Prawdziwe znaczenie czujnika w fotografii mobilnej

Jeśli dziś Twój telefon komórkowy jest już prawie Twój, kamera na wezgłowiuTo nie magia. Jeszcze niedawno aparaty w telefonach były jedynie doraźnym rozwiązaniem: robieniem niewyraźnych zdjęć dokumentów, wysyłaniem brzydkich zdjęć MMS-em i niczym więcej. Teraz wiele osób zostawia swoje aparaty kompaktowe w domu, ponieważ smartfony działają tak dobrze, że mogą konkurować z dedykowanymi aparatami średniej klasy, a nawet niektórymi aparatami ze średniej i wyższej półki.

Problem polega na tym, że marketing sprawił, że patrzymy tam, gdzie nie powinniśmy. Przez lata wmawiano nam, że najważniejsze są… megapikseli i liczby aparatówWiele osób nadal wybiera telefon komórkowy wyłącznie na podstawie tych dwóch liczb. Jednak prawdziwym sercem systemu jest inny element, na który prawie nikt nie zwraca uwagi: matryca obrazu. Zrozumienie jej funkcji, sposobu działania i tego, dlaczego jej rozmiar jest tak istotny, decyduje o tym, czy zakup będzie oparty na reklamie, czy też będzie mądry.

Dlaczego megapiksele nie są prawdziwą miarą jakości

Przez lata przyzwyczailiśmy się do skupiania się przede wszystkim na liczba megapikseli Z aparatu: im większa liczba megapikseli, tym lepiej… a przynajmniej tak się wydawało. Reklamy przekonywały, że aparat z większą liczbą megapikseli robi zdjęcia lepszej jakości, a wielu producentów zwiększało tę liczbę, nie zmieniając tego, co naprawdę ważne: rozmiaru matrycy i rozmiaru każdego piksela.

Czujnik składa się z milionów drobnych cząsteczek półprzewodniki krzemowe Nazywa się je fotopunktami lub fotodiodami. Każdy z nich przekształca otrzymane światło (fotony) w sygnał elektryczny. W praktyce każdy fotopunkt odpowiada jednemu pikselowi w obrazie końcowym. Mówiąc o megapikselach, mamy na myśli po prostu całkowitą liczbę tych punktów, a nie ich jakość.

Rozdzielczość (na przykład 5472 x 3648 pikseli w aparacie o rozdzielczości około 20 megapikseli) określa maksymalny poziom szczegółowości i rozmiar, jaki możemy uzyskać. wydrukować lub wyciąć bez utraty jakości zdjęcia. Ale to nie mówi nam nic o szumie, zakresie dynamicznym, jakości obrazu przy słabym oświetleniu ani dokładności odwzorowania kolorów. Wszystko to w dużej mierze zależy od fizycznego rozmiaru matrycy i rozmiaru każdego piksela.

Z reguły, jeśli porównamy technologie tej samej generacji, im większy czujnik, tym większa ogólna jakość obrazuDlaczego więc nie montują największego możliwego sensora we wszystkich urządzeniach? To czysto inżynieryjne powody: duże sensory są droższe, zajmują więcej miejsca i wymagają większych obiektywów, co koliduje z ultracienkimi telefonami i niskimi marżami cenowymi.

Oprócz rozdzielczości ważne jest zrozumienie dwóch kluczowych pojęć: gęstość pikseli (ile megapikseli przypada na centymetr kwadratowy matrycy) oraz rozmiar piksela (jak duży jest każdy element światłoczuły, zazwyczaj w mikronach). Przy tym samym rozmiarze matrycy, mniej megapikseli oznacza większe piksele, które mogą przechwycić więcej światła, a tym samym zapewnić lepszą jakość obrazu.

Jak właściwie działa czujnik aparatu mobilnego

Aparat w Twoim telefonie komórkowym wykorzystuje tę samą technologię co aparat cyfrowy Tradycyjny. Z jednej strony znajduje się blok optyczny (zespół soczewek), który odpowiada za „organizację” i ukierunkowanie światła bez wprowadzania nadmiernych zniekształceń ani aberracji chromatycznej. Światło to przechodzi przez soczewkę, gdy system otwiera przysłonę i trafia bezpośrednio do matrycy.

