Разбираемся, сколько камер нужно смартфону? — Wylsacom

Разбираемся, сколько камер нужно смартфону? — Wylsacom Карманный ПК

Что означает оптический зум для смартфонов?

Сегодня эквивалентное фокусное расстояние 35 мм точно определяет, насколько большой объект отображается на сенсоре на определенном расстоянии от камеры. Оптический зум означает, что камера может реализовывать различные углы изображения или размеры изображения, изменяя фокусное расстояние.

Цифровой зум, с другой стороны, представляет собой не что иное, как обрезку фотографии с помощью программного обеспечения, которое уменьшает угол обзора или увеличивает фокусное расстояние. По сравнению с необрезанной фотографией это, естественно, означает потерю разрешения. Не имеет значения, обрезаете ли вы с помощью Photoshop (в центре) или с «гибридным зумом» (справа).
Цифровой зум, с другой стороны, представляет собой не что иное, как обрезку фотографии с помощью программного обеспечения, которое уменьшает угол обзора или увеличивает фокусное расстояние. По сравнению с необрезанной фотографией это, естественно, означает потерю разрешения. Не имеет значения, обрезаете ли вы с помощью Photoshop (в центре) или с «гибридным зумом» (справа).

Чтобы проиллюстрировать диапазон фокусных расстояний или гибкость объектива, соотношение наименьшего и наибольшего фокусного расстояния стало обычным в фотографии. Оптическая система с 25 до 100 миллиметров имеет 4-кратный оптический зум – или имела, в нынешнем веке.

Это связано с тем, что отделы маркетинга производителей смартфонов выбросили на помойку все предыдущие священные соглашения, установленные в традиционной фотографии. Вместо этого они рисуюткакую-то ерунду на листе спецификаций. Главное, чтобы он показывал более высокую цифру, чем конкуренты, и непритязательный покупатель влюбляется в него и покупает его. Правильно?

Что означает 30-кратный оптический зум?

Первые смартфоны с двумя камерами обычно имели двойной оптический зум – фокусное расстояние двух объективов составляло около 25 и 50 миллиметров. В этой области достигнут прогресс в виде все более мощных телеобъективов, и двойной зум в конечном итоге стал «5-кратным» в приложении камеры.

Когда сверхширокоугольный объектив нашел свой путь от смартфонов LG в повседневное множество смартфонов, гигантский угол обзора был описан практически всеми как «0.5x» или «0.6x». Другимисловами, он работает как псевдо-0,5-кратный зум-шутер, по сравнению с основной камерой.

Смартфон Samsung Galaxy S20 Ultra является хорошим примером, камера которого воспроизводит эквивалентные фокусные расстояния от 13 миллиметров до 103 миллиметров – и, таким образом, имеет приблизительный 8-кратный оптический зум. Интересно, что эту цифру нигде не найти, и, в зависимости от вашей репутации, она можетрассматриваться как ляп со стороны отдела маркетинга – или как преднамеренное, систематическое изложение фактов, чтобы побудить потенциальных покупателей к покупке функций, которые просто не в состоянии обеспечить обещанные на бумаге цифры.

Извините, но это просто глупо.
Извините, но это просто глупо.

100-кратный гибридный зум и другие сказочные заявления Так откуда же взята цифра «100x»? Например, Samsung Galaxy S20 Ultra так гордится таким гигантским зумом, основанным явно на маркетинговых материалах. Чтобы добиться 100-кратного оптического увеличения, смартфон теперь должен был бы охватить диапазон фокусных расстояний от 13 до 103 миллиметров в его 35-миллиметровом эквиваленте, – и если бы это действительно произошло, он, вероятно, был бы чрезвычайно большим поразмеру и дорогим.

Ответ на вопрос «откуда» возникло число «100x» достаточно прост: от воображения менеджеров по продуктам Samsung. В отличие от оптических зумов «настоящих» камер, этот якобы «100x» зум не имеет абсолютно никакого отношения к оптическим возможностям системы камер. Скорее, Samsung решила заострить внимание на некоторой фантастической цифре в качестве верхнего предела для своей камеры.

