Анатомия камеры смартфона. Часть 1
Камеры смартфонов за последнее время совершили большой рывок вперёд. Многие девайсы позволяют делать снимки ночью без штатива с недосягаемым ранее качеством, вручную регулировать выдержку, ISO и другие параметры, а некоторые даже снимают в формате RAW. Но что именно определяет техническое качество фотографий? Наверняка многие сразу вспомнят про пресловутые мегапиксели - и будут правы. Но лишь отчасти. Сегодня мы начнём рассказ из двух частей, почему старая формула «больше мегапикселей - лучше» работает не всегда, и разберёмся в устройстве основных элементов камеры смартфона.
Общее устройство камеры
Камера смартфона со стороны выглядит как пластмассовый «глазок», но на деле представляет собой сложную многокомпонентную систему. В её основе - матрица и объектив. Кроме них в устройствах часто присутствует непростая механика для стабилизации и автофокуса, лазерные дальномеры, RGB-датчики и разные виды вспышек. Затвор в смартфонах электронный, а не механический, и поэтому любимый многими олдфагами «щелчок» приходится озвучивать динамику гаджета.
За общее качество фотографий в широком смысле (цвет, детализация, динамический диапазон и т.п.) в наибольшей степени отвечает модель установленной в смартфон матрицы и сопряжённая с ней система линз. От матрицы зависит разрешение снимков и количество шума на ночных фотографиях. От характеристик объектива - угол обзора, а также резкость и другие параметры получаемой картинки. В свою очередь, технологией используемой в смартфоне автофокусировки обусловливаются скорость и точность наводки на резкость. Особенно это критично для исключения осечек в ночное время при фотографировании движущихся объектов.
Матрица: принцип работы
Если в старом «Зените» изображение фиксировала светочувствительная плёнка, то в цифровой камере вместо неё «заряжена» матрица. Называется этот компонент так, потому что представляет собой прямоугольный элемент с расположенными на ней миллионами крошечных светочувствительных диодов.
Сами по себе эти фотоприёмники не «различают» цвета, поэтому накрываются светофильтром одного из первичных цветов: красного, зелёного, синего (цветовая модель RGB). Таким образом, световой поток сначала проходит через объектив, потом просвечивает через массив цветных фильтров (обычно фильтр Байера), а только потом достигает фотоприёмников.
Каждый светочувствительный элемент воспринимает ⅓ цветовой информации, а ⅔ отсекаются фильтром. Недостающая информация о цвете «добывается» из соседних светочувствительных ячеек. После этого процессор рассчитывает данные о цвете на основании показаний окружающих ячеек и только после этого формирует конечное значение цветного пикселя. То есть в формировании одного пикселя участвуют несколько фотодиодов матрицы. Все эти элементы настолько малы, что видны лишь под микроскопом. Миллион таких пикселей составляют один мегапиксель. Соответственно, чем больше мегапикселей, тем более детализированным (состоящим из большего количества точек) будет конечный файл изображения.
Исторически одной из лучших по качеству считалась CCD-технология, но по ряду причин большую долю на рынке захватила технология CMOS. В смартфонах также используются разновидности CMOS-технологии. Этот тип матриц обладает рядом особенностей, наиболее важных для мобильных гаджетов: CMOS-матрицы имеют низкое энергопотребление, позволяют размещать усилители внутри пикселя (что улучшает качество при плохом освещении), более дёшевы в производстве, обеспечивают высокую скорость работы при формировании изображения и при визировании в реальном времени.
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.
ASUS ZenFone 3: размер пикселя на фотосенсоре - 1,12 микрона
Apple iPhone 7: размер пикселя на фотосенсоре - 1,22 микрона
Huawei Honor 8: размер пикселя на фотосенсоре - 1,25 микрона
Samsung Galaxy S7: размер пикселя на фотосенсоре - 1,4 микрона
Матрица: изоляция пикселей
В условиях физических ограничений производители направили усилия на улучшение качества изображения за счёт новых технологий. Так что большое количество мегапикселей не всегда плохо - современные матрицы с применёнными технологиями изоляции друг от друга пикселей, качественной системой линз и хорошей программной оптимизацией вполне способны и приемлемо фотографировать ночью, и выдавать детализированные снимки при ярком солнечном свете. Кроме того, та же «мегапиксельность» может быть полезна для съёмки видео. Часто именно такие матрицы позволяют производить съёмку в 4K с высоким fps и обеспечивают «запас» по разрешению, позволяющий качественно реализовать цифровое зумирование и цифровую стабилизацию.