W aparatach analogowych światło to było skierowane na warstwę chemiczną z solami srebra. W telefonie komórkowym światło padało na matryca komórek światłoczułychCzujnik cyfrowy. Każda komórka zlicza, ile fotonów dotarło do czujnika w czasie naświetlania i generuje napięcie proporcjonalne do tej ilości światła. Informacje te, piksel po pikselu, są następnie przekształcane w dane cyfrowe, które procesor obrazu (ISP) telefonu interpretuje i przetwarza.

Czujniki, które znajdziemy w telefonach komórkowych i aparatach fotograficznych, dzielą się zasadniczo na dwie rodziny: stare CCD (urządzenie ze sprzężeniem ładunkowym) i dominującym CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor). Matryce CCD przez długi czas oferowały doskonałą jakość obrazu, ale były drogie, mocno się nagrzewały i wymagały skomplikowanych i nieporęcznych systemów chłodzenia, co było niepraktyczne w przypadku cienkiego smartfona.

Czujniki CMOS, które powstały i zostały udoskonalone w dużej mierze dzięki działaniom NASA w zakresie miniaturyzacji, zrewolucjonizowały rynek. Integrują one obwody odczytu i digitalizacji w samym układzie scalonym, co czyni je bardziej wydajnymi. tanie w produkcji, zużywają mniej energii i generują mniej ciepła. Co więcej, pozwalają na dodanie logiki przetwarzania w samym czujniku i są programowalne, co czyni je idealnymi do urządzeń mobilnych, gdzie przestrzeń i energooszczędność mają kluczowe znaczenie.

Na tej podstawie powstały różne warianty, np. czujniki. BSI (czujnik podświetlany od tyłu)Są one bardzo powszechne w nowoczesnych smartfonach. W tym przypadku struktura została zreorganizowana tak, aby światło docierało do fotodiod z mniejszą liczbą przeszkód, co wyraźnie poprawia wydajność w warunkach słabego oświetlenia. Rezultat: czystsze zdjęcia z mniejszym szumem przy słabym oświetleniu.

Sposób ułożenia komórek w matrycy również ma znaczenie. Istnieją czujniki o rozkładzie liniowym, trójliniowym i wielomacierzowym… ale w urządzeniach mobilnych typowa konfiguracja to Matryca Bayera, która łączy filtry kolorów umieszczone nad każdym fotositem, aby rozdzielić białe światło na trzy składniki.

Bayer Matrix: RGGB, RYYB i walka o uchwycenie większej ilości światła

Światło wpadające do czujnika jest białe, ale musimy je rozdzielić na składowe koloru, aby zrekonstruować obraz. W tym celu każde fotospot jest pokryte maleńką warstwą filtr koloru który przepuszcza tylko część widma. Zwyczajowo rozdziela się je na czerwony, zielony i niebieski (RGB) lub warianty, takie jak czerwony, żółty i niebieski (RYB), a następnie łączy informacje z kilku fotopunktów dla każdego końcowego piksela.

Klasyczną macierzą Bayera jest RGGB: w bloku czterech fotositów mamy jeden czerwony, jeden niebieski i dwa zielone. Ta redundancja zieleni nie jest przypadkowa. Ludzkie oko jest bardziej wrażliwe na kanał zielony, a podwojenie go pozwala nam osiągnąć… Więcej szczegółów i mniej szumów na ostatecznym obrazie. Aparat, za pomocą przetwarzania, łączy dane z tych czterech fotopunktów, aby wygenerować jeden pełnokolorowy piksel.

Firma Huawei, we współpracy z firmą Leica, postanowiła zerwać z tą tradycją w niektórych swoich modelach, wprowadzając czujniki RYYB Super SpectrumW tym przypadku matryca ma jedno czerwone fotomiejsce, jedno niebieskie fotomiejsce i dwa żółte fotomiejsca, zastępując zbędny kanał zielony kanałem żółtym, który pozwala na przejście innej, szerszej części widma.