После нескольких лет образовательной работы журналистов-технологов, которые фактически внедрили термины «цифровой зум», «гибридный зум» или «космический зум» в наше коллективное сознание, следующая броская фраза, которая сегодня распространена, будет «оптический зум».

Качество изображения при 100х достаточно, чтобы заставить вас поеживаться? Не берите в голову, пока вы можете выгравировать такое число на корпусе смартфона. Изображение при 100-кратном зуме выглядит очень неясным уже в формате размера почтовой марки в этом коллаже. Поверьте мне, вы вряд ли захотите видеть такую большую картину.
Качество изображения при 100х достаточно, чтобы заставить вас поеживаться? Не берите в голову, пока вы можете выгравировать такое число на корпусе смартфона. Изображение при 100-кратном зуме выглядит очень неясным уже в формате размера почтовой марки в этом коллаже. Поверьте мне, вы вряд ли захотите видеть такую большую картину.

Существует ли 60-кратный, 100-кратный или будущий 200-кратный гибридный зум в спецификации, это ничего не говорит о качестве изображения. В лучшем случае это подчеркивает серьезность различных производителей смартфонов. Если вы действительно хотите узнать, насколько близко смартфон может увеличивать изображение при сохранении приемлемого качества изображения, важно указать следующие три значения:

  1. Фокусное расстояние телеобъектива в 35-мм эквиваленте.
  2. Использованный сенсор изображения для этого же телеобъектива.
  3. Скорость телеобъектива.

Фокусное расстояние телеобъектива в эквиваленте 35 мм говорит о том, насколько хорошо смартфон может увеличивать удаленные объекты с помощью оптического увеличения. Если соотношение между сказочным зумом и оптическим слишком сильно разнится, телефон должен будет использовать цифровой зум – качество изображения при этом определенно пострадает.

Вот тут-то и появляется сенсор изображения, используемый в телеобъективе: чем больше сенсор изображения, тем больше света он может захватывать, что будет означать лучшее качество изображения. Очень большой сенсор изображения не только обеспечивает лучшие фотографии при оптическом увеличении через объектив – он также предлагает больше места для цифрового зума.

Наконец, не менее важен тот факт, что интенсивность света или апертура телеобъектива также играет роль. Апертура описывает, сколько света сенсор может захватить для фотографии. Как правило, чем больше света, тем меньше шума и тем меньше риск сотрясения камеры. Это особенно относится к телеобъективам на смартфонах, которые обычно страдают от заведомо слабых объективов.

Перископические объективы – относительно новое явление: у Honor 30 Pro   также объектив с очень большим фокусным расстоянием. Тем не менее, «50-кратный зум» на корпусе не оправдывает такое утверждение.
Перископические объективы – относительно новое явление: у Honor 30 Pro также объектив с очень большим фокусным расстоянием. Тем не менее, «50-кратный зум» на корпусе не оправдывает такое утверждение.

Эти три аспекта можно увидеть в спецификации. Вместе с общеизвестно трудным количественным определением качества алгоритмов камеры, они во многом отвечают за качество изображения.

Ах эти грязные фотоны! или откуда шум на снимках?

Оказывается, на снимках откуда-то появляется непонятный шум! Особенно, когда света очень мало, на фотографиях по всей площади можно заметить характерные маленькие точки или отклонения яркости и цвета. Даже если мы сделаем снимок белого листа бумаги при плохом освещении, то получим такой грязный кадр:

Откуда берется эта грязь? И какое отношение к этому шуму имеет размер пикселя?

Этот мусор на матрицу приносят с собой фотоны. И дело совершенно не в том, что существуют нечистоплотные фотоны. Конечно нет. Всё дело в самой природе света.

