Как работает камера смартфона
Часто мобильное устройство покупается для создания фотографий и съёмки видео. Большинство пользователей обращает внимание на количество мегапикселей и число модулей на тыльной панели. На https://elmir.ua/cell_phones/ представлено множество гаджетов, которые снимают ничем не хуже профессиональной фотоаппаратуры.
Принцип работы и особенности фокусировки
Вместо поиска смартфона, в котором установлена камера с большим количеством мегапикселей, для начала лучше разобраться с тонкостями работы устройства. Процесс выглядит так:
— свет попадает на сенсор;
— определяется количество света, попавшего на диафрагму;
— определяется время открытия сенсора;
Все эти процессы занимают доли секунды. Проблема заключается в том, что модуль камеры, сенсор, диафрагма имеют небольшие размеры.
Существует три вида фокусировки. Самая старая из технологий – контрастная фокусировка. Такие камеры работают медленнее всего, поэтому получить чёткий снимок в движении практически невозможно. Фазовая фокусировка – более надёжный вариант, хотя и не идеальный.
Наиболее эффективная технология фокусировки – Dual Pixel. Впервые она была использована в IPhone, которые длительное время считались лучшими по качеству съёмки фото и видео.
Наиболее важные характеристики
При выборе любой камеры (в том числе и смартфона) ключевую роль играет три показателя: скорость затвора, размер диафрагмы и фокусное расстояние. Первый параметр для телефонов не важен, так как камера не имеет лепестков.
Фокусное расстояние определяет размер кадра. Чем меньше этот показатель, тем больше объектов попадает в кадр. Если используется объектив до 35 мм, то его называют широкоугольным.
Диафрагма определяет светосилу снимков. Если она открывается минимально, то на снимке все объекты (и фон также) имеют одинаковую резкость. При максимальном открытии чётким остаётся только основной объект, а все другие замыливаются. Это так называемый эффект боке, который ценят любители фотосъёмки.
Как работает камера смартфона
Если спросить каждого из нас по каким критериям он выбирает себе новый смартфон, 99 процентов пользователей, если не первым пунктом, то точно в тройке, назовут камеру.
Она действительно важна, но знаем ли мы как она работает? Попробуем разобраться!.
Наверное, в наше время людям кажется, что камеры в смартфонах должны стоить недорого из-за того, что их стало очень много.
Даже в отношении самых простых устройств вопросы «Есть в твоем новом телефоне камера?» окончательно утонули в пучине начала нашего века.
При этом, нельзя не отметить, что камеры не просто появились везде, но и стали выдавать очень хорошие снимки и достойные видео даже на относительно недорогих смартфонах.
Например, если усреднить топовые флагманы в районе отметки 100 процентов, смартфоны в районе 30 процентов будут выдавать снимки, которые при определенных условиях могут потягаться с представителями вершины смартфоностроения.
Раньше аналогичные показатели демонстрировали смартфоны, которые были примерно на уровне 60-70 процентов в этой виртуальной таблице.
Связано это не только с попытками унифицировать все и вся, но и с тем, что технологии в целом стали доступнее.
Связано это с тем, что лично я называю уплотнением технологий.
Для себя под этим термином я подразумеваю те ситуации, когда каждый следующий шаг в технологиях становится все труднее и дороже, при этом, существующие технологии становятся все более и более доступными.
В наше время это наблюдается везде — в автомобилях, в компьютерах, в смартфонах….
Из чего состоит камера смартфона?.
Возвращаясь к камере смартфона, стоит сказать, что принципиально их конструкция не отличается даже между флагманом и самым доступный устройством за пару тысяч рублей.
Вся разница будет сводиться к материалам, количеству элементов и, что важно, программному обеспечению.
За программным обеспечение также стоит процессор, так как именно он идет в авангарде вычислительной мощности всего устройства в целом.
Обычный набор информации, полученный с сенсора ничего не стоит и его надо еще обработать.
А это миллионы точек, каждую из которых надо сложить в изображение и все это за доли секунды.
В Сети несложно найти расширенные характеристики процессоров.
Не те, где нам пишут мощность и количество ядер, а действительно полные.
Среди них всегда есть такой параметр как максимальное разрешение камеры.
Становится понятно, почему на дешевые смартфоны нельзя как киллер-фичу поставить топовую камеру, доплатив за нее.
Все должно работать в связке, как и в любом компьютере.
Так же как и оптика, матрица любой камеры является основополагающим элементом качества снимка.
