В чем разница между цифровым и оптическим зумом?
Масштабирование, как и многие другие характеристики камеры, немного сложнее, чем можно представить в рекламных кампаниях. Производители смартфонов, такие как Samsung, теперь могут похвастаться 10-кратным, 50-кратным или даже 100- кратным увеличением. Но возможно ли это вообще? Давайте посмотрим на разницу между оптическим и цифровым зумом.
Что на самом деле означает масштабирование?
Что такое зум и что значит 5x или 10x? С точки зрения оптической физики, не так много, потому что зума не существует.
Увеличение объектива (насколько объектив увеличивает удаленные объекты) зависит от его фокусного расстояния и результирующего поля зрения. Объектив с большим фокусным расстоянием (по сравнению с размером датчика изображения ) имеет меньшее поле зрения. Это заставляет далекие объекты казаться ближе, чем через объектив с более коротким фокусным расстоянием.
Существует достаточно факторов, чтобы линзы не продавались в зависимости от того, насколько они увеличивают объекты; скорее они продаются на основе их фокусного расстояния.
Масштабирование в том виде, в котором мы его используем сейчас, — это маркетинговая концепция, популяризируемая компактными камерами. Первоначально это было соотношение между самым коротким и самым длинным фокусным расстоянием объектива. Итак, объектив 10-100 мм имел 10-кратный зум, а объектив 25-100 мм имел 4-кратный зум. Это означало, что объектив с 10-кратным зумом не обязательно увеличивал изображение в 10 раз.
Однако производители смартфонов используют зум несколько иначе. Увеличение 1x широко принято в качестве поля зрения основной камеры. Смартфоны, такие как iPhone 11 Pro, добавляют еще более широкий объектив и называют это 0,5-кратным зумом, вместо того, чтобы сбрасывать 1x до нового самого широкого угла.
В отличие от компактных камер, это означает, что вы можете ожидать в основном одинакового грубого увеличения с разными смартфонами с 10-кратным увеличением.
Все, что вам действительно нужно знать, это то, что масштабирование зависит от основного фокусного расстояния объектива и размера сенсора, а также от реальности.
Но в чем разница между оптическим и реальным увеличением (я буду продолжать использовать это слово для удобства, но на самом деле я имею в виду «видимое увеличение» или «более узкое относительное поле зрения»)?
Как работает оптический зум
Оптический зум — это когда физические свойства линзы действительно увеличивают удаленные объекты. Например, телескоп имеет оптический зум. Если вы посмотрите на Луну через одну, она будет казаться больше. Нет потери качества — объекты просто кажутся ближе.
Оптический зум обеспечивается объективами с большим фокусным расстоянием, по крайней мере, по отношению к размеру сенсора камеры. Длинный телеобъектив для цифровых зеркальных фотоаппаратов, подобных тем, которые используют спортивные фотографы на играх, имеет фокусное расстояние от 500 до 1000 мм. Вот почему они такие здоровенные.
На камерах меньшего размера фокусное расстояние может быть меньше. Компактные камеры могут получить отличный оптический зум с объективами 100 мм. Они все еще довольно большие, но намного меньше, чем телескопы, используемые на футбольных матчах.
В смартфонах производители начали использовать линзы перископа для лучшего оптического увеличения. Они смогли установить 5-кратный зум-объектив (примерно эквивалент увеличения 100-миллиметрового объектива на зеркальной фотокамере, так что неплохо) в свои флагманские телефоны, не делая их толще. Это действительно захватывающее событие.
Тем не менее, 5x еще далеко от 100x, так как же производители добиваются этого со своими заявлениями?
Как работает цифровой зум
Как мы упоминали ранее, масштабирование — понятие туманное. Цифровой зум полностью использует эту неопределенность. По сути, цифровой зум — это просто кадрирование фотографии, чтобы объекты на ней казались больше — никакой дополнительной информации об изображении не сохраняется.
Возьмите, например, снимок ниже с iPhone Xs. В этом телефоне есть 2-кратный оптический зум и 10-кратный цифровой зум. Увеличенный снимок имеет заметно меньшее разрешение.
Это проблема цифрового зума. В то время как оптический зум увеличивает без потери качества изображения, цифровой зум его уменьшает. И чем больше вы увеличиваете масштаб, тем хуже становится качество изображения.
