,

108 Мп против 12: как работают камеры в смартфонах

Производители начали делать смартфоны с камерами на 108 Мп, но это не значит, что они будут снимать лучше 12-мегапиксельных моделей
В конце лета 2019 Samsung анонсировала первые в мире сенсоры для смартфонов с разрешением 108 Мп — ISOCELL Bright HMX. Их уже готова взять на вооружение Xiaomi. Если верить слухам, именно на их базе будет построена основная камера нового флагмана компании Mi Mix 4 — его планируют запустить уже в октябре этого года. До этого китайская Apple представила относительно недорогой Redmi Note 8 Pro с камерой на 64 Мп — это максимальное значение на сегодняшний день.
При этом вся линейка новых iPhone, которые показали на презентации Apple 10 сентября, получили набор камер по 12 Мп каждая. Неподготовленный пользователь сразу же посчитает, что эталонный американский флагман будет фотографировать и записывать видео в разы хуже китайцев, которые ещё и стоят заметно дешевле. Но вот практика доказывает обратное. Разрешение матрицы — далеко не самое важное, что есть в камере, и сейчас мы объясним, как она вообще устроена.

Матрица состоит из пикселей, которые собирают свет


Количество пикселей в камере ещё не говорит о том, хорошо она снимает или не очень — это главное, что нужно запомнить во время выбора нового смартфона. Лучше сразу смотреть тесты съёмки в реальных условиях — они расскажут больше.
108 Мп против 12: как работают камеры в смартфонах
Набор камер на рендере iPhone 11 Pro. Источник: ilirida.net
Два основных узла любой камеры — это матрица и объектив. На первом из них и находятся пресловутые пиксели, которые собирают поступающих на них свет. Это нужно для создания изображения. Чем больше каждая такая точка, тем лучше. Её размер влияет на количество света, которое она может собрать. Между пикселями есть крохотные промежутки, из-за которых на итоговом фото появляются шумы, поэтому они должны быть максимально большими.

Жаль, у матрицы, что особенно актуально для смартфонов, ограниченная площадь. На ней нельзя уместить очень много больших пикселей для качественного фото. Но и мало точек быть тоже не может, ведь от них зависит детализация изображения, которое в итоге получится. Именно поэтому очень важно соблюсти правильный баланс между количеством пикселей и их размером. Получается, что установка сенсора на 108 Мп может быть не самой хорошей идеей только из-за их размера.

На данный момент матрицы для камер в смартфонах делают Sony, Samsung и OmniVision. Самыми качественными считаются первые две компании, но и у последней иногда получаются очень даже толковые модели.
108 Мп против 12: как работают камеры в смартфонах
Строение модуля камеры. Источник: bmwcase.com
Одной из главных характеристик матрицы является её чувствительность — ISO. Она отвечает за яркость снимка в разных условиях. Современные смартфоны дают возможность регулировать этот показатель во время съёмки, чтобы добиться необходимого творческого эффекта. Да что уж, даже на iPhone можно регулировать уровень ISO, но для этого понадобится сторонний софт. По умолчанию Apple закрывает эту возможность, чтобы не усложнять процесс получения фото.

Конечно, важно также учитывать размер матрицы или её диагональ. От этого зависит не только количество и размер пикселей, которые могут на ней уместиться — она же влияет на максимальный уровень ISO и многие другие характеристики.

Объектив отвечает за фокусировку, чёткость, угол обзора


Профессиональные фотографы считают, что объектив куда важнее, чем сама камера. В этом нет ничего удивительного, ведь именно через объектив первоначально проходит свет, который потом попадает на поверхность матрицы с её пикселями.
108 Мп против 12: как работают камеры в смартфонах
Двойная камера в iPhone 7 Plus. Источник: theverge.com
Главная задача объектива — получить как можно меньшее число искажений и картинку максимального качества. Он также отвечает за фокусировку, фокусное расстояние, чёткость, угол обзора и так далее. Обычно у объективов, которые используются в смартфонах, несколько линз. Некоторые из них могут быть пластиковыми, другие стеклянными. Последние чаще используются в самых дорогих гаджетах — иногда их даже защищают сапфировым напылением, чтобы они меньше царапались.