Ведь именно она получит тот материал, который будет передан в обработку.
Для начала разберем из чего она состоит.
Основной тип матрицы, применяемый в современных устройствах, состоит из светочувствительных элементов, собранных в блоки.
Чем больше таких элементов, тем выше разрешение и тем большую четкость снимков может обеспечить камера.
Конечно, есть некоторые факторы, которые сводят к нулю ценность большого количества этих элементов.
Это может быть низкое качество сборки, плохая оптика или желание сделать матрицу меньше при сохранении на ней прежнего количества светочувствительных элементов.
Эти фильтры пропускают только красный (Red), зеленый (Green) и синий (Blue) цвет.
Поэтому система и называется RGB.
Если на элемент не попадает свет определенного цвета, то он попадает на соседний.
В этом и заключается принцип определения цвета снимка, так камера и понимает, какого цвета, или оттенка, должна быть точка.
Собрав несколько миллионов таких точек (мегапикселей) воедино, процессор обрабатывает их и собирает в готовое изображение.
Многие пренебрегают таким показателем как размер светочувствительной ячейки, который очень сильно влияет на итоговое качество изображения.
Да, размер ячеек выражается в микронах и разница в несколько десятых долей микрона может казаться очень несущественной.
Тем не менее, чем больше размер пикселя, тем лучше.
А оценивать их надо с точки зрения пропорций.
То есть, 1,14 микрона на 15 процентов больше чем 1 микрон.
Также на качество снимка влияет и расстояние между пикселями.
Если пиксели будут очень маленькими и «напиханы» очень плотно, камера может иметь сколь угодно большое разрешение, но снимки будут плохими и с большим количеством шумов.
Все это является объяснением того, почему многие производители до сих пор держатся за разрешение камер в 12 или 16 Мп.
У них есть ряд преимуществ перед камерами с разрешением 48 Мп.
При равном физическом размере сенсора, качество будет хуже из-за большого количества помех.
При этом, слабая оптика и последствия цифрового удаления этих шумов могут свести к нулю полезность лишних мегапикселей.
Детализация в этом случае не будет лучше чем у более «скромных» матриц.
Идеальная отработка камеры, это когда при максимальном увеличении вы начинаете видеть реальные квадратики пикселей, а не замыленность.
Но в смартфонах такого все равно не бывает.
Объектив камеры смартфона.
Допустим, у нас есть отличный сенсор с шикарными характеристиками и минимальным количеством помех, но от окружающего мира его отделяет стекло плохого качества.
Утрируем и скажем, что оно мутное.
Думаю, не стоит объяснять, что в этом случае о хороших снимках говорить не стоит.
На таком, немного грубом примере, можно понять ценность хорошей (и чистой) оптики для камеры.
Объектив камеры смартфона не зря называется именно так.
Это именно объектив, как и в случае с зеркальными камерами, просто очень маленький.
В конструкции объектива смартфона применяется несколько линз.
Точное число зависит от конкретного производителя, но их может быть 4, 5, 7, 8 и даже больше.
Каждая линза выполняется из специального пластика или не менее специального стекла.
Каждая из них собирает пучок света так, чтобы он равномерно попадал на рабочую часть матрицы.
Малейшее смещение одной линзы на тысячные доли миллиметра может привести к полной неприемлемости качества снимков.
Важным критерием объектива будет его светосила или диафрагменное число.
При выборе смартфона, если вам важна камера, надо выбирать тот, в котором цифра будет меньше, например, f/1,75 и ниже.
Это будет существенно лучше, чем f/2.0, f/2.2 и более.
Тут все просто — чем меньше значение, тем выше светосила и тем лучше камера снимает при слабом освещении.
Еще одним важным показателем будет фокусное расстояние, но сейчас это уже потеряло актуальность для камер смартфонов.
Все современные смартфоны оснащены камерами, которые отлично работают почти на любых расстояниях от объекта съемки.
Тем более, в последнее время камеры стали оснащаться несколькими модулями, дополняя функции основной камеры функциями телеобъектива (аналог оптического зума) или, наоборот, давая возможность снимать панорамы.
В большинстве смартфонов снаружи вся конструкция прикрыта сапфировым стеклом или другими прочными составами.
Ведь малейшая царапина на стекле может навсегда лишить камеру возможности делать хорошие снимки.
На заре создания камер для мобильных устройств они не оснащались автофокусом.
Четкость снимков достигалась за счет достаточно большой глубины резкости.