Усилить!
Однако у цифрового зума есть немного времени. Оптический зум стоит дорого, как с точки зрения стоимости производства, так и с точки зрения компромиссов, необходимых для его добавления в смартфон. Линзы перископа — относительно новая разработка (по крайней мере, для смартфонов), так что еще предстоит кое-что выяснить.
Таким образом, производители смартфонов используют следующие приемы, чтобы улучшить цифровой зум и минимизировать потерю качества:
Однако высокие уровни цифрового увеличения невозможны без оптического увеличения. Эти безумные 50- и 100-кратные зумы возможны только потому, что они представляют собой гибрид оптического и цифрового зума. Настоящий оптический объектив выполняет часть тяжелой работы, в то время как цифровые методы обеспечивают более заметный зум.
Максимальное использование Zoom
Нынешняя ориентация на увеличение камеры в смартфонах интересна. Однако в определенный момент это становится просто глупо.
Объектив с 5-кратным или даже 10-кратным оптическим зумом открывает множество интересных возможностей съемки для людей. Это также делает специализированные камеры еще более востребованными. С таким зумом вы можете фотографировать своих детей, занимающихся спортом, диких животных в саду за домом и все остальное, к чему вы физически не можете приблизиться.
Хотя цифровой зум автоматически не является плохой вещью (особенно, когда им не злоупотребляют), у слишком большого увеличения есть некоторые недостатки. Конечно, есть потеря качества изображения, но также становится все труднее делать фотографии.
При 20-кратном или 30-кратном увеличении (что примерно эквивалентно 1000 мм на зеркальной фотокамере) вам нужно держать телефон невероятно неподвижно, чтобы сделать хороший снимок. Малейшее подергивание приведет к размытому фото, и все, что вы пытаетесь сфотографировать, выйдет за пределы кадра.
Это также при условии, что вы снимаете при хорошем освещении. При слабом освещении вам понадобится штатив для вашего смартфона, чтобы получить что-то, напоминающее резкое фото.
Похоже, производители смартфонов будут продолжать конкурировать с постоянно увеличивающимися цифрами масштабирования. Просто убедитесь, что вы всегда проверяете, что такое основной оптический зум — это действительно важно.
Оптический зум на смартфонах: что это на самом деле?
Сейчас в конспекте фотографических возможностей смартфона оптический зум все чаще становится главной маркетинговой темой для производителей телефонов. Это потому, что в прошлом камеры смартфонов могли использовать только цифровой зум, но теперь технологии сделали оптический зум реальностью.
Для тех, кто не знает разницы, это может сбить с толку, но некоторые задаются вопросом, какой девайс лучше. Особенно любители стрит фотографии.
Такой функцией снабжаются многие смартфоны 2020 начиная с среднего ценового сегмента, например Realme X3 SuperZoom или Vivo X50, в 2021 вышел неповторимый Samsung Galaxy S21 Ultra
Функция масштабирования служит для уменьшения поля зрения в кадре и увеличения объекта, представляющего интерес как объект съемки. На обычной фотокамере с зум-объективом оптический зум работает путем механического перемещения линз внутри объектива для увеличения изображения. Цифровой зум, в отличие от этого, полностью зависит от программного обеспечения.
То, что называется оптическим увеличением на смартфонах, работает по-разному, смартфоны, использующие его, как правило, делают фотографии более высокого качества при увеличении, чем те, которые используют цифровое увеличение.
Чтобы понять принцип оптического зума на смартфонах, нужно взглянуть на то, что было до него — цифровой зум.
Как работает цифровой зум?
Цифровой зум используется не только для камер смартфонов. Известно, что многие камеры типа «наведи и снимай» имеют оптическое и цифровое увеличение. Но из-за ограничений по размеру цифровой зум в основном распространен в камерах мобильных телефонов.
Строго говоря, цифровой зум на самом деле вовсе не зум, а скорее цифровое моделирование оптического зума. С цифровым зумом камера в основном обрезает изображение, а затем изменяет его размер, чтобы оно снова соответствовало кадру.
Цифровой зум на самом деле является одной из причин, почему некоторые производители смартфонов обеспечивают свои камеры большим количеством мегапикселей. Чем больше мегапикселей у камеры, тем больше вероятность получения фотографии без заметного снижения качества изображения.
