Quad камера что это
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.
Почему в iPhone до сих пор стоят 12 Мп камеры?
Заметили, что мегапикселей стало как-то очень много? В Samsung готовят матрицы разрешением 600 Мп, уже есть — 108 Мп, а вот в iPhone, по-прежнему, 12 Мп. Почему так?
Вы наверное думаете, что всё дело в Deep Fusion и других волшебных алгоритмах. Отчасти, да. Но дело не только в них.
А что если я вам скажу, что в iPhone гораздо больше мегапикселей, чем мы думаем. А в Samsung, наоборот, гораздо меньше. Смотря как посчитать эти мегапиксели. Что это еще за заговор такой? Давайте разберемся!
Традиционная структура
Первый момент. Если внимательно посмотреть на современные ультра-мегапиксельные матрицы на 48, 64 или даже 108 Мп (а Samsung официально анонсировал, что работает над 600 Мп сенсором), то становится понятно, что разрешение матрицы стало вещью относительной. Почему я так говорю?
Традиционно, каждый пиксель на матрице состоял как минимум из 3 вещей:
И получается что если в пикселе есть эти три компонента, его можно назвать полноценным. И в матрицах с такими дополнениями пикселя мы всегда получаем честное разрешение: если матрица 12 МП, то и фотография будет 12 МП. Но разве можно делать как-то иначе?
Quad Bayer
Оказывается, можно. Долгое время у производителей матриц была проблема. Они никак не могли сделать пиксель меньше 1 мкм. А значит они не могли при том же физическом размере матрицы увеличить разрешение. Вот мы и сидели в основном с 12 Мп камерами.
Но в 2018 году барьер в 1 мкм был преодолён и появились первые компактные матрицы с размером пикселя 0,9 или 0,8 мкм и разрешением в 48 МП и больше. Но с уменьшением размера пикселя при прочих равных падает и их светочувствительность. Что, кстати, происходит не всегда…
Поэтому придумали очень простой хак. Цветовой фильтр стали накладывать не на один, а сразу на четыре пикселя и назвали такую структуру Quad Bayer, ну или Tetra Cell, если вы маркетолог Samsung. А дальше, объединив 4 пикселя в один гигантский, мы получаем отличную светочувствительность!
Но при этом реальное разрешение в 48 Мп камерах с Quad Bayer структурой в 4 раза меньше номинального и все равно — 12 Мп. Потому что пиксели в таких матрицах не проходят наш критерий полноценности: в каждом пикселе есть фотодиод, в каждом есть микролинза, но цветовой фильтр только один на четырёх. А значит цветовое разрешение в таких камерах в 4 раза ниже фактического.
Более того, даже в новых Samsung со 108 Мп камерами, реальное разрешение тоже 12 Мп, потому как в них объединяют не четыре, а сразу девять пикселей. Итого, 108 делим на 9, получаем 12.
Но почему же просто не сделать большие пиксели и не заморачиваться с этим объединением? Как ни странно такой подход даёт массу преимуществ!
Во-первых, днём когда света много — можно не объединять пиксели, а наоборот, при помощи алгоритма Re-mosaic можно восстановить хоть и неполное разрешение матрицы, но очень высокое.
Во-вторых, мы можем заставить разные пиксели работать с разной выдержкой. Тогда на выходе мы получим один светлый и один темный кадр, а склеив их мы можем получить полноценную HDR фотографию, или даже HDR видео!
Короче, вариантов для экспериментов масса и грех такое не использовать.
Но, если все уже поняли, что подход работает, почему же тогда ни в iPhone, ни в Pixel не используется преимуществами новых матриц? И вот тут самое интересное. На самом деле они пользуется, причем давно, но по-другому!
Dual Pixel
Помимо структур Bayer и Quad Bayer, существует и альтернативная школа, которая называется Dual Pixel или вернее сказать Dual Photo Diode.
Она отличается от традиционного Байера тем, что каждый пиксель в ней состоит из двух независимых фотодиодов. При этом оба фотодиода перекрывает только одна микролинза.
Но зачем это нужно? Если посмотреть на традиционную цифровую матрицу под микроскопом, то помимо обычных пикселей мы заметим какие-то странные зоны — вот эти зеленые штучки.