Это позволяло не задумывать о том как сделать снимок большой панорамы — все было в фокусе.
Конечно, это имело ряд минусов и пришло время новых решений.
Современные системы автофокуса (не только для смартфона) можно разделить на три основных типа.
Первым является контрастный.
Суть его работы сводится к поиску оптимального контраста снимка, чтобы сделать резким все изображение или какую-то его часть, выбранную пользователем.
Для такой системы не важно, на каком расстоянии находится объект съемки.
Второй тип автофокуса получил название лазерный.
Он работает только на небольших дистанциях и совмещается с другими системами для более полного охвата диапазона расстояний.
Он способен определять расстояние до объекта и за счет этого подстраивать под него настройки фокуса.
Третий тип автофокуса называется фазовым.
Для его реализации предусмотрены дополнительные датчики, которые позволяют камере получить больше данных для настройки фокуса.
Наиболее продвинутые смартфоны способны на ходу объединять работу разных способов фокусировки и даже обеспечивать непрерывную автофокусировку, подстраиваются под изменение положения объекта.
Система стабилизации изображения.
Цифровой способ стабилизации имеет ряд минусов,главным из которых является обрезка краев изображения.
Чтобы избежать такого воздействия, в наиболее продвинутые смартфоны внедряют камеры с оптической стабилизацией.
Для этого модуль камеры оснащается специальным механизмом, который ориентируясь на показания гироскопа, подстраивает оптику так, чтобы изображение, попадающее на матрицу не менялось.
Как внешние трехосевые подвесы такая система работать не может, но небольшую тряску убрать способна.
Зачастую, в дорогих смартфонах эти система объединяются и позволяют еще лучше стабилизировать картинку.
Автоматический баланс белого.
Наверняка вы видели снимки с неправильным балансом белого.
Их особенностью является ярко выраженное смещение оттенков снимка или клипа в сторону синих (холодных) или желтых (теплых) оттенков.
Настроить цветовую температуру можно вручную, но для автоматического определения в камере есть датчик баланса белого.
Любой тип освещения имеет свою цветовую температуру, и, попадая на объект, он отражается по-разному.
Человеческий глаз воспринимает это нормально и может подстраиваться, но камере работать с такими изменениями трудно.
От этого и возникают проблемы.
Если опыта в настройке такого параметра мало, лучше доверять это автоматике.
Количество модулей камеры.
В наше время смартфоны с одним модулем камеры выпускают только очень уверенные в себе производители.
Даже бюджетники выпускают камеры минимум с двумя модулями.
Кроме тех, кто делает камеры Dual Camera Design.
Была такая на одной из моделей Jinga.
Второй модуль, без преувеличения, нужен был там чисто для красоты.
Он был просто нарисован.
В наличии нескольких модулей есть множество плюсов.
Самый очевидный из них в том, что они могут иметь разные настройки фокусного расстояния.
То есть, можно снимать как с разными объективами и выбирать между панорамой, зумом и обычным фокусным расстоянием.
Это может очень пригодиться, но сильно удорожает конструкцию., так как требуется уже не одна камера, а несколько.
Отчасти поэтому, многие производители ставят в дополнительные модули более простые матрицы и экономят на оптической стабилизации.
Как выбрать хорошую камеру?.
Как видим, камера современного смартфона не так проста, как кажется.
Она состоит из матрицы с десятками миллионов светочувствительных элементов, информация с которых обрабатывается отдельно, нескольких идеально подогнанных друг под друга линз, миниатюрных приводов и датчиков.
Все это делает ее чуть ли не самым сложным элементом смартфона.
Но она постоянно развивается, ведь ни для кого не секрет, что при покупке смартфона мы далеко не в последнюю очередь обращаем внимание на то, как он может фотографировать.
Однозначного ответа на вопрос как купить хорошую камеру нет.
Мало того, что понятие хорошего для всех разное, так еще и у такого понятия как совершенство нет предела.
Хорошая камера стоит дорого — это можно сказать точно.
Другой вопрос в том, стоит ли переплачивать в два раза за незначительную прибавку в качестве? Тут уже каждый решит для себя сам.
Как смартфоны обрабатывают фотографии? Разбор
Берем современный смартфон. Открываем камеру. Фотографируем. И сразу получаем хороший снимок. Вообще ничего не настраивая, вообще не задумываясь, а справится ли эта камера!
Сырой снимок, до обработки всеми алгоритмами, выглядит довольно серо и уныло. Но мы получаем яркий, насыщенный кадр.