В чем недостаток цифрового зума
Даже при незначительном увеличении, вы обязательно заметите потерю качества изображения при использовании цифрового увеличения. Гарантированно.
Просто подумайте об этом. Если вы сделаете снимок с типичным разрешением 4000 x 3000 (12 Мп) и обрежете его до 3000 x 2000 (6 Мп), вы определенно потеряете в детализации и резкости изображения, пытаясь растянуть его до размеров фотографии 12 Мп. Это происходит потому, что вы уменьшите разрешение фотографии вдвое и увеличите ее до прежних размеров.пример
Производители смартфонов придумали разные методы, чтобы заполнить эти пробелы пиксельных данных. Одним из способов сделать это является интерполяция. Алгоритм камеры просматривает соседние пиксели и делает расчетные предположения, чтобы определить, какой цветовой пиксель необходим для заполнения пробела.
Именно эта комбинация данных реальных пикселей и программное интерполирование пикселей обеспечивает окончательное цифровое увеличение изображения. Результаты этого варьируются от производителя к производителю в зависимости от сложности их алгоритмов, но обычно это не так уж и эффективно. Поэтому фотоснимки могут терять реальные качества!
Оптический зум
На традиционной камере объектив с постоянным фокусным расстоянием пропускает свет и проецирует на фото матрицу. Расстояние от центра объектива до места, где световые лучи сходятся к фокусной точке сенсора, называется фокусным расстоянием, измеряемым в миллиметрах. А поскольку объектив зафиксирован и не двигается, фокусное расстояние всегда будет одинаковым.
Например, 50-мм объектив всегда будет иметь это фокусное расстояние. Если вам нужно сделать более близкий снимок, вам нужно либо приблизиться к объекту, либо заменить на объектив более длинным фокусным расстоянием.
Фикс объектив или телеобъектив с переменным фокусным расстоянием
Зум-объектив, с другой стороны, состоит из нескольких линз, которые перемещаются взад и вперед относительно друг друга, чтобы увеличить изображение или уменьшить его. При этом фокусное расстояние меняется.
Например, объектив Nikon AF-P DX NIKKOR 18-55mm f/3.5-5.6G VR изменяет свое фокусное расстояние с 18 мм (широкоугольный снимок) увеличивая фокусное расстояние до 55 мм, что дает более узкое поле зрения.
Как работает оптический зум на смартфонах?
Оптический зум на смартфонах. Когда дело доходит до размера смартфона, чем тоньше – тем премиальнее, поэтому вы не найдете устройств с выступающими зум-объективами. Некоторые бренды, такие как Samsung, пытались в прошлом продвигать такие телефоны, как Galaxy Zoom, у которого был объектив с 10-кратным оптическим зумом, выдвигавшимся сзади, но концепция не прижилась, вероятно из-за громоздкости и неказистого вида.
Решение? Несколько модулей камер с различным фокусным расстоянием.
В наши дни очень часто встречаются две, три или более модулей камер на задней панели смартфона. Это может показаться излишним, но каждая из этих камер особенная и служит определенной цели.
Как правило, в конструкции с тремя камерами вы найдете модуль с телеобъективом, широкоугольным объективом и сверхширокоугольным объективом. Все эти объективы имеют различное фокусное расстояние в зависимости от поля зрения (также называемого углом зрения), которое они обеспечивают.
Когда вы увеличиваете или уменьшаете масштаб, телефон автоматически переключается на модуль камеры с объективом, который даст вам нужное увеличение. Другими словами, если вы хотите уменьшить масштаб от стандартного широкоформатного снимка, ваш телефон переключится на сверхширокоугольный объектив, а при увеличении автоматически включится телеобъектив.
Степень увеличения камеры смартфона зависит от фокусного расстояния телеобъектива. Взяв фокусное расстояние телеобъектива и разделив его на фокусное расстояние широкоугольного объектива, вы получите диапазон увеличения камеры.
Например, если телефон оснащен телеобъективом с фокусным расстоянием 52 мм и широкоугольным объективом 26 мм, это дает вам диапазон 2-кратного оптического увеличения.
Это на самом деле оптический зум?