Матрицы CMOS реализуются по-разному у разных производителей и постоянно дополняются всякими «технологиями», призванными бороться с характерными для данного класса устройств проблемами. Так, в огромном количестве смартфонов применяются традиционные сенсоры с технологией обратной засветки (BSI), которая позволяет снизить количество шума по сравнению с обычной CMOS-матрицей при съёмке ночью. Существуют и матрицы с названием ISOCELL - это доработанная компанией Samsung технология BSI. По сути такие сенсоры - всё те же CMOS-матрицы, но в них каждый пиксель дополнительно изолирован от соседнего, чтобы также уменьшить шумы при ночной съёмке и улучшить цветопередачу на фотографиях, сделанных при плохом освещении.
Матрицы Exmor RS у компании Sony примечательны многоярусной структурой - электронная «обвязка» пикселя находится под ним, а не рядом с ним. На таких сенсорах элементы на имеющейся площади располагаются более рационально. Также есть дополнительный белый субпиксель (схема WRGB) для увеличения яркости изображения в условиях слабой освещённости и некоторые другие особенности, помогающие производителям в создании качественных камер в смартфоне (это и скорость передачи данных на процессор, и аналог функции HDR при съёмке видео, и другие технические нюансы).
Ещё одна разновидность CMOS - матрицы с фильтром RGBC. В отличие от обычного байеровского массива (где две зелёные ячейки, одна красная и синяя), в них присутствует, грубо говоря, «прозрачный» пиксель, лучше пропускающий на сенсор всю информацию о яркости света. Эти данные затем дополнительно используются матрицей для построения изображения.
Основные игроки на рынке, производящие сегодня большинство матриц для смартфонов - OmniVision, Sony и Samsung Определить, матрица какой фирмы установлена в вашем гаджете, можно по характерным буквам в начале названия этого компонента - OVxxxx, IMXxxx и S5Kxxx соответственно. Одни из лучших матриц, которые обычно используются в дорогих смартфонах, на данный момент выпускают Sony и Samsung, хотя есть неплохие сенсоры и у OmniVision.
Объектив: фокусное расстояние, резкость и ХА
Зачастую матрицы для смартфонов поставляются производителем уже в наборе со специально подобранным объективом. Но бывает и так, что разработчик конкретного смартфона сам решает, какое «стекло» поставить перед матрицей. Это (а также алгоритмы обработки изображения) и объясняет то, что в зависимости от модели устройства одна и та же матрица может проявлять себя совершенно по-разному.
Как и в фотокамерах, в смартфонах - пусть в уменьшенном и упрощённом варианте - объектив представляет собой не просто одно стекло, а оптическую систему из группы линз, с помощью которой достигается максимальное качество картинки при минимальных искажениях.
В целом, от качества системы линз очень сильно зависит итоговое качество картинки. Например, если перед хорошей матрицей установлена откровенно плохая линза, которая просто не способна «разрешить» сенсор, то никакого повышения детализации на снимках не окажется, сколько бы ни было много мегапикселей. Файлы изображений будут огромными по размеру с формально большим количеством пикселей, но чёткости на фотографиях от этого не прибавится.
У разных объективов резкость может существенно отличаться по всему полю кадра, также зачастую присутствует проблема хроматических аберраций (ХА). Если в смартфоне хорошая оптика, то на тестовых снимках не окажется «мыла» в углах кадра, а при съёмке, например, тонких веток деревьев в контровом свете (чёрные контуры на фоне яркого неба) не будут возникать цветовые ореолы (те самые ХА).
Разумеется, важные параметры в оптике - фокусное расстояние и величина диафрагмы. На данный момент в смартфонах всегда используются широкоугольные объективы, так как маленькая матрица имеет большой кроп-фактор (отношение размера матрицы смартфона к исторически «нормальному» кадру формата 35 мм в фотографии). Скажем, сверхширокоугольный «глазок» диаметром 4 мм на смартфоне по углу обзора будет примерно соответствовать 30-миллиметровому объективу (такому, например, как объектив «Мир» на старых плёночных камерах).