Но как мы дошли до жизни чудесной такой, что современные смартфоны делают такие крутые снимки, как по волшебству? Но это не волшебство…
Сегодня мы поговорим про шесть этапов, которые проходит цифровая фотография прежде, чем превратиться в шедевр в памяти вашего смартфона.
1. Фотоны света
Итак, первый этап. Свет проходит через объектив и попадает на матрицу. И дальше начинается магия… В нашем случае магия будет происходить на флагмане Samsung Galaxy S20 Fan Edition.
Мы знаем, что матрица состоит из миллионов пикселей. В данном случае — 12 Мп. Тут тройная камера: широкоугольная, сверхширокоугольная и трехкратный зум.
Но мы сперва поговорим про основную, на которую делается большинство снимков. Итак, каждый пиксель, в свою очередь, состоит из множества деталей, но главная из них — фотодиод. Задача этой штуки улавливать фотоны света и преобразовывать их в электричество. Как он это делает?
Смотрите, фотодиод состоит из кремния. А кремний — это материал с интересными свойствами. Например, если подать на него ток, он становится чувствительным к электромагнитному излучению в диапазоне от 400 до 1100 нм. А это как раз, перекрывает видимый человеком спектр излучения. Мы видим длину волны от 380 до 740 нм, а кремний от 400 до 1100 нм. Получается, что кремний видит практически то же самое что и мы, плюс немного инфракрасного излучения.
Но что значит, видит? Поясняю, когда фотоны света попадают на фотодиод: фотон, проникший внутрь кремния выбивает электрон, который проваливается в так называемую, потенциальную яму или ловушку для электронов.
Дальше, подсчитав количество электронов в этой ловушке мы можем понять сколько света попало на пиксель. А значит мы можем определить яркость пикселя. Например, если фотонов попало мало, значит пиксель будет черным, а если много значит белым.
И вот тут есть важный момент. На данном этапе для матрицы важно не растерять ни один фотон света. Чем больше фотонов преобразуется в электроны тем эффективнее работает матрица.
И положа руку на сердце, еще года 3 назад, матрицы были не особо эффективны. Где-то на 10 фотонов вырабатывалось 4-6 электронов. Этот показатель называется квантовой эффективностью и раньше она была 40-60%.
Почему так происходило? В основном, просто потому, что фотоны просто не попадали на фотодиод. Даже несмотря на то что над каждым пикселем уже давно ставят специальные микролинзы, которые фокусируют свет в центр пикселя. Всё равно много фотонов переотражалось и терялось или того хуже попадало на соседний пиксель, из-за чего падала эффективность и появлялись перекрестные помехи.
Эту проблему решила компания Samsung, представив технологию ISOCELL Plus. По сути, это технология изолированных ячеек. Они со всех сторон пикселя нарастили тонкие стенки, которые полностью изолируют один пиксель от другого.
Также Samsung увеличили сами пиксели, но не вширь, пиксели даже стали ближе располагаться друг к другу. При этом увеличилась глубина и соответственно его объём, что увеличило емкость потенциальной ямы. Тем самым повысился динамический диапазон.
Всё это позволило увеличить долю работающих фотонов (это называется квантовой эффективностью) пикселя до 120%. Это значит, что один фотон света возбуждает больше одного электрона. Отсюда потрясающая светочувствительность матриц ISOCELL Plus.
К примеру, вот Galaxy S20 Fan Edition, тут стоит на мой взгляд, самый оптимальный сенсор от Samsung — Samsung S5K2LD.
Почему самый оптимальный. Ну смотрите, во-первых разрешение — 12 МП, а больше и не надо. Это ISOCELL Plus. И главное, размер пикселя тут 1.8 мкм! А это очень много…
2. RAW
Окей, теперь этап номер два. После того как мы собрали электроны в потенциальной яме, нам надо их подсчитать и оцифровать. То есть собрать все сырые данные… Они собираются в файл RAW. Такие файлы любят все профессионалы или просто увлеченные фотографы.
Дело в том, что RAW файлами можно манипулировать как тебе вздумается. Можно поправить баланс белого, вытягивать тени, и даже яркие участки, если повезло. Можно играться с шумоподавлением и прочее.
Раньше такой формат был доступен только на больших цифровых фотиках. А теперь в тех же смартфонах Samsung можно фотографировать в RAW в ручном режиме камеры. Также в этом режиме можно выставлять экспозицию, выдержку, всё как вы любите. И отредактировать в мобильном редакторе.