Нет, не совсем. В отличие от традиционных зум-объективов фотокамер, оптический зум в смартфоне не имеет реальных движущихся стеклянных элементов, поэтому его трудно классифицировать как таковой. Тем не менее, он работает через оптику всех модулей камеры смартфона. Вероятно, именно с учетом этого компании, выпускающие смартфоны, решили преподносить его как оптический зум.
Поскольку он переключается между камерами с объективами с фиксированным фокусным расстоянием, некоторые утверждают, что оптический зум на смартфонах следует скорее называть многокамерным зумом.
Действительно ли оптический зум лучше цифрового?
Да, это лучше, чем цифровой, но эта технология далека от совершенства. Оптический зум на смартфонах также может терять качество изображения.
Также стоит отметить, что в большинстве случаев модули камеры смартфона имеют разные матрицы. Нередко встречаются телефоны с основными камерами, которые имеют больше мегапикселей, чем другие модули. Поэтому при переключении модулей камер используемом при зуммировании вы можете потерять в качестве изображения.
Производители смартфонов представляют так называемый гибридный зум для борьбы с этой проблемой. Чтобы получить наилучшие результаты, используются интеллектуальные алгоритмы для сбора данных со всех камер и использования их для формирования изображения с минимальным ухудшением качества фотографий при увеличении.
В любом случае оптический зум на смартфонах намного лучше, чем цифровой. Несмотря на впечатляющие результаты, связанные с размерами и существующей технологией, он в смартфоне не совсем соответствует истинному оптическому приближению. Но, как мы видели, технологии мобильных камер с каждым годом становится все лучше и лучше. Так что это только вопрос времени.
Кстати, если интересует отличный камерофон читайте сравнение Honor 30 Pro Plus против Huawei P40
Учи матчасть. Выбираем смартфон по камере
В серии материалов мы подробно разбираем техническую сторону смартфонов. Мы уже писали про процессоры и дисплеи. Сегодня речь пойдет о камерах. Ведь смартфоны уже давно являются той самой «лучшей камерой», которая всегда с собой. Камера смартфона уже давно стала основной причиной для обновления. Мы поговорим о технических характеристиках камер и развеем конфузы вокруг светосилы, диагонали сенсора и автофокусировки, а еще расскажем, что такое HDR, OIS и DPAF.
Гонка мегапикселей продолжается
Компактные камеры PowerShot, Cybershot, Coolpix и прочие мыльницы остались в прошлом-позапрошлом десятилетии. Но это не значит, что старые уловки маркетологов не работают. Работают еще лучше, чем раньше. И камеры телефонов перевалили за 100 мегапикселей.
Пиксели — маленькие квадратные точки, из которых состоит любое цифровое изображение. Это его строительные блоки. Они располагаются в строках и столбцах, как на шахматной доске, только в сильно уменьшенном формате. Если камера снимает в разрешении 12 мегапикселей, это значит, что конечное изображение будет построено из 12 млн пикселей, или же разрешение картинки составит 12 мегапикселей. Например, соотношение сторон 4:3 позволяет уместить те самые 12 млн пикселей в табличке 4000 на 3000. Более высокое разрешение означает более четкую картинку. Ну, или что-то вроде этого.
Мы любим большие цифры, но еще больше их любят маркетологи. Еще в эпоху компактных цифровых камер мегапиксельные гонки сводили с ума подкованную часть аудитории. Не стоит вестись на большое разрешение камеры в мегапикселях: оно не гарантирует лучшего качества снимков. Роль также играет очень много других факторов. О них ниже.
Размер сенсора
Высокое качество изображения по результатам многих исследований — одна из основных причин, по которым фотография считается хорошей и нравится другим людям. Физический размер сенсора вносит в качество картинки основной вклад. Сегодняшний цифровой сенсор — по сути, вчерашняя пленка, но не требующая замены и проявки. Когда телефон делает снимок, свет проходит через объектив и попадает на светочувствительную матрицу. Смартфон захватывает этот световой сигнал и превращает его в изображение.
Чем больше размер сенсора, тем больше света на него попадает. Чем больше света на него попадает, тем лучше качество изображения.
Размер сенсора указывает на его физические габариты, но в цифрах габаритов сенсора легко запутаться. Традиционно производители указывают размер сенсора в долях дюйма, что обозначается знаком ″ в конце дроби. Какое-то время стандартом был сенсор 1/3″. Не влезая в детали, чем ближе дробь к полному дюйму (1″), тем больше сенсор.