Представьте, что на улице идет град и вы решили подсчитать, какое количество градин упадет в ведро за одну минуту. Чтобы увеличить точность эксперимента, вы решаете использовать сразу десять ведер. Итак, ведра расставлены — град идет. Проходит одна минута и вы делаете подсчет.

Ровно то же происходит и с фотонами! Если какой-то пиксель за одну секунду поймал 100 фотонов, то в следующую секунду их могло легко оказаться 70, а может и 120. Добавьте к этому еще тот факт, что не каждый фотон будет поглощен в кремнии.

В общем, это ровно такое же непредсказуемое явление, как и пример с градом. Но если градины ни на что не влияют, то вот количество фотонов, упавших на пиксель, напрямую влияет на яркость этого пикселя на итоговом снимке.

Если бы у нас была матрица только с одним гигантским пикселем и мы делали снимок белой стены каждую секунду, на такой фотографии не было бы никакого шума, просто цвет стены каждый раз немного бы отличался. Собрали больше фотонов — снимок ярче, меньше фотонов — темнее.

Но у нас-то пикселей миллионы! И здесь происходит интересная вещь. Несмотря на то, что мы делаем снимок белой стены, на один пиксель может попасть 80 фотонов, на пиксель рядом — 120, а еще на другой — 100.

В итоге мы получаем вместо однородного белого цвета какие-то пятна, точки и прочие артефакты. Это и есть фотонный шум, связанный с самой природой света, который невозможно никак ни отследить, ни предугадать.

Конечно, существуют и другие источники шума, но этот — основной.

Помните, вначале я говорил, что мы подаем небольшое питание на кусочек кремния, чтобы он мог ловить фотоны и преобразовывать их в электроны? Так вот, когда ни один фотон не попадает на такой пиксель, слабый ток из-за небольшого нагрева кремния вызывает ровно тот же эффект — генерацию электронов, а матрица собирает их и считает, что это были фотоны.

Кроме того, сам процесс считывания электронов может вносить шум.

Матрица: размер «зерна»

Помимо количества пикселей на матрице, реальное качество и «чистота» создаваемого цифрового изображения сильно зависят от физического размера матрицы и физического размера каждого пикселя по отдельности. Чем крупнее отдельно взятый пиксель (часто говорят «жирный» пиксель), тем лучшей светочувствительностью он обладает.

А чем больше физический размер матрицы, тем проще на ней разместить достаточно крупные пиксели на некотором расстоянии друг от друга. Это позволяет уменьшить паразитное перетекание зарядов — «наводки» от соседних пикселей, из-за которых появляются помехи и выбросы, именуемые цифровым шумом.

В смартфонах обычно стоит небольшая матрица, которая по площади примерно в 50 раз меньше, чем в полнокадровой зеркальной камере. Увеличить размер матрицы в смартфонах очень сложно — слишком мало места в тонком компактном корпусе. Излишняя «мегапиксельность» при маленькой матрице ведёт к уменьшению размера пикселей, то есть ухудшению светочувствительности и увеличению шумности снимков.

Другими словами, нельзя судить о камере, основываясь только на количестве мегапикселей. Если хочется меньшей шумности и более высокого качества на ночных снимках — размер пикселя важнее. Есть технологии объединения нескольких пикселей в один. Она позволяет за счёт снижения разрешения  повысить светочувствительность матрицы при съёмке в условиях низкой освещенности.

Информацию о размере пикселей несложно найти в Интернете: сначала нужно выяснить модель фотосенсора, установленного в смартфоне, а затем его технические характеристики. Для смартфона большим считается пиксель размером 2 микрона, а маленьким — в районе 1 микрона.