3. Дебайеризация
Третий этап — дебайеризация. Чо это такое?
Мы помним, что кремний реагирует на достаточно широкий спектр света. Но при этом он не различает цвета. Поэтому, чтобы получить цветное изображение на матрицу накладывается сетка цветовых фильтров. Наиболее распространённый вариант компоновки такой сетки — это RGB фильтр Байера: где на каждый синий и красный сектор приходятся два зеленых. Это кстати интересная особенность восприятия нами изображения.
В итоге, при фильтрации света таким образом, на выходе мы получаем мозаику из красных зеленых и синих пикселей с массой пустых областей.
И вот, для того чтобы восстановить полноценное цветное изображение, нам нужно заполнить отсутствующие данные в каждом канале цвета, например при помощи усреднения значений соседних пикселей, в которых есть данные. Этот процесс называется дебайеризацией.
Раньше этот этап был достаточно прямолинейным. Но после появления технологии ISOCELL и подобных производители научились делать очень маленькие пиксели меньше размером, то есть всего меньше одного микрона. И они стали объединять четыре пикселя, такие матрицы называются TetraCell, или даже девять пикселей — это Nonacell — под одним цветовым фильтром. Как в S20 Ultra например.
Это позволило при недостаточном освещении объединять пиксели и получать один суперпиксель, состоящий из четырёх или девяти пикселей. А днем наоборот можно снимать в полном разрешении используя обратный алгоритм дебайеризации.
В этом смартфоне, все основные модули имеют обычную Quad Bayer структуру, а вот фронтальная камера — TetraCell. Потому можно выбирать какой селфи вы хотите сделать — на 8 или на 32 МП.
И вот мы склеили цветной снимок. Думаете на этом все обработки заканчиваются. Нет? они только начинаются. Дальше, для того чтобы повысить динамический диапазон снимка и снизить шум, в бой вступают алгоритмы HDR. Традиционно, есть два способа получения HDR снимка — это либо Image Stacking, либо Image Bracketing. Что это такое?
Image Stacking — это когда делается несколько одинаковых снимков подряд, а потом они склеиваются попиксельно усредняя значение каждого пикселя. Зачем склеивать одинаковые снимки, спросите вы? Всё просто — такой способ позволяет сильно уменьшить шум на фотографии, а также сделать снимок более насыщенным, ведь при усреднении информация о цвете тоже дополняется. А уже после такой манипуляции можно программно поднять тени, чуть-чуть восстановить света и HDR снимок готов.
Но есть другой вариант — Image Bracketing. Или на фото жаргоне — вилка по экспозиции. Тут уже делается как минимум 3 снимка, один нормальный, один переэкспонированный, чтобы там были видны детали в тенях, и один недоэкспонированный, чтобы не было засветов. А потом всё это сшивается как Франкенштейн.
В итоге, получаем широченный динамический диапазон и насыщенные цвета, но могут возникнуть артефакты типа гоустинга. Samsung, судя по всему, использует комбинированный алгоритм, потому что видны преимущества обоих алгоритмов. При этом HDR работает вообще на всех камерах, включая сверхширокоугольную камеру и фронтальную камеру.
5. Сегментация и NPU
И вот, у нас получается практически идеальный снимок. И пару лет назад склейка HDR была бы последним этапом. Но, когда в смартфоны стали встраивать нейропроцессоры, всё поменялось. И появился пятый этап — нейронная обработка.
Еще до того, как вы нажали на кнопку снять, всё что вы видите на экране так же попадает на дознание в нейропроцессор, который распознает объекты и сцены. И его смысл в том, чтобы работать гибко и помогать камере выбрать идеальные параметры.
Возможности машинного обучения нейропроцессора (NPU) внутри Exynos автоматически обнаруживают объекты в сцене, позволяя процессору обработки изображений (ISP) генерировать и применять определенные параметры съемки, адаптированные к конкретному объекту, благодаря чему качество кадра повышается. В зависимости от того какую сцену или объект он распознал заранее будет подправлены параметры съемки. Если в кадре быстро пробегает собака, камера снизит выдержку, чтобы объект не смазался. Если вы фотографируете человека NPU в процессоре Exynos автоматически подкорректирует баланс белого, чтобы получить идеальный тон кожи, а экспозиция подстроится под лицо. А после того как снимок сделан, NPU сегментирует изображение, чтобы добиться оптимального контраста и текстуры для разных объектов. И всё это происходит в доли секунды благодаря плотной интеграции центрального процессора, ISP и NPU.