Например, Samsung и Xiaomi уже пробуют использовать гораздо бо́льшие (соответственно, 1/1.33″) сенсоры в своих флагманах, близок к ним и Huawei P40 Pro с 1/1.54″. В iPhone 11 Pro используется меньший сенсор — 1/2.55″.
Чем больше размер сенсора, тем труднее уместить его в компактный корпус телефона вместе с оптикой. Современные телефоны уже близки к этому пределу.
По площади сенсора смартфоны даже в лучших случаях в десятки раз уступают зеркальным полноформатным камерам.
Размер пикселей сенсора
Этот параметр упоминается не очень часто, но также является важным в определении того, хороша или плоха мобильная камера.
Размер пикселя соотносится с физическим размером каждого отдельного пикселя на матрице. Их измеряют в микрометрах, или микронах, используя греческие буквы µm или просто µ. 1 миллиметр равен 1000 микрометрам. Чем больше пикселей умещает производитель в сенсор, тем меньше они будут. Это на самом деле не очень хорошо, потому что тут начинают играть квантовые эффекты и пиксели становятся более подверженными цифровому шуму, особенно при слабом освещении.
Более крупные пиксели, в свою очередь, могут собирать больше ценной световой информации и, таким образом, демонстрировать более качественную картинку при слабом освещении.
Сенсор с размером пикселя 1,7 микрометра будет значительно лучше при слабом свете, чем маленький пиксель размером 1,0 микрометра. Другими словами, сенсор 1/2.5″ с 12 мегапикселями на борту имеет более крупные пиксели, чем такой же сенсор, в который втиснули 20 мегапикселей. Это значит, что 12-мегапиксельный сенсор, скорее всего, обставит 20-мегапиксельный по качеству при слабом освещении. Однако 20-мегапиксельный сенсор даст больше разрешения при хорошем освещении.
Размер пикселя — это характеристика светочувствительной матрицы. Производители используют различные модели сенсоров в разных телефонах. Технологии производства полупроводниковых сенсоров постоянно улучшаются такими производителями, как Sony, OmniVision, Samsung и другие. Поэтому смартфоны каждого нового поколения при, казалось бы, прочих равных будут снимать лучше только благодаря новым матрицам.
Во флагманских моделях смартфонов можно найти самые современные сенсоры последних поколений c размером пикселей от 1,4 до 2,44 микрометра. На простых смартфонах размер пикселей может быть маленьким, около 0,8 микрона.
Хотя смартфоны с камерами на 64 мегапикселя и больше тоже неизбежно получают пиксели в 0,8 микрона. Но тут есть уловка: биннинг пикселей 4:1, объединяющий квадратик 2×2 из четырех 0,8-микронных пикселей в один большой 1,6-миллиметровый пиксель. В случае флагмана Samsung S20 Ultra биннинг на его 108-мегапиксельной матрице идет уже в соотношении 9:1 (квадрат 3×3), и мы получаем «суперпиксель» размером 2,4 микрона. Но даже эти пиксели меркнут перед размером пикселя полноформатной зеркальной камеры: там он составляет 8,4 микрона и может быть даже больше. Именно поэтому тепловые эффекты любой электроники будут еще более заметны на маленьких пикселях при попытке усилить сигнал, тогда как на больших пикселях вклад шумов в соотношение будет невелик.
Объектив и его фокусное расстояние
Световое излучение и весь видимый свет распространяются прямолинейно. Когда свет проходит через линзу, лучи в какой-то момент сходятся в одной точке. В обычных камерах расстояние от точки схождения лучей до сенсора называется фокусным расстоянием и изменяется в миллиметрах.
Разные объективы отличаются числом линз, оптической схемой и обладают разными фокусными расстояниями. Фокусное расстояние в Samsung Galaxy S10, например, составляет 26 миллиметров в эквиваленте, что типично для широкоугольной оптики. Она имеет широкий угол обзор, а значит, в одной фотографии камера захватит больше пространства.
