пиксельный биннинг«Или слияние пикселей». Под торговыми названиями, такими как Quad Bayer, Tetracell или Light Fusion, сенсор объединяет четыре физических пикселя в один «виртуальный» пиксель при создании изображения. Таким образом, 48-мегапиксельный сенсор создает 12-мегапиксельные фотографии с большей светочувствительностью и меньшим уровнем шума, используя несколько фотоэлементов для каждого конечного пикселя.

Это объединение изображений осуществляется на аппаратном и/или программном уровне и обычно может быть включено или выключено в приложении камеры. Если мы активируем полный режим 48 или 64 мегапикселей, мы получим более подробная информация о кадрированииОднако это ухудшает качество изображения при слабом освещении. Если мы позволим телефону уменьшить разрешение до четверти с помощью объединения пикселей, мы выиграем в общем качестве, особенно ночью.

В верхнем сегменте рынка мы уже видим 1-дюймовые сенсоры в некоторых продвинутых моделях от таких брендов, как Xiaomi и Huawei. Эти сенсоры не только физически больше, но и могут быть оснащены... большие пикселиЭто, безусловно, улучшает их светосилу. Это не означает автоматически, что они делают лучшие фотографии на рынке, но это дает им объективное преимущество в исходном материале: фотонах.

Датчики, оптика и обработка: трио, определяющее конечное качество.

Качество фотографий зависит не только от сенсора. Хотя это наиболее важный компонент, два других фактора также имеют существенное значение: качество объектива и обработки изображений. Объектив низкого качества, плохо отполированный или с неудачной конструкцией может вызывать хроматические аберрации, потерю резкости по краям и геометрические искажения, которые портят сцену, независимо от качества сенсора.

После выстрела вступает в действие обработка, которая в современных мобильных телефонах тесно связана с... фотография компьютернаяПрограммное обеспечение ISP и программное обеспечение производителя объединяют несколько снимков, регулируют шум, осветляют тени, сжимают светлые участки, корректируют цвет и применяют выборочное повышение резкости. У каждого бренда свой фирменный стиль: одни отдают приоритет более насыщенным цветам и высокому контрасту, в то время как другие стремятся к более мягкому, естественному виду.

Однако физический размер сенсора остается более важным фактором, чем чистое разрешение. Более крупный сенсор, даже с меньшим количеством мегапикселей, может обеспечить изображения более высокого качества (особенно при плохом освещении), чем меньший по размеру, напичканный крошечными элементами. Это привело к дизайнерским решениям, которые противоречили гонке мегапикселей, таким как HTC One M7 с 4 мегапикселями и огромными пикселями, или iPhone, которые годами «оставались» с 8 или 12 мегапикселями, но со все более крупными сенсорами.

На другом полюсе находятся телефоны, которые могут похвастаться 40, 50 и более мегапикселями, а также 41-мегапиксельными сенсорами, как легендарный Nokia 808 PureView или 40,1 мегапикселями в Lumia 1020, которые использовали более чем достаточное разрешение предложить зум без потерь и агрессивное кадрирование. У каждого подхода есть свои преимущества, но всегда следует обращать внимание на сенсор и размер пикселей, чтобы по-настоящему понимать, что вы покупаете.

Типы датчиков и их роль в современной мобильной фотографии.

В современном мобильном телефоне обычно имеется не один, а несколько датчиков, каждый из которых специализируется на выполнении определённой задачи. главный датчик Как правило, это камера самого высокого качества (и часто самого большого размера), поскольку она обрабатывает большую часть фотографий и видео пользователя. Ее производительность в условиях низкой освещенности, разрешение и динамический диапазон определяют общее впечатление от фотосъемки.

Рядом с ним появляется... широкоугольный датчикЭтот сенсор, отвечающий за расширение поля зрения, идеально подходит для пейзажной, архитектурной или групповой фотографии. Он жертвует некоторой резкостью по краям и иногда большей светосилой, чтобы захватить большую часть сцены. В моделях высокого класса этот сенсор также может похвастаться хорошей оптикой и приемлемым размером, что делает его полезным даже в сложных условиях.