Например, при помощи процессора Exynos смартфоны могут не только делать фото с размытым фоном но и видео, в режиме реального времени. Также, в зависимости от того на какой объектив было снято изображение, могут появиться дополнительные этапы обработки — вроде исправления искажения на сверхширокоугольном объективе.
А при тридцатикратном зуме, который умеет делать этот смартфон, подключается алгоритмы апскейлинга.
6. Склейка и сохранение финального JPEG
И уже после всего это сложного процесса обработок идет сохранение игрового JPEG. И всё это происходит мгновенно!
Но поражает не это, а то что сейчас смартфоны стали настолько мощными, что научились одновременно мгновенно склеивать не просто один супер HDR-снимок. А то что теперь они это делают со всех камер одновременно.
Например, во флагманах Samsung, есть функция Мультикадр, которая позволят один раз нажать на кнопку и одновременно все камеры сделают несколько снимков и даже снимут несколько видео, а потом нейронка всё нарежет, кадрирует, и даже стабилизирует видео.
Кстати, в смартфонах есть ещё режим стабилизации видео — Super Steady — вообще какая-то дикая фича.
Работа камеры в смартфоне
Что такое хорошая камера в смартфоне? Разумеется, камера смартфона не сравнится с зеркальным фотоаппаратом по качеству снимков. Хотя есть пользователи, которые утверждают обратное, но там скорее подразумевается удобство использования. И все-таки хорошая камера в телефоне может заменить фотоаппарат во многих случаях .
В приведенных ситуациях обычно много света, гости готовы к съемке.
Но для получения качественных снимков, например, портретов, макросъемки, движущихся объектов (гонки, водопады), фото в условиях плохой освещенности (ночью, в помещении) все же смартфона и не хватает . Вот здесь фотографы с зеркалкой и получают заметное преимущество .
Так и проигрывают смартфоны, ведь их размеры не позволяют увеличить и камеры. А зеркалки имеют больши́е физические размеры, поэтому и в качестве они выигрывают.
И все же, в последние годы технологии шагнули так далеко, что даже при маленьких размерах производители смартфонов умудряются установить качественные камеры, которыми можно уже снимать даже художественные фото. Применяются различные датчики фокусировки, лазерные дальномеры, оптический зум, стабилизация и др.
Матрица
Сразу можно сказать, что количество пикселей в камере не говорит о ее качестве . Пиксели стоят в матрице и собирают входящий свет для формирования снимков. Так вот, чем больше размер пикселя, тем больше света он соберет, и тем меньше цифровые шумы. Но чем больше размер пикселя, тем меньше их количество на одной матрице. Так должно быть в качественной матрице.
И если в зеркальном фотоаппарате размеры матрицы около дюйма, то и количество мегапикселей большое. Но в смартфоне маленькие матрицы и как там работает столько пикселей? Но и тут производители нашли решение, увеличив количество самих камер на смартфоне до двух, а то и до трех.
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.
Основные параметры матрицы, которые вы можете встретить в описании:
- ISO, может принимать значение в несколько тысяч . Чувствительность матрицы (ISO) отвечает за яркость фотоснимка, нужно добиться такого результата, чтобы было полное совпадение с реальностью по освещенности. ISO в камерах смартфона обычно не регулируется, но современные дорогие телефоны дают такую возможность. Лучше работать при минимальном ISO, а увеличивать его при плохой освещенности. Большие значения чувстительности приводят к появлению цифровых шумов на снимке.
- Площадь всей матрицы . Чем больше размеры матрицы, тем лучше. Очень важный показатель. При большой матрице меньше цифровых шумов, больший диапазон регулировки ISO.
- Диагональ матрицы в дюймах . Обычно размер диагонали характеризует и размер всей матрицы.
Что касается ISO, так это часть настройки экспозиции. Экспозиция один из самых важных параметров для фотографа. Умение ее настраивать — это признак профессионализма. Еще там участвует диафрагма (характеристика объектива) и выдержка. В общем, это целая наука, хорошо, что в смартфоне все это устанавливается в автоматическом режиме. Поэтому мы и не будем дальше разбираться в теории по этим вопросам.
Объектив
Объектив в камере отвечает за угол обзора, за четкость, фокусировку, фокусное расстояние. От объектива в большой степени зависит качество снимка. Объективы в камере имеют несколько линз, обычно они пластмассовые, реже из стекла. От качества линз зависит и качество фоток.