Анатомия камеры смартфона. Часть 1ASUS ZenFone 3: размер пикселя на фотосенсоре — 1,12 микронаАнатомия камеры смартфона. Часть 1Apple iPhone 7: размер пикселя на фотосенсоре — 1,22 микронаАнатомия камеры смартфона. Часть 1Huawei Honor 8: размер пикселя на фотосенсоре — 1,25 микрона Анатомия камеры смартфона. Часть 1Samsung Galaxy S7: размер пикселя на фотосенсоре — 1,4 микрона

Размер апертуры и качество изображения: много света, меньше резкости

Прежде чем ваш мозг передохнет, мы хотели бы обсудить один последний аспект размера апертуры: качество оптического изображения. Создать так называемый «быстрый объектив» намного сложнее, чем просто поместить большой кусок стекла перед фотосенсором. Хотя свет не полностью преломляется до середины линзы, изгиб на пути света к краю всегда сильнее.

Противные цветовые полосы: хроматические аберрации имеют тенденцию быть фиолетовыми или зелеными в цвете. Realme X3 SuperZoom может делать их в двух цветах одновременно.
Противные цветовые полосы: хроматические аберрации имеют тенденцию быть фиолетовыми или зелеными в цвете. Realme X3 SuperZoom может делать их в двух цветах одновременно.

К сожалению, у света есть неприятное свойство, когда показатель преломления зависит от длины волны. То, что кажется сложным, можно легко объяснить с помощью солнечного света, который отражается через окно и создает радугу в вашей гостиной. Это явление становится все сильнее и сильнее с более высокой степенью преломления света, а, следовательно, с большей апертурой, и его становится все сложнее исправить.

В техническом жаргоне цветовые полосы, образованные таким образом, известны как «хроматические аберрации». Они обычно сильнее на краю изображения, чем в середине, и встречаются в основном при высококонтрастных переходах, например на ветвях перед ярким небом.

Чтобы не переоценивать спецификацию, получая плохие отзывы, когда дело доходит до фотосъемки, Samsung включила в некоторые из своих ведущих смартфонов механический затвор. Этот затвор покрывает край линзы при хороших условиях освещения, чтобы минимизировать такие ошибки изображения.

Чтобы избежать аберраций, Samsung оснастила свой Galaxy S9   механической апертурой, которая уменьшает входной зрачок и, таким образом, увеличивает значение апертуры с F1,5 до F2,4.
Чтобы избежать аберраций, Samsung оснастила свой Galaxy S9 механической апертурой, которая уменьшает входной зрачок и, таким образом, увеличивает значение апертуры с F1,5 до F2,4.

Размер ловушки

Когда мы делаем снимок, в ловушку попадают электроны. Естественно, потенциальная яма пикселя не резиновая и в зависимости от освещения очень быстро заполняется до отказа. Если снимок всё еще делается, новые электроны будут попадать в яму и сразу же «вываливаться» оттуда в специально отведенное место — эдакий дренаж.

Одной из самых популярных мобильных матриц 2022-2020 гг является Sony IMX586. Она установлена в огромном количестве самых разных моделей от средне-бюджетного до премиального сегмента. В наших обзорах она также встречалась очень часто.

Так вот, размер пикселя этой матрицы составляет 0.8 микрометра, а емкость потенциальной ямы — минимум 4500 электронов. Если в ловушке уже оказалось 5000 электронов, а смартфон еще продолжает делать снимок, принимая новые фотоны света, этот пиксель будет переполнен и уже никакой информации, кроме яркой белой точки, в этом месте на снимке не будет.

В другом популярном сенсоре от Samsung на 64 Мп (используется в Redmi Note 8/9 Pro, Galaxy S20, Galaxy Note20) емкость потенциальной ямы — 6000 электронов.

Для сравнения, емкость потенциальной ямы одного пикселя многих зеркальных камер составляет 25 тысяч электронов, что всего в 4-5 раз больше микроскопических пикселей (0.8 мкм) от Sony и Samsung.

Основная задача таких внушительных «ловушек» — обеспечить широчайший динамический диапазон. То есть, чтобы на снимке не было ни одной белой точки с потерянными деталями. Посмотрите на эти две фотографии с разным динамическим диапазоном:

Слева мы видим, как пиксели, отвечающие за цвет неба в правом углу и плитку на полу, не справились со своей задачей. Их ловушки электронов просто переполнились от огромного количества фотонов, прилетевших с неба и отразившихся от плитки. А вот на снимке справа у пикселей оказались достаточно глубокие ловушки, что позволило рассмотреть детали даже в самых светлых областях.