Бо́льшие фокусные расстояния означают уменьшенный угол обзора и большее увеличение — это характерно для так называемых телеобъективов. В Samsung Galaxy S10, к примеру, фокусное расстояние телеобъектива в два раза больше широкоугольного модуля и составляет 52 миллиметра в эквиваленте. Это значит, что Samsung S10 обладает 2-кратным оптическим зумом.
Ультраширокоугольные объективы отличаются еще бо́льшим углом обзора и еще меньшим фокусным расстоянием. Например, в случае ультраширокоугольной камеры Samsung S10 оно составит всего 12 миллиметров в эквиваленте.
Не все смартфоны выпускаются с тремя камерами с разной оптикой. Большинство из них имеют одну, максимум две камеры.
Фокусное расстояние и углы обзора камер отличаются у разных моделей смартфонов и производителей.
Обратите внимание, что фокусное расстояние камеры смартфона (например, 26 миллиметров) не является физическим расстоянием от точки схождения лучей до матрицы камеры смартфона. Смартфоны слишком маленькие для таких расстояний (иначе они не поместились бы даже в нашей руке), и это всего лишь визуальный эквивалент популярных 35-миллиметровых камер пленочной эпохи.
Объектив и его зум
Обычно во флагманском смартфоне сейчас три камеры: телефотообъектив, широкоугольная и ультраширокоугольная линза. Все эти объективы отличаются фокусным расстоянием и углом обзора. Когда вы зумируете на телефоне, он автоматически переключается между линзами, которые дадут нужную картинку. Ведь реализовывать на практике один объектив с зумом было бы глупо: он был бы темнее, не выдержал бы и единого падения, требовал бы скрупулезного ремонта.
Если вы захотите «отзумить» с основной камеры, телефон переключится на ультраширокоугольную. Если захотите «зазумить», телефон автоматически переключится на телеобъектив. Насколько сильно вы можете увеличить картинку, определяется телеобъективом камеры.
Оптический зум сохраняет качество картинки. Цифровой зум в последние годы стал сильно лучше, но все равно это не реальность, а цифровая симуляция оптического зума. В худшем случае детали будут просто размазаны, в лучшем — дорисованы алгоритмами. Камера просто обрежет картинку и затем растянет ее до размера изначального кадра.
Цифровой зум, по сути, единственная причина, по которой производители запаковывают в свои телефоны столько много мегапикселей. Он дает нам иллюзию увеличения.
Производитель и указание знаменитых брендов, таких как Zeiss и Leica, по сути, не говорит ни о чем, кроме кооперации брендов на уровне маркетинга и идей.
Объективы смартфонов могут производиться из пластика китайских вендоров и по чертежам немцев, а основной упор в коллаборации и вовсе может быть сделан на алгоритмы обработки сигнала и получение фирменных цвета и текстуры изображений модных камер.
Объектив и его светосила
Как правило, светосила — это изменяемая характеристика объектива. Она касается диафрагмы — круглого отверстия, которое может меняться в диаметре и тем самым уменьшать/увеличивать световой поток, который проходит к сенсору. Чем шире диафрагма, тем больше света попадет на сенсор, чем у́же, тем, соответственно, меньше света доходит до сенсора.
Степень открытости диафрагмы (опустим математические выкладки) измеряется в F-стопах. Низкий F-стоп (например, f/2) означает более открытую диафрагму. Чем больше цифра в F-стопе (например, f/8), тем у́же отверстие и тем меньше света проходит через объектив к сенсору.
В начале мы написали «как правило». Ведь в смартфонах, в отличие от обычных камер, диафрагма обычно фиксирована, и светосила отличается от телефона к телефону. Некоторые телефоны получают камеры со светосилой f/1.7, некоторые получают f/2.2 или даже f/1.4.
Причина, по которой смартфоны получают светосильные объективы, проста: критически важно, чтобы на микроскопическую оптику камеры и светочувствительный сенсор попадало как можно больше света. Это же позволяет ему лучше «видеть» в неблагоприятных условиях съемки.
Однако некоторые смартфоны получают фотомодели со сменной диафрагмой: например, Samsung S10 умеет снимать как при f/1.5, так и при f/2.4. При некоторых условиях (избыток освещения) закрытая диафрагма может уменьшать виньетирование по краям кадра, а также увеличивать резкость изображения. Можете проверить этот эффект сами, просто посмотрев через отверстие в ремешке своих часов.