В принципе, в плане фокусного расстояния среди смартфонов нет существенной разницы: почти все девайсы имеют широкоугольную оптику, позволяющую вместить много всего в кадр, не отходя от объектов съёмки слишком далеко. Некоторые смартфоны оснащены особенно широкоугольными объективами, с увеличенным до 135 градусов углом обзора. Такая оптика позволяет охватить большую сцену, но привносит нежелательные геометрические искажения. Например, чрезмерно широкий угол на фронтальных камерах искажает пропорции лица и вызывает эффект «рыбьего глаза».
Отметим также, что хотя большинство смартфонов сегодня обладает оптикой с фиксированным фокусным расстоянием, бывают модели пусть и с небольшим, но полноценным оптическим зумом.
Объектив: диафрагма
Ещё один важный параметр объектива - диафрагменное число (F). Эта величина обратна значению относительного отверстия объектива, то есть отношению «зрачка» к фокусному расстоянию объектива. То есть чем меньше диафрагменное число, тем больше отверстие. Объектив пропустит больше света, матрице придётся меньше «усиливать» сигнал. А значит, при прочих равных окажется больше возможностей делать качественные снимки ночью (когда мало света) с меньшим количеством шумов.
От диафрагменного числа также в большой степени зависит возможность получения популярного эффекта «боке» - размытия заднего плана. На степень размытия заднего фона на снимках влияет не только диафрагма, но также размер матрицы и фокусное расстояние объектива. Если коротко, то чем больше матрица и диафрагма (меньше число F), чем длиннофокуснее объектив - тем больше возможностей сильно размыть фон при съёмке более крупного объекта. На смартфонах из-за миниатюрной матрицы и широкоугольных объективов «по-настоящему» размыть фон получается только при макросъёмке мелких предметов вроде цветка, фигурки и т.п. Сфотографировать человека в полный рост или хотя бы по пояс и при этом размыть задний план под силу только камерам с крупной матрицей и портретными объективами с большой диафрагмой. В смартфонах на данный момент размытие при съёмке больших объектов достигается только с помощью «имитации» программным образом на некоторых девайсах со «сдвоенными» камерами.
С точки зрения покупателя нужно знать, что большинство камер в смартфоне имеют значение диафрагмы f/2 и f/2.2. Некоторые камеры могут похвастаться лучшим показателем - f/1.8 и f/1.7.
LG G5 SE: f/1.8
Samsung Galaxy S7: f/1.7
Вообще снимать при полностью открытой диафрагме не всегда оптимально с точки зрения детализации снимка, но на смартфонах ввиду технических особенностей она всё равно не регулируется. Так что в контексте текущего положения дел в мире смартфонов лучше выбирать аппарат с объективом с большей диафрагмой. Такие объективы при прочих равных обеспечат лучшие возможности при ночной съёмке и способны сильнее размывать «задник» при макросъёмке.
Итоги
Итак, количество мегапикселей - всего лишь один из параметров сложной системы устройства камеры. Крайне важна модель установленной матрицы и качество оптики. Кроме того, многое зависит от конкретной реализации камеры в смартфоне определённого производителя. Некоторый выигрыш в качестве способна дать поддержка ручных настроек: например, ночью можно снимать со штатива, понизив ISO до 100 (или 50 на некоторых моделях смартфонов) с большой выдержкой. Это позволит даже с не очень хорошей матрицей получить ночные снимки с меньшим количеством шума. Кроме того, часто (но не всегда) оказывается полезной поддержка съёмки в формате RAW - сохранение снимков в виде цифровых негативов, из которых уже после съёмки можно самостоятельно «выжать» максимум качества при обработке на компьютере. В любом случае, для камеры смартфона важен не какой-то отдельно взятый параметр, а совокупность технических характеристик.
В следующей части материала разберёмся с существующими в мобильных девайсах системами фокусировки и стабилизации, рассмотрим дополнительные фишки камер, разновидности вспышек, датчиков и параметры, определяющие качество съёмки видео.