Но этой проблемы практически не существует сегодня в мире смартфонов. Дело в том, что ее научились компенсировать двумя способами:

  • Вычислительная фотография. Смартфон делает серию снимков с разной выдержкой. То есть, во время первого снимка все пиксели собирают фотоны в течение, например, 5 миллисекунд. Этого времени не хватает, чтобы собрать достаточно фотонов с темных мест сцены, но пиксели, на которые попадают фотоны с ярких участков, не успевают переполняться и камера прекрасно видит все детали. Затем делается повторная фотография и пиксели собирают фотоны уже в течение 50 миллисекунд. Этого времени хватит, чтобы собрать фотоны с самых темных мест сцены, при этом произойдет переполнение потенциальных ям в пикселях светлых участков. Затем алгоритмы соединяют две фотографии, чтобы в результате не оказалось ни белых, ни черных точек.
  • Объединение (биннинг) пикселей. Благодаря технологиям Tetracell и Quad Bayer мы можем сделать ровно то же, что было описано выше, только при помощи одного снимка. В таких матрицах пиксели собраны в группы по 4 штуки. Когда мы делаем снимок, два из них собирают фотоны, скажем, в течение 5 миллисекунд, а остальные — в течение 50 мс. Результат получается тот же.

Выходит, даже маленькие пиксели по 0.8 мкм идеально справляются с динамическим диапазоном. Но, есть и другая проблема.

Цифровой зум против оптического: лучше, чем предполагает его репутация

Однако из трех вышеприведенных пунктов есть также случаи, когда цифровой зум может превосходить свой оптический аналог. Например, Samsung Galaxy S20 вызвал бурную реакцию в сфере технологий, когда камера прошла через все шаги. Samsung рекламирует смартфон с «3-кратным гибридным оптическим зумом».

64-мегапиксельный «телеобъектив» на самом деле имеет только 1,06-кратный оптический зум, по сравнению с основной камерой, а оставшиеся 2,94 раза – гибридный зум, основанный нацифровом увеличении. Хотя это может считаться смелым маркетинговым ходом, оно также довольно наивно – и оно имеет обратный эффект.

Хотя потенциальная шумиха была предсказуема, цифровой зум в Samsung Galaxy S20, вероятно, лучше, чем многие другие варианты оптического зума. Это связано с тем, что 64-мегапиксельный сенсор действительно – 1 / 1,72 дюйма и имеет площадь поверхности около 40 мм2.

Если бы нам пришлось разделить сенсор на девять прямоугольников одинакового размера и рассмотреть среднюю область в качестве независимого сенсора, мы получили бы 1 / 4,4-дюймовый сенсор, который Huawei использует в своем нынешнем флагмане P20 Pro с точки зрения размера сенсора. Это стоит того, чтобы присмотреться.

Это похоже на кошачий корм для гурманов: только два процента тройного «гибридного оптического увеличения» в S20   являются оптическими, остальное - цифровыми.
Это похоже на кошачий корм для гурманов: только два процента тройного «гибридного оптического увеличения» в S20 являются оптическими, остальное – цифровыми.

Совет по покупке: лучший смартфон с оптическим зумом Какой смартфон имеет лучший оптический зум? Наши предыдущие тесты фактически указывают на Samsung Galaxy S20 Ultra, фотография с которого была панорамирована выше.

Однако, это не имеет ничего общего с заявкой на 100-кратный зум в спецификациях. На самом деле, смартфон от Samsung имеет встроенный сенсор изображения, который достаточно большой, что позволяет ему захватывать достаточно света, несмотря на узкую апертуру.

Про мини ПК:  Samsung Galaxy A51: обзор смартфона, характеристики, камеры, примеры фото и видео
Оцените статью
Карман PC
Добавить комментарий