Объектив как на подводной лодке — с перископом
Последние смартфоны Samsung и Huawei получили модули с большим оптическим зумом.
Этого удалось добиться только благодаря конструкции перископа, как в подводной лодке. Самая длинная часть оптической схемы таких камер лежит перпендикулярно внешней линзе внутри корпуса смартфона, потому что в прямую линию она бы просто не уместилась в худеньком корпусе современного телефона. Лучи на 90 градусов поворачивает или призма, или зеркало. Именно перископ позволил Samsung S20 и Huawei P30 Pro добиться оптического зума.
Автофокус
Автофокус описывает способность камеры смартфона добиться резкого изображения на любых расстояниях до объекта съемки.
Автофокусировка по контрасту (CDAF)
Это наиболее популярный тип фокусировки, и он используется в большинстве камер смартфонов — настолько часто, что его просто указывают как «автофокус». Но это не самая совершенная технология.
C автофокусом по контрасту камера смартфона перемещает объектив вперед-назад, пока не найдет точку, в которой изображение отличается наивысшей контрастностью.
То есть то положение, когда границы между объектами в кадре наиболее резкие, и будет самым контрастным изображением. И хотя этот метод дает отличные результаты по точности, он может быть медленным и с трудом наводиться на резкость при слабом освещении или на однородных объектах.
Видели, когда резкость картинки на телефоне «рыскала» туда-сюда и отказывалась давать резкую картинку? Это наш друг автофокус по контрасту не смог справиться со сценой.
Лазерный автофокус
Это не такая популярная технология фокусировки, но она все чаще используется в современных смартфонах. Телефон освещает сцену пучком инфракрасных лучей и замеряет время, которое потребовалось им, чтобы отразиться обратно в камеру. По времени она определяет расстояние до объекта. Исходя из этого простого расчета, камера фокусируется на рассчитанную дистанцию и гарантированно попадает в резкость.
Лазерный автофокус отличается высокой скоростью и может работать в темноте. К сожалению, ИК-излучатель используется довольно слабый, и на длинные дистанции он не добивает, максимум на 1,5 метра. Наиболее эффективно он работает при макросъемке и съемке на близких дистанциях.
Фазовая автофокусировка (PDAF)
Топовые производители смартфонов используют эту систему автофокусировки в своих флагманских устройствах из-за скорости и эффективности. На эту же систему автофокусировки полагаются производители в топовых репортажных зеркальных камерах.
С фазовой автофокусировкой небольшое количество реальных пикселей на сенсоре смартфона (2—5%) убрано и замещено на фазодетектные фотодиоды — особые пиксели, созданные специально для нужд автофокусировки. Используя сигнал с этих микродатчиков, алгоритм и может рассчитать, резкое ли изображение, и сразу знает, на какую дистанцию нужно сфокусироваться. То есть фокусировка может корректироваться из текущего положения объектива на лету и без «рысканья». Впрочем, на однородных поверхностях у фокусировки по фазам тоже могут быть затруднения.
Фокусировка Dual Pixel (DPAF)
Эта технология была первой придумана Canon и разбивала все пиксели на подпиксели, которые работали в парах и обеспечивали упомянутую выше фазовую фокусировку. Но по сути это улучшение технологии фазовой автофокусировки. Если в том случае используется не более 5% площади пикселей для фокусировки, то в случае Dual Pixel для автофокусировки можно использовать все 100% из-за специальной микроархитектуры пикселей. Это означает высокую скорость и точность фокусировки, потому что как только хотя бы одна пара из миллионов пикселей уверенно подтвердит наводку на резкость, остальные подхватят.
Оптическая стабилизация
Оптическая стабилизация, или Optical Image Stabilization (OIS), указывается в характеристиках многих топовых смартфонов. Другие телефоны могут иметь в описании камеры аббревиатуру EIS, что означает Electronic Image Stabilization — электронная стабилизация изображения.
OIS — довольно устоявшаяся технология, которая зарекомендовала себя еще в эпоху до смартфонов, но набирает популярность и в мобильниках. По сути, оптическая стабилизация — это компенсационный сдвиг отдельных линз или сенсора в противовес естественному сотрясению камеры в ваших руках. Это такой миниатюрный амортизатор, чтобы сохранить камеру максимально неподвижной в краткое мгновение съемки.