В числе наиболее значимых характеристик объективов фокусное расстояние и размер диафрагмы — это хорошо знают фотографы, которые регулярно приобретают новые и меняют старые. Но в случае со смартфонами есть свои нюансы.
108 Мп против 12: как работают камеры в смартфонах
Съёмка на Google Pixel 3. Источник: chepa.net
Например, в подавляющем большинстве смартфонов используется фиксированное фокусное расстояние — расстояние до объекта съёмки. Именно поэтому у них чаще всего нет регулируемого оптического зума, который используют большие камеры. На некоторых смартфонах из ситуации выходят благодаря дополнительным модулям. Одной из первых это сделала компания Apple, которая добавила имитацию двукратного оптического зума ещё в iPhone 7 Plus.

Чаще же всего зум в смартфонах реализован по цифровому принципу. В этом случае устройство берёт только часть информации с необходимой площади матрицы и растягивает её на весь кадр. Да, качество получается хуже, но тут без вариантов. Кстати, именно из-за небольшого размера матрицы в смартфонах стандартные камеры широкоугольные. Это даёт производителям возможность использовать больший размер диафрагмы, который также влияет на качество снимка.

Размер диафрагмы — это характеристика ширины отверстия, сквозь которое свет попадает на матрицу камеры. Оно обозначается буквой «f» и записывается рядом с числом — чем меньше, тем лучше: f/11, f/8, f/5.6, f/4, f/2.8, f/1.8. У многих современных смартфонов диафрагма f/2 и f/2.2. В топовых моделях может быть f/1.8 и f/1.7, а флагманы Samsung вообще используют камеры с её регулируемым размером — почти так, как в больших фотоаппаратах.

Кстати, именно от размера диафрагмы зависит размытие заднего плана, которого можно добиться с помощью камеры — это особенно важно в портретной съёмке. Так как в смартфонах он относительно невелик, производители придумали мылить задники с помощью нейронных сетей. Для этого они подключают дополнительные камеры, которые измеряют расстояние от объектов, или пытаются сделать это только с помощью натренированного искусственного интеллекта.

Автоматическая и другие виды фокусировки в смартфонах


В зависимости от типа фокусировки, смартфоны по-разному настраиваются на съёмку того или иного объекта. Цель этого процесса — чёткое изображение на снимке с хорошей резкостью. Но вот сам процесс может происходить разными путями.

Во-первых, есть гаджеты с поддержкой автофокуса и без неё. В первом случае вы можете навести резкость на конкретный объект вне зависимости от расстояния до него. Так получится фотографировать как вблизи, так и вдалеке. Во втором случае сфокусироваться на чём-то относительно близком уже не получится. Выйдет снимать что-то только на расстоянии от объектива. Этот вариант заметно хуже, но смартфоны с ним сегодня встречаются только в бюджетном сегменте.

Во-вторых, если у камеры нет специальных датчиков для автоматической фокусировки, она использует для этого контрастные участки картинки в видоискателе. Сделать её проще и дешевле всего, но она далеко не всегда корректно срабатывает. Хуже всего ей, что очевидно, даются объекты с небольшой контрастностью, в также подвижные кадры. Во флагманских смартфонах такая сейчас практически не используется.
108 Мп против 12: как работают камеры в смартфонах
Honor View 10 с фазовым автофокусом. Источник: lowyat.net
В-третьих, самой распространённой автоматической фокусировкой считается фазовая. Сегодня её используют и Apple, и Samsung, и многие другие компании. Чтобы она работала, по краям матрицы есть специальные дополнительные датчики, картинка на которых должна совпасть — это говорит о том, что фокус наведён верно. Эта система работает достаточно быстро, поэтому с помощью неё можно фотографировать даже активные виды спорта.

В-четвёртых, в последнее время также используют фокусировку с помощью лазера, которая работает по принципу отражённого света. Она считается самой точной, но сильно ограничена по эффективной дистанции — на расстоянии от 3 до 5 метров эта система ещё работает, а дальше луч сильно рассеивается. Именно поэтому лазерную фокусировку используют только в комплекте с фазовой. Когда первая уже не справляется, подключается вторая — только так можно гарантировать точность.

На данный момент самым перспективным считается именно развитие фазовой фокусировки. Производители пытаются увеличить количество датчиков, которые за неё отвечают — чем их больше, тем она точнее.

Зачем нужна стабилизация изображения и как она работает


Чтобы получить достаточно чёткое фото, во время съёмки устройство должно быть неподвижным. Если вы держите его в руках, добиться этого практически невозможно. Именно поэтому используется стабилизация: цифровая или оптическая.