Это датчики фазовой фокусировки. Они необходимы для автофокуса. Кто снимал на зеркальные, помните вот такие зоны фокусировки в видоискателе? Вот это они!
Чем больше таких датчиков, тем быстрее и точнее будет работа автофокуса или AF. Но вот проблема. Они физически занимают место на матрице и отнимают его у нормальных пикселей. А значит, нельзя бесконечно увеличивать количество фазовых пикселей. Потому как если бы на каждый обычный пиксель приходился один фазовый пиксель, то система фокусировки занимала бы процентов 60 от общей площади.
Так было раньше, пока Canon не придумал технологию Dual Pixel. В качестве датчиков фазовой фокусировки они стали использовать обычные пиксели, разделив их на две части! Это позволило все пиксели сделать фазовыми! Опять же все кто пользовался зеркалками, знает какой у Canon крутой автофокус.
Но если у взрослых камер такая технология есть только у Canon, то в смартфонах матрицы с двойными пикселями производит и Samsung, и Sony, поэтому такую систему фокусировки можно встретить в куче смартфонов. В том числе во всех Google Pixel, начиная со второго и в iPhone 11 и 12.
Поэтому фактически в iPhone матрицы 24 мегапиксельные, если считать по количеству фотодиодов. Только полноценными такие 24 Мп конечно назвать нельзя, потому как тут пиксели делят на двоих не только цветовой фильтр, но и макролинзу. Поэтому в таких матрицах пиксели всегда работают в режиме объединения.
Правда есть одно исключение, если в iPhone систему двойных пикселей используют исключительно по назначению то есть для улучшения фокусировки, и, кстати, автофокус в iPhone замечательно работает как в фото, так и в видео, то в Google Pixel при помощи этой технологии научились делать портретные снимки с одной камеры. Они просто берут две фотографии, которые получились с правого и левого фотодиода и, подсчитав насколько сдвинулось изображение, строят карту глубины.
Так к чему я всё это? 12 Мп в iPhone — это осознанный выбор Apple, как и 108 Мп в Galaxy — осознанный выбор Samsung. Каждый из которых даёт свои преимущества и недостатки.
Камеры с высоким разрешением и структурой Quad Bayer или NonaCell — позволяют добиться более высокого разрешения днём и классной светочувствительности ночью. Позволяют проводить съёмку с алгоритмами HDR для фото и видео и вообще могут очень гибко настраиваться под конкретную задачу. Но пока не каждый процессор может справится с обработкой такого количества пикселей, а также, как показали тесты Galaxy S20 Ultra, бывают проблемы с фокусировкой.
Dual Pixel матрицы с низким разрешением вроде бы ничем особо не отличаются от традиционных матриц, но фотографии в низком разрешении проще обрабатывать. А структура Dual Pixel позволяет добиться потрясающей скорости и точности фокусировки.
Тем не менее мир не стоит на месте, Samsung и Sony уже показали новые матрицы с Quad Bayer структурой и двойными пикселями, которые берут лучшее из двух миров. Поэтому в будущем ждем еще более крутые камерофоны в следующем году.
Плюсы и минусы Quad Bayer и Tetracell в камерах смартфонов
Технология объединения нескольких пикселей под одним цветовым фильтром — очередной виток в гонке мегапикселей. Даже в среднеценовой категории смартфонов уже есть обладатели камер с разрешением не только 48, но и 64, и даже 108 Мп. Какие плюсы есть у технологий Quad Bayer, Tetracell и подобных, а в чем все-таки придется пойти на компромисс?
Основа обычной камеры — это светочувствительная матрица с огромным количеством пикселей, размер каждого из которых составляет 1–1,5 мкм. Более крупные пиксели улавливают больше света, поэтому матрица с крупными пикселями выдает лучшее качество снимков при плохой освещенности. Но физический размер матрицы ограничен, поэтому разрешение снимка остается таким же.
Чтобы изображение стало цветным, на пиксели накладывается цветной фильтр и все это «допиливается» с помощью ПО. Классический фильтр — так называемый фильтр Байера, где используются красный, синий и два зеленых цвета, покрывающие пиксели в шахматном порядке. Когда свет проходит через фильтр, полученные цветные изображения объединяет и «раскрашивает» уже процессор.