Co nam to mówi? Oznacza to, że żółte fotosy przechwytują więcej światła niż zielone, więc teoretycznie czujnik... Gromadzi więcej informacji świetlnych.System działa teraz bardziej jak świat druku CMYK (gdzie myślenie o kolorze jest subtraktywne) niż ściśle addytywny model RGB. Aby odtworzyć wierny obraz, przetwarzanie musi wykonać więcej obliczeń: dane dotyczące czerwieni i błękitu są łączone z danymi dotyczącymi żółci, aby uzyskać kanały końcowe, co wymaga większej mocy obliczeniowej i znacznej ilości fotografii obliczeniowej.

Ta zmiana wyraźnie pokazuje trend panujący w branży: trwa wyścig o to, by wycisnąć każdy milimetr przestrzeni sensora, by uzyskać światło i detale. Ale, jak to prawie zawsze bywa, nie ma darmowych cudów. Te sensory wymagają… wydajne procesory i zaawansowane algorytmy wykorzystać maksymalną ilość światła, nie psując kolorów i nie zwiększając szumów.

Rozmiar czujnika i rozmiar piksela: oto klucz

Gdybyśmy mieli wyciągnąć z tego wszystkiego tylko jeden najważniejszy wniosek, byłoby to: przy równej technologii, Im większy czujnik, tym więcej informacji można uchwycićIm większe są piksele (czyli fotoogniwa) tego czujnika, tym lepsze będą parametry aparatu, zwłaszcza w warunkach słabego oświetlenia.

Liczba fotonów, które komórka może „zliczyć”, jest proporcjonalna do jej powierzchni. Duża komórka może zgromadzić więcej ładunku przed nasyceniem niż mała, co przekłada się na większy zakres dynamiczny (lepsze szczegóły w światłach i cieniach), mniej szumów i bardziej stabilną reprodukcję kolorów. To nie przypadek, że poważne specyfikacje techniczne wspominają o… rozmiar piksela w mikronach: 1,22 μm, 1,4 μm, 1,8 μm, 2 μm… im wyższa liczba, tym lepiej, o ile porównujemy czujniki tej samej generacji.

Producenci działają w bardzo ograniczonej przestrzeni fizycznej: moduł aparatu musi zmieścić się w obudowie telefonu, nie może nadmiernie wystawać i musi współistnieć z baterią, płytą główną, głośnikami i innymi komponentami. Dlatego często idą na kompromisy. rozmiar czujnika lub piksela Aby zwiększyć rozdzielczość w marketingu. W rezultacie może powstać aparat o rozdzielczości 64 lub 108 megapikseli z bardzo małymi pikselami, który bez pomocy oprogramowania radzi sobie gorzej w nocy niż aparat o rozdzielczości 12 megapikseli z dużymi pikselami.

Aby złagodzić ten problem, wiele czujników o wysokiej rozdzielczości wykorzystuje techniki „binowanie pikseli„lub fuzja pikseli”. Pod nazwami handlowymi, takimi jak Quad Bayer, Tetracell czy Light Fusion, czujnik łączy cztery fizyczne piksele w jeden „wirtualny” piksel podczas generowania obrazu. W ten sposób 48-megapikselowy czujnik generuje zdjęcia o rozdzielczości 12 megapikseli z większą ilością wychwytywanego światła i mniejszym szumem, wykorzystując wiele fotopunktów dla każdego końcowego piksela.

To połączenie odbywa się na poziomie sprzętowym i/lub programowym i zazwyczaj można je włączyć lub wyłączyć w aplikacji aparatu. Jeśli aktywujemy pełny tryb 48 lub 64 megapikseli, otrzymujemy… więcej szczegółów dotyczących kadrowaniaJednak pogarsza to jakość obrazu w słabym oświetleniu. Jeśli pozwolimy telefonowi zmniejszyć rozdzielczość do jednej czwartej za pomocą łączenia pikseli, zyskujemy na ogólnej jakości, szczególnie w nocy.