Цифровая стабилизация (EIS) работает на базе программных механизмов смартфона. В этом случае для фото используется только центральная часть матрицы, а окружающие пиксели остаются в резерве. Информация с них нужно, если устройство видит, что девайс трясётся. Тогда изображение смещается по сенсору и создаётся ощущение, что кадр не двигается. Результаты получаются неплохие, но до оптической стабилизации они редко дотягивают.
108 Мп против 12: как работают камеры в смартфонах
Схема двойной камеры со стабилизацией в iPhone XS. Источник: smarthouse.com.au
Оптическая стабилизация (OIS) взаимодействует с линзами, которые используются в объективах смартфонов. Они смещаются в противоположную сторону от направления тряски. Если речь про четырёхосевую стабилизацию, то линзы могут двигать как в горизонтальном пространстве, так и в вертикальном. Смещаться также может матрица, на которую попадает свет, но этот метод применяется реже. Оптическая стабилизация может использоваться одновременно вместе с цифровой.

Да, стабилизация существенно влияет на качество картинки, которая в итоге получается. Это хорошо видно во время съёмки видео, но касается и фотографий. Если стабилизация не предусмотрена, хороший снимок получится вряд ли.

Работа нейросетей и другие возможности современных камер


В общем, кроме разрешения матрицы у камеры есть масса других характеристик, на которые стоит обращать внимание, например: размер диафрагмы объектива, фокусное расстояние и тип фокусировки, стабилизация и так далее.

Тем не менее, сегодня очень сложно оценить реальные возможности камеры даже со всеми этими характеристиками перед глазами. Всё из-за того, что в последнее время на первое место всё больше выходят программные механизмы.
108 Мп против 12: как работают камеры в смартфонах
Смартфон Realme XT с камерой на 64 Мп. Источник: xda-developers.com
Например, раньше все были уверены, что для получения портретного снимка с эффектом размытия заднего плана нужна дополнительная камера или сопутствующие датчики. Но компании Google удалось доказать всем обратное реализацией этой системы с помощью одного модуля. Более того, именно её смартфоны из линейки Pixel уделывают все другие гаджеты по качеству вечерней съёмки без каких-то дополнительных датчиков.

Последний же тренд — одновременное использование трёх и большего числа модулей для основной камеры. Сегодня это есть не только в дорогих флагманских смартфонах, но и в дешёвых. Про это подробнее мы говорили в недавнем выпуске подкаста.

В итоге, лучше всего смотреть настоящие тесты смартфонов в реальных условиях окружающей среды. Мы делаем такие в наших регулярных обзорах. Только так можно оценить сильные и слабые стороны камер — не по количеству мегапикселей.
Последнее изменение:
 
s_kommunist1917
s_kommunist1917, 23 сентября 2019 - 17:16   (...)
П«этом вся линейка новых iPhone, которые покажут на презентации Apple 10 сентября,» на дворе было 23е сентября
Ответить
hacker502
hacker502 16, 23 сентября 2019 - 17:58   (...)
Но автору надо отдать должное — статья очень объемная и интересная, не мог же он ее за один день написать
Ответить
nickgric
nickgric, 23 сентября 2019 - 18:30   (...)
да, спасибо)
Ответить
nickgric
nickgric, 23 сентября 2019 - 18:30   (...)
статью писали раньше, уже поправили, спасибо
Ответить
Withertrav394
Withertrav394 1, 23 сентября 2019 - 18:38   (...)
И ни слова про разницу 16 мп и 48 и тд. Хотя об этом было написано в названии.
Ответить
Pavell62
Pavell62 , 23 сентября 2019 - 20:01   (...)
Бубуйня
Ответить
alex86m6
alex86m6, 29 сентября 2019 - 10:15   (...)
Если действительно интересно почитать «как это работает», то вот отличные статьи. Подробно и без «воды».


3D News: 3dnews.ru/989337/
Оригинал: https://vas3k.ru/blog/computational_photography/
И еще: https://jejeya.pictures/computational_photography
Ответить
DisbyYT1234
DisbyYT1234, 2 октября 2019 - 18:31   (...)
Классная, познавательная статья. Очень интересно. респект автору!
Ответить

Добавить комментарий
Если нужно ответить кому-то конкретно,
лучше нажать на «Ответить» под его комментрием