В Quad Bayer, Tetracell и подобных технологиях цветофильтр покрывает сразу 4 пикселя — группу 2х2, благодаря чему матрица может задействовать как все пиксели по одному, так и блок целиком. Разницы в технологиях нет — это просто зарегистрированные разными брендами названия: Quad Bayer принадлежит Sony, Tetracell — Samsung.
При таком склеивании пикселей разрешение снимка снижается в 4 раза, и обычно этот режим используется в камере смартфона по умолчанию. Так фотографии занимают меньше места, да и при нормальной освещенности объединять пиксели нет нужды. При плохом освещении можно выбрать режим объединения пикселей для лучшей детализации изображения.
Итак, какие плюсы у есть у Quad Bayer и Tetracell?
Недостатки
Но, несмотря на все минусы, технология склеивания пикселей позволила производителям смартфонов участвовать в дальнейшей гонке мегапикселей и улучшать качество фото. Сейчас уже есть устройства с камерой разрешением 108 Мп, планируется выпуск 150-мегапиксельных сенсоров, и даже интересно, что нас ждет дальше.
Квадрокамера в смартфоне: что это такое, зачем нужна, плюсы и минусы
Год от года число камер в смартфоне растет, как на дрожжах. Еще совсем недавно трендом было наличие двух модулей в тыльном блоке. Не успели пользователи (да и разработчики) привыкнуть к новшеству – глядь, а их уже стало три!
Мало! Мало! Больше камер богу камер! Вот уже и фронталки стали двойными, а количество объективов на тыльной стороне девайса увеличилось до четырех.
Спрашивается: кому и зачем нужна квадрокамера в смартфоне? Неужели нельзя было обойтись без нее? Будем разбираться.
Квадро квадро рознь
Устанавливать четыре и даже более объективов в свои модели разработчики начали еще за пару лет до того как это стало мейнстримом.
Например, можно припомнить диво дивное под названием Nokia 9 PureView. «Глазки» на задней панели у этой модели были собраны в шестилепестковую «ромашку».
Правда, камер из них было всего пять, включая «серединку»: два оставшихся места были заняты вспышками.
Или более близкий к современному стандарту отрасли Huawei Mate 30 Pro, у которого имелось четыре объектива: основной светосильный, широкоугольник, телевик и сенсор ToF.
Вот только подобные конструкции были прерогативой в основном флагманских моделей. Камеры были хорошо проработаны с точки зрения железа и софта, оснащены разнообразными полезными функциями и в целом своему назначению соответствовали.
А вот сегодня сплошь и рядом наблюдается иная картина. К и без того плохонькому объективчику на 13-16 МП лепится три вовсе уж ублюдочных, по 2, а то и по 0,3 МП, которые зачастую вообще не работают – и вся эта конструкция с гордостью объявляется «квадрокамерой».
Доходит до того, что у некоторых особо ушлых ноунеймов на самом деле сенсор только один, а остальные глазки – декоративные. Ага, камера «была очень похожа на настоящую, но не работала».
В чем разница?
Во флагманских камерофонах дополнительные объективы зачастую носили именно «дополнительный» характер. Например, с их помощью можно было получить более качественные снимки с основного в условиях плохого освещения.
Очень часто для этого использовались монохромные сенсоры, полностью аналогичные основному, но без байеровского фильтра. Хотя без манипуляций с фокусным расстоянием тоже не обходилось: были отдельные ширики и телевики.
А вот в современных бюджетниках используются четыре практически не связанных между собой (если не считать сенсора глубины) модуля.
Как правило, это основной светосильный сенсор более-менее высокого разрешения, ультраширокоугольник, макрообъектив и тот самый ToF сенсор.
Камеры смартфонов с матрицами Sony и Samsung. Что такое Tetracell и Quad Bayer?
Sony и Samsung являются основными поставщиками камер (матриц) для современных смартфонов, занимая около 80% всего рынка. За последние несколько лет эти компании проделали невероятный путь, внедряя самые передовые технологии из мира больших зеркальных камер в крохотные сенсоры мобильных телефонов.
Самый популярный 48-мегапиксельный сенсор 2019 года Sony IMX586 устанавливался на большинстве средне-бюджетных и флагманских камерофонах прошлого года. А Samsung и вовсе прошла путь от 12-мегапиксельных матриц до невероятного во всех смыслах 108-мегапиксельного сенсора, установленного на Xiaomi Mi Note 10.