W segmencie premium widzimy już 1-calowe sensory w niektórych zaawansowanych modelach marek takich jak Xiaomi i Huawei. Sensory te są nie tylko fizycznie większe, ale mogą być również wyposażone w większe pikseleTo wyraźnie poprawia ich zdolność zbierania światła. Nie oznacza to automatycznie, że robią najlepsze zdjęcia na rynku, ale daje im obiektywną przewagę w zakresie surowca: fotonów.

Czujniki, optyka i przetwarzanie: trio decydujące o ostatecznej jakości

Jakość fotografii nie zależy wyłącznie od matrycy. Choć jest to najważniejszy element, dwa inne filary mają istotne znaczenie: jakość obiektywu i przetwarzania obrazu. Obiektyw złej jakości, słabo wypolerowany lub o złej konstrukcji może powodować aberrację chromatyczną, utratę ostrości na krawędziach i zniekształcenia geometryczne, które psują scenę, niezależnie od jakości matrycy.

Po oddaniu strzału rozpoczyna się przetwarzanie, które w nowoczesnych telefonach komórkowych jest ściśle powiązane z fotografia obliczeniowaOprogramowanie dostawcy usług internetowych i producenta łączy wiele ujęć, koryguje szumy, rozjaśnia cienie, kompresuje światła, koryguje kolory i stosuje selektywne wyostrzanie. Każda marka ma swój własny, charakterystyczny styl: niektóre stawiają na bardziej nasycone kolory i wysoki kontrast, podczas gdy inne dążą do uzyskania bardziej miękkiego, naturalnego efektu.

Rozmiar fizyczny czujnika pozostaje jednak ważniejszy niż sama rozdzielczość. Większy czujnik, nawet z mniejszą liczbą megapikseli, może zapewnić obrazy wyższej jakości (szczególnie przy słabym oświetleniu) niż mniejszy, wypełniony maleńkimi komórkami. Doprowadziło to do decyzji projektowych, które kolidowały z wyścigiem megapikseli, takich jak HTC One M7 z 4 megapikselami i ogromnymi pikselami, czy iPhone'y, które przez lata „utrzymywały” się przy 8 lub 12 megapikselach, ale z coraz większymi matrycami.

Na drugim biegunie mamy telefony, które mogą pochwalić się 40, 50 lub większą liczbą megapikseli, a nawet 41-megapikselowymi czujnikami, jak legendarna Nokia 808 PureView lub 40,1-megapikselowymi w Lumii 1020, która wykorzystywała więcej niż wystarczająca rozdzielczość do zaoferowania bezstratny zoom i agresywne kadrowanie. Każde podejście ma swoje zalety, ale zawsze należy zwrócić uwagę na matrycę i rozmiar pikseli, aby naprawdę zrozumieć, co się kupuje.

Rodzaje czujników i ich rola we współczesnej fotografii mobilnej

Współczesny telefon komórkowy zazwyczaj nie ma jednego czujnika, lecz kilka, z których każdy jest wyspecjalizowany w konkretnym celu. główny czujnik Zazwyczaj ma najwyższą jakość (i często największą), ponieważ obsługuje większość zdjęć i filmów użytkownika. Jego wydajność w słabym oświetleniu, rozdzielczość i zakres dynamiczny definiują ogólne wrażenia z fotografii.

Obok niego pojawia się czujnik szerokokątnyTen czujnik, odpowiadający za poszerzenie pola widzenia, idealnie sprawdza się w przypadku zdjęć krajobrazowych, architektonicznych czy grupowych. Poświęca on nieco ostrości krawędzi, a czasem nieco światła, aby uchwycić więcej kadru. W modelach z wyższej półki czujnik ten charakteryzuje się również dobrą optyką i przyzwoitym rozmiarem, dzięki czemu sprawdza się w trudnych sytuacjach.

El czujnik teleobiektywu Ma to znaczenie, gdy używamy zoomu optycznego. W przeciwieństwie do zoomu cyfrowego (który przycina i rozciąga obraz), teleobiektyw pozwala nam zbliżyć się bez utraty rzeczywistych szczegółów, ponieważ powiększenie jest uzyskiwane za pomocą specjalnej optyki. W tym przypadku ponownie kluczowa jest matryca i rozmiar piksela: bardzo długi teleobiektyw z małą matrycą może słabo działać o zmierzchu, niezależnie od deklarowanego powiększenia.