Объектив формирует ту картинку, которая подается на матрицу. Нужно добиться как можно меньше искажений при максимальном качестве снимка.
Самые важные характеристики объективов — это фокусное расстояние и диафрагма.
Что касается фокусного расстояния, так сегодня в телефонных камерах используется фиксированное фокусное расстояние . Только некоторые модели имеют оптический зум, для изменения фокусного расстояния. Но этот оптический зум небольшой, около 2—3.
Зум в основном используют для приближения объекта съемки, не подходя к нему. Цифровой зум использует кадр, который есть на матрице. Регулируя размеры кадра (движение пальцев навстречу или в разные стороны по экрану смартфона), мы можем увеличить нужный объект при включенной камере. Для хорошей работы цифрового зума нужна матрица с большим количеством пикселей и хорошая программная реализация. Все это доступно на дорогих моделях телефонов.
При фиксированном фокусном расстоянии используются широкоугольные объективы из-за маленькой по размерам матрицы . Тогда в кадр попадает много объектов. Из-за желания вместить много в кадр, на фронтальные камеры часто ставят сверхширокоугольные объективы, из-за чего образуются геометрические искажения на селфи .
Диафрагма характеризует размер отверстия, через которое свет попадает на матрицу. Чем больше это отверстие, тем лучше для снимков. Обозначается диафрагма как буква f и рядом число. Например, f1.8 или f/1.8, это равнозначные записи. Так вот, чем меньше это число, тем больше отверстие и тем лучше.
Ниже на рисунке вы видите, как обозначение диафрагмы соответствует реальному размеру диафрагмы в объективе.
Это объектив фотоаппарата, но такая картина справедлива и для смартфонов
От диафрагмы, размера матрицы и фокусного расстояния зависит, насколько возможно размыть фон ( эффект «боке» ) при съемке объекта , особенно это используют при съемке портретов. Так вот в смартфоне из-за маленьких размеров реализовать этот эффект невозможно. На некоторых телефонах этого достигают программным путем с помощью применения второй камеры.
Вот в итоге мы и получили, что количество мегапикселей не совсем тот параметр, который влияет на качество снимков. Намного важнее знать модель матрицы, насколько качественна оптика, есть ли ручные настройки. Если вручную установить ISO на значение 100 и установить смартфон на штатив, то могут и ночью получиться хорошие фотоснимки.
Автофокус
Автофокус настраивает камеру так, чтобы изображение на снимке было четким и с хорошей резкостью . Если камера без автофокуса, то снимать можно только с расстояния и навестись на объект вблизи не получится.
Схема работы автофокуса при любом методе
Фокусировка по контрасту
Фокусировка для хорошего результата должна знать расстояние до объекта, и тогда используются специальные датчики для замера расстояния. Без таких датчиков фокусировка работает по контрасту на изображении, она так и называется «контрастной» . Из-за своей дешевизны именно контрастная фокусировка и используется в большинстве камер смартфонов.
Недостатками контрастной фокусировки являются :
- Для получения контраста линзы двигаются в объективе, давая разные результаты для сравнения. Это занимает время .
- Лучше, чтобы объекты съемки были неподвижны .
- Если нет контрастных объектов (плохое освещение, плохая погода) может выдавать ошибки .
График работы контрастного автофокуса
Фазовая фокусировка
А вот активная фокусировка определяет расстояние до объекта, используя датчики, что позволяет быстрее и точнее настроить резкость.
Эта система работает быстро, способна фокусироваться на быстро движущихся объектах . Но нужна хорошая видимость.
Передовые производители усовершенствовали данную систему. Apple создали технологию Focus Pixels , которая основана на фазовой фокусировке и может использовать на матрице до 10% пикселей в качестве датчиков.
А в Samsung используют Dual Pixel , эта система может уже использовать все пиксели на матрице для автофокуса. Вслед за Samsung технологию Dual Pixel стали использовать и другие производители смартфонов, например, HTC, Honor и Google Pixel.
Как вы поняли, улучшение фазовой системы автофокуса происходит за счет увеличения датчиков на матрице.
Лазерная фокусировка
Лазерная фокусировка использует лазер от специального излучателя, расположенного рядом с объективом. Отраженный луч фиксируется датчиком и высчитывается расстояние до объекта. Очень точная фокусировка, но ограничена расстоянием до 3—5 метров, лазерный луч дальше уже очень рассеивается и система дает ошибки. На больших расстояниях включаются системы фазового или контрастного автофокуса.