Но с каждым новым смартфоном простому пользователю становится все труднее разобраться во всем этом разнообразии технологий. В интернете то и дело публикуются «разоблачения», будто всё это сплошной маркетинг. А тем временем в технических характеристиках появляется всё больше непонятных терминов: PDAF, Quad Bayer, Dual Pixel, ISOCELL Plus и пр.
В этой серии статей я попытаюсь максимально понятно и, в то же время, подробно рассказать обо всех основных технологиях, используемых в современных матрицах от Sony и Samsung.
Первая часть статьи будет посвящена базовым принципам работы матриц с высоким разрешением и, в частности, технологиям Tetracell от Samsung и Quad Bayer от Sony.
Но перед этим нам необходимо разобраться, как вообще работает обычная матрица, используемая в камере смартфона. Если эта информация вам уже известна, смело переходите к следующему разделу!
Как устроена матрица камеры обычного телефона?
Фотоматрица — это специальная микросхема, состоящая из миллионов светочувствительных ячеек, называемых фотодиодами. Матрица в камере смартфона — это аналог пленки в старых пленочных фотоаппаратах.
Свет, попадая на фотодиод, генерирует электрический заряд. Чем ярче этот свет, то есть, чем больше фотонов удалось собрать в одной ячейке, тем выше будет электрический заряд. Камера устанавливает определенную выдержку (время «сбора» фотонов), по окончании которой измеряется заряд каждого отдельного фотодиода и переводится в числовое значение от 0 до 255, где 0 — это отсутствие заряда/света, а 255 — максимальная яркость.
В итоге, мы получаем черно-белую фотографию, состоящую из миллиона маленьких точек разной яркости. Чем выше был заряд определенного фотодиода в момент съемки, тем ярче соответствующая ему точка/пиксель будет отображаться на фотографии:
Но так как в реальности эти точки гораздо меньшего размера, то вместо непонятных квадратиков мы получаем красивую черно-белую фотографию:
Все очень просто, не так ли? Но почему фотография получилась черно-белой?
Дело в том, что цвета не существует. Понимаю, это звучит странно, но, тем не менее, цвет — это не более, чем наши субъективные ощущения.
Немножко интересных фактов о цвете
Световые волны имеют разную длину и наши глаза способны воспринимать только очень маленький диапазон этих волн. Самые короткие из них воспринимаются нами, как фиолетовый цвет, а самые длинные — как красный. Ну и где-то посредине находится зеленый, а также все видимые оттенки между ними.
Но вот, к примеру, если делать рентгеновский снимок, мы не увидим никакого цвета, а ведь это такой же свет, как и свет от лампочки, только с более короткой волной. Мы даже представить себе не можем, как бы мог выглядеть цвет рентгеновских лучей. Не обидно ли?
Но нам это и не нужно, так как эти лучи не отражаются от предметов и, соответственно, бесполезны для наших глаз. Ведь и предметы, окружающие нас, мы видим только по той причине, что они отражают свет. Так что, трава — не зеленая, она просто отражает волны соответствующей длины, а наш мозг запрограммирован эту длину изображать зеленым цветом. Так проще и приятнее.
Возвращаемся к матрицам
Для того, чтобы и матрица смогла «увидеть» цвета, мы просто накрываем каждый фотодиод фильтром определенного цвета: красного, зеленого и синего. Теперь каждый фотодиод будет воспринимать яркость световой волны только одного цвета, соответствующего фильтру:
Другими словами, каждый фотодиод будет получать 1/3 яркости света, падающего на него, так как из этого света исключены все волны другой длины. Получается, мы можем из 3 фотодиодов «собрать» заново исходный цвет, смешивая в нужных пропорциях их значения. Ведь, как известно, для получения любого цвета, нам нужно знать лишь в каких пропорциях «смешивать» красный, зеленый и синий цвета.
Если значения красного, зеленого и синего цветов будут равняться нулю (напомню, камера переводит заряд каждого фотодиода в числовое значение от 0 до 255), получается черный цвет. Если все три фотодиода имели максимальный заряд (значение 255 для красного, зеленого и синего цвета), получается белый цвет. Если красный и зеленый цвет равняются 255 (то есть, фотодиоды, накрытые этими фильтрами, имели максимально высокий заряд), а синий — нулю, тогда получим желтый цвет и так далее.