El сенсорный телеобъектив Это вступает в игру при использовании оптического зума. В отличие от цифрового зума (который обрезает и растягивает изображение), телеобъектив позволяет приблизиться к объекту без потери деталей, поскольку увеличение достигается с помощью специальной оптики. Здесь снова ключевыми факторами являются размер сенсора и пикселя: очень длинный телеобъектив с крошечным сенсором может плохо работать в сумерках, независимо от того, насколько высоким заявлено увеличение.

Во многих мобильных телефонах эти три функции дополняются дополнительными возможностями, такими как... определение глубины (для улучшения размытия портретов), датчики цветовой температуры (для более точной настройки баланса белого) или даже специализированные макродатчики. Их функция заключается в дополнении к основному датчику, хотя часто некоторые из этих ролей можно имитировать с помощью программного обеспечения, используя сам основной датчик.

Необходимо также учитывать стабилизацию изображения, будь то оптическая (OIS) или электронная (EIS). Хотя она не является частью сенсора, она работает с ним в тесном взаимодействии, чтобы... уменьшить тремор и вибрацииЭто необходимо для того, чтобы максимально эффективно использовать свет в ночных сценах, избегая размытия фотографий, а также для записи плавного видео.

Как выбрать мобильный телефон с камерой, соответствующий вашим реальным потребностям

При покупке телефона с расчетом на фотосъемку, дело не в игнорировании мегапикселей, а в их контексте. Если вы обычно смотрите свои фотографии на экране телефона, в социальных сетях или на телевизоре Full HD, то... несколько мегапикселей хорошо использованы А с большим сенсором у вас будет более чем достаточно изображения. В таких случаях большой 12- или 16-мегапиксельный сенсор может дать лучшие результаты в повседневном использовании, чем 64-мегапиксельный сенсор с крошечным сенсором.

Однако, если вы часто печатаете на больших листах бумаги, склонны к резкой или работаете в полупрофессиональной сфере, то его приобретение определенно стоит того. датчик высокого разрешенияЕсли, конечно, весь бюджет не был потрачен на размещение крошечных пикселей в смехотворно маленьком сенсоре. Вот тут-то и пригодятся сенсоры с разрешением 40, 50 и более мегапикселей, а также подходящие габариты и мощный процессор.

В какой бы ситуации вы ни оказались, стоит задать себе три простых вопроса: При каких условиях освещения я чаще всего снимаю? Что я делаю с фотографиями потом? И стоит ли более громоздкий модуль камеры дополнительных затрат на качество? Ответы на эти вопросы помогут вам расставить приоритеты. большой сенсор и большой пиксель в отличие от астрономических разрешений, которые на практике вы не сможете использовать в полной мере.

Наконец, не забывайте, что фактическая производительность также зависит от поколения сенсора и процессора. Бессмысленно напрямую сравнивать современный высокопроизводительный BSI-сенсор со старым, выпущенным много лет назад, даже если они одинакового размера. При сравнении моделей старайтесь делать это между устройствами одного поколения. та же эпоха и диапазонИ всегда обращайте внимание на: размер сенсора, размер пикселя, диафрагму объектива и наличие оптической стабилизации изображения.

В конечном счете, за каждой хорошей фотографией, сделанной на телефон, стоит тонкий баланс между оптикой, сенсором и программным обеспечением. Мегапиксели показывают, сколько пикселей будет содержать изображение, но именно Датчик определяет, сколько света, деталей и динамического диапазона необходимо иметь. Вы сможете этим воспользоваться. Понимание его важности позволит вам не обращать внимания на рекламные заявления и с умом выбрать следующий смартфон с акцентом на камеру, который вы положите в карман.

Связанная статья:

Телеобъективы в мобильной фотографии: полное руководство по максимальному использованию зума.