До 2015 года основным методом автофокуса был контрастный. Уже с моделей Galaxy S5 и iPhone 6 был использован метод определения фазы.
Стабилизация изображения
Как при фотосъемке так и при съемке видео, камера должна быть неподвижной для получения четкого снимка. Но незначительные колебания камеры всегда присутствуют, если нет штатива. Держа телефон в руках, всегда будет присутствовать тряска , на глаз не очень заметная, а на фото будут смазаны края объектов.
Оптическая стабилизация (OIS) работает с линзами объектива , смещая их в противоположную сторону от движения камеры при тряске. Оптическая стабилизация считается лучшей, но она и дороже.
Программные методы борьбы с тряской рук используют матрицу . Вернее, часть матрицы, съемка ведется только центральной частью матрицы, а края зарезервированы цифровой системой стабилизации (EIS). Если, например, происходит небольшая тряска рук и изображение объекта смещается на сенсоре, то электроника смещает весь кадр по матрице относительно центра и создается впечатление, что изображение неподвижно.
Цифровая стабилизация используется часто для фотосъемки и всегда для видеосъемки. Она показывает неплохие результаты.
Стабилизация с помощью OIS или EIS дает приемлемые результаты только при небольшой тряске, в пределах нескольких миллиметров.
Ниже на рисунке показан принцип работы оптической стабилизации методом сдвига линзы в объективе или матрицы.
Когда говорят о 4-х осевой стабилизации, то подразумевается смещение блока линз по осям вверх-вниз, влево-вправо, и двум осям вращения: вертикальной и горизонтальной.
4-осевая оптическая стабилизация
Как работает двойная камера
В последние 2-3 года для расширения возможностей фотокамеры на смартфоне стали применять двойные и тройные камеры . Этим достигаются различные эффекты, нет единого предназначения для дополнительной камеры , каждый производитель использует ее по-своему.
Создать фотокамеру, ограниченную размерами смартфона и способную изменять диафрагму и фокусное расстояние (ФР) не получается. А изменять ФР и диафрагму нужно для получения художественных фотографий, да просто эти параметры расширяют возможности съемки.
Вот тогда и пришли к такому решению, как использование второй камеры для съемки. Разрешение в пикселях для дополнительной камеры может быть небольшим для получения хороших результатов. У первых смартфонов, использующих вторую камеру для изменения фокусного расстояния и диафрагмы, ее разрешение было 2 Мп.
С помощью дополнительной камеры можно сделать размытый фон на фото, улучшить резкость на снимке, получить разный зум (телеобъектив или широкоугольный). Плохо, что одна вспомогательная камера может делать только один из этих эффектов.
Создаем размытый фон
Работают две камеры в таких системах на принципе стереоэффекта , они делают снимки с разной глубиной резкости (фокус на объектах с разным расстоянием до камеры) и затем идет постобработка, где объединяются эти снимки и получается фотка с размытым фоном .
Монохром и резкость
Всегда на монохромных снимках резкость объектов получалась лучше, это происходит за счет отсутствия цветного фильтра. Когда ставят на смартфон одну цветную камеру, а другую — монохромную, то добиваются большей резкости на цветных снимках . Это также позволяет сделать художественные фото с размытым фоном в черно-белом качестве.
Другие возможности
Вторую камеру на смартфоне можно использовать для получения широкоугольных снимков . При такой съемке много объектов попадает в кадр, например, это нужно при фотографировании большой компании людей или пейзажа. Для реализации этого эффекта в телефон ставят одну обычную камеру с нормальным фокусным расстоянием и вторую широкоугольную с малым фокусным расстоянием.
Противоположный эффект от второй камеры реализовала компания Apple в своем iPhone 7 Plus. Здесь наоборот, вторая камера имеет большее фокусное расстояние от основной. Это уже получается телеобъектив . Но зато можно легко реализовать двукратный зум без потери разрешения снимка.
Если в фотовспышке используется два светодиода, то у них разная цветовая температура и в результате можно получить естественный цветовой баланс.
Выводы
Для получения разных возможностей блока камер на смартфоне нужно дополнять основную камеру разными дополнительными. Получается, что покупателю нужно разбираться в том, какие эффекты дают разные камеры, в каких моделях смартфонов это реализовано. Производители идут навстречу покупателям и объединяют разные эффекты в одном телефоне . Для этого уже есть смартфоны с тремя камерами.
Что в итоге останется с этих двойных камер, а что уйдет с рынка, еще предстоит выяснить, покупатель сделает свой выбор, нужно только подождать.