Все просто? Не совсем. Давайте представим, что наш смартфон имеет камеру на 16 пикселей (не мегапикселей, а именно пикселей), то есть, всего 16 фотодиодов будут регистрировать попадающий на них свет. Вот как будет выглядеть матрица такой камеры с накрытыми цветными фильтрами:
Вы, наверное, заметили, что цветные фильтры распределены как-то странно — в каждой условной ячейке 2×2 находятся один синий, один красный и два зеленых фильтра. То есть, зеленых фильтров в 2 раза больше, чем красных или синих.
В далеком 1976 году сотрудник фирмы Kodak по имени Брайс Байер предложил использовать по 4 фильтра для каждого пикселя, причем фильтров зеленого цвета — в 2 раза больше. Связано это, скорее всего, с тем, что зеленый цвет находится ровно посредине спектра и он включает в себя часть синего и красного цвета. То есть, зеленые фотодиоды будут воспринимать больше света. А больше света — лучше качество. Плюс, наши глаза более восприимчивы к зеленому свету.
Этот фильтр так и называется «Фильтр Байера» (Bayer Filter). Он получился настолько удачным, что до сих пор является самым популярным в мире. Есть и другие фильтры, в частности, на смартфоне Huawei P30, обзор которого мы делали. Там вместо зеленых фильтров используются желтые. Также встречаются фильтры, где вместо второго зеленого используется «белый фильтр», то есть, фильтр по сути отсутствует и этот диод воспринимает больше света, чем другие.
Что не так с фильтром Байера?
Вернемся к нашей 16-пиксельной матрице. Вот мы сделали снимок и теперь нам нужно восстановить цвет каждой из этих 16 точек. У нас же 16-пиксельная камера, значит и фотография должна быть «16-пиксельная», верно? Как же это сделать?
Посмотрите еще раз на картинку выше. По сути, красные цвета зарегистрировали только 4 пикселя (фотодиода), также и синий цвет зарегистрировали только 4 пикселя. А еще 8 пикселей зарегистрировали зеленый цвет.
Получается, у нас есть всего 4 набора каждого цвета, плюс, 4 «лишних» зеленых цвета. То есть, мы можем полноценно восстановить оригинальные цвета только 4 пикселей на финальной фотографии:
Так что же это получается, никакой 16-пиксельной матрицы у нас и не было? Мы же можем восстановить только 4-пиксельную фотографию.
С камерами iPhone 11 Pro или Galaxy Note10, которые имеют по 12 мегапикселей, дела обстоят ровно так же. Они используют тот же Bayer-фильтр, что и на схеме выше. И вместо 12 мегапикселей у нас есть суммарно только 3 мегапикселя, содержащих все три цвета + еще 9 мегапикселей, захвативших только зеленый спектр света.
Но почему тогда камера того же iPhone 11 Pro выдает 12-мегапиксельные снимки вместо 3-мегапиксельных?
На помощь приходит процесс дебайеризации!
Чтобы получить красочный снимок в полноценном разрешении, нужно взять каждый фотодиод (пиксель) и добавить к нему недостающие цвета.
Если посмотреть на нашу 16-пиксельную матрицу, тогда для первого пикселя синего цвета нужно добавить еще красный и зеленый, а для пикселя зеленого цвета — добавить информацию о красном и синем цвете. Но где же ее взять, если один фотодиод зафиксировал количество света (или яркость света) только одного цвета?
Для этого снимок проходит обработку специальным алгоритмом дебайеризации или демозаики, то есть, процессор путем интерполяции вычисляет недостающие компоненты цвета для каждой точки.
А сейчас следите внимательно за мыслью. Если посмотреть на любую группу из 4 пикселей, то каждый из этих пикселей может принадлежать и другой группе (рядом стоящей).
Например, если условно выделить фиолетовым цветом группу из 4 пикселей (каждому из которых не хватает по 2 цвета для правильного восстановления), тогда красный пиксель одновременно будет принадлежать и другой группе из 4 пикселей, выделенных оранжевой пунктирной линией. А синий пиксель в то же время может принадлежать еще одной группе из 4 пикселей, выделенной на картинке желтой пунктирной линией (все остальные цвета я сделал приглушенными, чтобы они не отвлекали внимание):
То есть, фактически, вокруг каждого пикселя можно построить по 4 группы, содержащие все нужные цвета. А дальше математическим путем определить, какой же реальный оттенок должен иметь каждый пиксель.