W wielu telefonach komórkowych te trzy funkcje są uzupełniane dodatkowymi funkcjami, takimi jak wykrywanie głębi (aby poprawić rozmycie portretów), czujniki temperatury barwowej (aby lepiej dostosować balans bieli), a nawet dedykowane czujniki makro. Ich funkcją jest uzupełnianie czujnika głównego, choć często niektóre z tych funkcji można symulować za pomocą oprogramowania wykorzystującego sam czujnik główny.

Należy również uwzględnić stabilizację obrazu, optyczną (OIS) lub elektroniczną (EIS). Chociaż nie jest ona częścią matrycy, współpracuje z nią, aby… zmniejszyć drgania i wibracjeJest to niezbędne, aby w pełni wykorzystać światło w nocnych ujęciach, uniknąć rozmazywania się zdjęć i uzyskać płynne nagrania wideo.

Jak wybrać telefon komórkowy z aparatem, który najlepiej odpowiada Twoim potrzebom

Kupując telefon z myślą o fotografii, nie chodzi o to, by ignorować megapiksele, ale o to, by umieścić je w odpowiednim kontekście. Jeśli zazwyczaj przeglądasz zdjęcia na ekranie telefonu, w mediach społecznościowych lub na telewizorze Full HD, to... kilka megapikseli dobrze wykorzystane A dzięki pojemnemu sensorowi będziesz miał więcej niż wystarczająco. W takich przypadkach duży sensor 12 lub 16 megapikseli może zapewnić lepsze rezultaty w codziennym użytkowaniu niż 64-megapikselowy sensor z małym sensorem.

Jeśli jednak często drukujesz na dużym papierze, masz tendencję do agresywnego cięcia lub pracujesz półprofesjonalnie, to zdecydowanie warto mieć takie urządzenie. czujnik o wysokiej rozdzielczościPod warunkiem, że cały budżet nie został wydany na upchanie maleńkich pikseli w absurdalnie małą matrycę. Właśnie wtedy matryce o rozdzielczości 40, 50 lub więcej megapikseli, w połączeniu z odpowiednim rozmiarem fizycznym i solidnym przetwarzaniem, mają sens.

Niezależnie od sytuacji, warto zadać sobie trzy proste pytania: W jakich warunkach oświetleniowych najczęściej robię zdjęcia? Co robię ze zdjęciami później? I czy większy moduł aparatu jest wart dodatkowej jakości? Odpowiedzi na te pytania pomogą Ci ustalić priorytety. duży czujnik i duży piksel w porównaniu z astronomicznymi rozwiązaniami, których w praktyce nie wykorzystasz w pełni swojego potencjału.

Na koniec, nie zapominajmy, że rzeczywista wydajność zależy również od generacji czujnika i procesora. Bezpośrednie porównywanie nowoczesnego, zaawansowanego czujnika BSI ze starszym, sprzed wielu lat, jest bezcelowe, nawet jeśli mają te same rozmiary. Porównując modele, starajmy się porównywać urządzenia tej samej generacji. ta sama epoka i zakresZawsze zwracaj uwagę na: rozmiar czujnika, rozmiar pikseli, przysłonę obiektywu i to, czy aparat posiada optyczną stabilizację obrazu.

Ostatecznie za każdym dobrym zdjęciem zrobionym telefonem kryje się delikatna równowaga między optyką, czujnikiem i oprogramowaniem. Megapiksele mówią, ile pikseli będzie miało zdjęcie, ale to… Czujnik decyduje, ile światła, szczegółów i zakresu dynamiki ma być zapewnione. Będziesz mógł z tego skorzystać. Zrozumienie jego znaczenia pozwoli Ci spojrzeć poza reklamowe obietnice i mądrze wybrać kolejny smartfon z aparatem, który włożysz do kieszeni.

Podobne artykuły:

Teleobiektywy w fotografii mobilnej: kompletny przewodnik po maksymalnym wykorzystaniu zoomu