Процесс дебайеризации может показаться немножко сложным, но если вы до конца не поняли, откуда мы берем недостающие цвета — ничего страшного, для понимания остальных технологий это не имеет значения.
Что такое Quad Bayer и Tetracell? Или как работают камеры со сверхвысоким разрешением (48, 64 и 108 Мп)
Чуть выше мы рассмотрели, как работает классический фильтр Байера, который используется практически во всех камерах современных смартфонов. Но когда речь заходит о новых камерофонах с очень высоким разрешением (от 48 Мп и выше), здесь все устроено немного по-другому.
Вместо фильтра Байера (Bayer) используется так называемый Quad Bayer (от англ. Quad — четыре). Расположение и количество цветных фильтров здесь в точности соответствует таковому на обычной матрице, только вместо одного фотодиода, под одним цветным фильтром размещается сразу 4 фотодиода.
Схематически можно изобразить Quad Bayer следующим образом:
Как видим, один общий синий фильтр прикрывает сразу 4 физических фотодиода, то же касается и других цветов. Если на обычной матрице 2×2 под фильтрами скрываются 4 фотодиода, то в матрице Quad Bayer 4 фильтра (2 зеленых, красный и синий) накрывают 16 физических фотодиодов.
Получается, если физический размер одного пикселя в классической матрице составляет 1.4 мкм, то в матрице Quad Bayer/Tetracell он равняется 0.8 мкм. Но если мы сравним размеры по цветным фильтрам, тогда в классическом варианте будем иметь все те же 1.4 мкм (так как один фильтр имеет такой же размер, как и сам фотодиод), а в Quad Bayer получится 1.6 мкм, ведь под одним фильтром помещаются 4 фотодиода.
Сразу стоит уточнить, что название Quad Bayer принадлежит компании Sony, в то время, как Samsung зарегистрировала для ровно такого же фильтра свое название — Tetracell. Но оба эти понятия означают одно и то же. Отличаются лишь «торговые марки» технологий. Поэтому, иногда я также буду заменять одно название другим.
В чем смысл Tetracell и Quad Bayer фильтров?
Несмотря на столь незначительное на первый взгляд изменение, матрицы смартфонов получили много преимуществ от размещения 4 фотодиодов под каждым цветным фильтром.
Прежде всего, это позволило значительно улучшить динамический диапазон фотографий. Динамический диапазон — это разница между самым темным и самым светлым участком на фото. Ниже можно увидеть сравнение двух снимков, на одном из которых (слева) динамический диапазон низкий, а на втором (справа) — высокий:
К сожалению, матрица камеры на смартфоне настолько маленькая, что не способна физически запечатлеть широкий динамический диапазон. Приходится прибегать к различным уловкам, главная из которых — съемка серии кадров с разной выдержкой.
Вначале на фотодиоды падает свет в течение очень короткого времени, что позволяет камере «увидеть» все детали на самых ярких участках сцены. А затем камера делает еще одну фотографию, но с более длинной выдержкой, «собирая» больше света и тем самым раскрывая детали в тенях.
После этого, используя все кадры (которых может быть гораздо больше двух), смартфон «собирает» финальный вариант.
Технология Tetracell (Quad Bayer) позволяет расширить динамический диапазон, ограничившись всего одним кадром. Для этого половина фотодиодов под одним фильтром работает с короткой выдержкой, а вторая половина — с длинной. Получается, под каждым цветным фильтром 2 диода собирают всю информацию на ярких участках, а 2 других — на темных:
Это очень легко сделать, так как в камере смартфона нет физического затвора, который бы открывался и пропускал свет через объектив на матрицу, как это сделано в больших зеркальных камерах. Здесь же сама матрица регулирует время накопления электрического заряда на каждом фотодиоде и может выборочно «включать/выключать» фотодиоды, когда потребуется.
Помимо более широкого динамического диапазона, Tetracell матрица позволяет сократить уровень шумов. Опять-таки, когда мы имеем дело с обычной матрицей, только один фотодиод собирает информацию о яркости определенного цвета. И если этого света было очень мало, появляется цифровой шум, определить количество света становится тяжело и качество фотографии падает.
Когда же мы имеем дело с Quad Bayer (Tetracell) матрицей, у смартфона появляется 4 фотодиода для определения цвета одной точки. Ведь, напомню, под каждым цветным фильтром размещается 4 фотодиода, накапливающих заряд независимо друг от друга. Соответственно, шансы точно определить цвет одной точки увеличиваются очень сильно.
Это же касается и съемки при недостаточной освещенности. Смартфону не нужно делать несколько кадров подряд, чтобы попытаться точнее определить цвет каждой точки, сравнивая небольшие отличия на снимках. Он может просто воспользоваться информацией с четырех фотодиодов.
А как же детализация фотографий?
Действительно, среди всех преимуществ матриц с высоким разрешением, я не назвал главного — высокого разрешения и хорошей детализации.
Дело в том, что во всех упомянутых выше ситуациях, смартфон использовал по 4 фотодиода, размещенных под одним фильтром, как один большой пиксель. То есть, матрица работала в режиме объединения четырех пикселей в один. Соответственно, разрешение во всех этих случаях будет в 4 раза ниже заявленного. К примеру, 48-Мп камера будет выдавать 12-Мп фотографии, а 108-Мп камера — 27-мегапиксельные снимки.
При дебаеризации, смартфон обращается со всеми пикселями ровно так же, как и в случае использования классического фильтра Байера, только «одна точка» для него — это набор из четырех фотодиодов под одним фильтром.
Однако же, Quad Bayer и Tetracell матрицы могут работать и в режиме полного разрешения, считывая пиксели совершенно другими группами. Если посмотреть на следующую картинку, вам станет сразу все понятно:
Слева Tetracell-матрица работает в режиме объединения пикселей, выдавая разрешение в 4 раза ниже, чем заявлено производителем. Это стандартный режим работы для всех мобильных камер с высоким разрешением.
Справа мы видим совершенно другой алгоритм считывания данных с фотодиодов. Теперь камера берет по одному фотодиоду от каждого фильтра. В этом случае Tetracell-матрица будет выдавать снимки в полном разрешении.
Но использовать второй вариант есть смысл только в редких случаях при идеальном освещении. И под «идеальным» я подразумеваю не просто яркий солнечный день, а именно «среднюю» освещенность, когда в сцене нет сильных перепадов по яркости. В таких условиях практически любая Quad Bayer матрица выдаст гораздо более детализированный снимок. Мы уже приводили десятки примеров, сравнивая работу таких камер в двух режимах. Вот один из них:
Во всех остальных случаях (яркое солнце, плохо освещенная комната, вечер) лучше использовать камеру в режиме объединения пикселей, так как это позволяет получить более интересный, с художественной точки зрения, кадр.
Конечно же, матрицы камер устроены гораздо сложнее. К примеру, над каждым фотодиодом перед цветным фильтром отдельно устанавливаются микролинзы, а еще до микролинз размещается ИК-фильтр, который обрезает весь инфракрасный спектр света, чтобы минимизировать его влияние на снимок.
Если схематически изобразить всю эту конструкцию в разрезе, получим примерно следующее:
Кроме того, я совершенно ни слова не сказал о том, каким образом работает автофокус и почему так важен именно фазовый автофокус (PDAF). Что такое «двойной пиксель» (Dual Pixel) и как эта технология влияет на качество фотографий телефонных камер. Обо всем этом читайте во второй части статьи.
Если же вы хотите более детально погрузиться в то, как устроены и работают камеры смартфонов, тогда очень советую почитать мой цикл статей «Камера смартфонов для чайников«. Там вы найдете ответы на все вопросы, связанные с камерами и узнаете много всего нового и интересного.
Алексей, главный редактор Deep-Review (alexeysalo@gmail.com)
P.S. Не забудьте подписаться в Telegram на первый научно-популярный сайт о мобильных технологиях — Deep-Review, чтобы не пропустить очень интересные материалы, которые мы сейчас готовим!
Как бы вы оценили эту статью?
Нажмите на звездочку для оценки
Внизу страницы есть комментарии.
Напишите свое мнение там, чтобы его увидели все читатели!
Если Вы хотите только поставить оценку, укажите, что именно не так?