Стабилизатор помогает побороть размытость снимков и сделать фотографии более резкими. Минусы — это дополнительные тонкости производства и дополнительно занятое место в корпусе смартфона.
Электронная стабилизация изображения — не механическая, а программная функция. Этот способ задействует информацию со встроенного в любой смартфон гироскопического сенсора или путем отслеживания определенных точек на изображении/видео. После этого изображение анализируется, а ненужные сдвиги компенсируются или обрезаются по записям гироскопа. Электронная стабилизация особенно хорошо зарекомендовала себя при съемке видео, при съемке же фотографий ее преимущества сомнительны и идут рука об руку вместе с потерей качества.
Сенсор глубины (Depth Sensor, ToF Camera, ToF 3D Camera)
Сенсор глубины — маленький помощник многокамерных смартфонов, благодаря которому они могут снимать с небольшой глубиной резкости кадра и размытым фоном.
Основная камера работает вместе с датчиком глубины, который создает карту объема пространства. Так как обе камеры смотрят на сцену с немного разными перспективами, система может вычислить расстояние между объектами на картинке и отделить объекты переднего плана от фона. Она также используется при распознавании лиц (и для разблокировки лицом) и для автофокуса в слабом свете.
ToF-камера, или Time-of-Flight, работает по тому же принципу, что и лазерный автофокус. ToF-камера использует инфракрасную сетку точек, чтобы собрать данные об объеме сцены и расстоянии до объектов. А расстояние она замеряет по времени, которое нужно свету, чтобы отразиться от объектов сцены и вернуться в объектив.
HDR позволяет снимать изображения с широким динамическим диапазоном, то есть равномерной детализацией в очень темных и очень ярких участках кадра. С включенным HDR камера делает несколько снимков с разной яркостью.
После этого изображения собираются в конечную картинку, но из них берутся лишь части с наилучшей детализацией: отдельно светлые участки, отдельно темные, отдельно средние тона.
Вспышка
В смартфонах используются разные типы вспышек. Наиболее популярная — светодиодная вспышка, или LED. Эта вспышка использует высокоэффективные светодиоды, которые также могут работать в роли постоянного источника света при съемке видео.
Dual LED — вспышки используют два светодиода с разной цветовой температурой. В этом случае телефон определяет необходимую цветовую температуру или тон (теплее/холоднее) в зависимости от баланса белого в кадре, чтобы дать более естественный по атмосфере кадра цвет. Другие варианты LED-вспышек могут включать и четыре светодиода. Удивительно, но принципами работы True Tone — вспышки Apple не позволяет управлять даже разработчикам App Store.
Иногда можно встретить ксеноновые вспышки, они более мощные и с лучшими спектральными характеристиками света, но требуют больше энергии и не могут использоваться в качестве фонарика или при съемке видео.
Видео
Разрешение видео указывает на число пикселей, которое дисплей может демонстрировать по каждой стороне:
Число типа @24p указывает на число кадров в секунду, которое возможно при этом разрешении съемки. Например, 4K@24p означает, что видеозапись будет идти в 4K с частотой 24 кадра в секунду. Чем больше кадров в секунду указывается производителем, тем более плавным будет видеоряд. Сейчас смартфоны без проблем снимают видео частотой 60 к/c.
Высокая частота кадров, например 960 к/c, идеально подходит для замедленных видео. На такой частоте можно рассматривать в деталях самые быстротечные, забавные и нелепые процессы.
Процессор обработки сигнала (ISP) и невидимые алгоритмы вычислительной фотографии
Чтобы компенсировать свои недостатки, камеры телефона полагаются на вычислительную фотографию, то есть алгоритмы и хитрости обработки сигнала могут вносить более существенный вклад в качество картинки, чем физическая начинка. Создание изображения не заканчивается на сенсоре и объективе, оно там только начинается.
Хорошим примером этого можно считать ночной режим съемки, набирающий сейчас популярность во флагманах. Смартфоны не очень хорошо (как вы поняли, ужасно) подходят для съемки при слабом свете: сенсоры небольшие, пиксели ужасно маленькие. Так как с этим ничего не поделаешь без превращения телефона в громадину, смартфонам приходится хитрить, благо вычислительные мощности современных телефонов кладут на лопатки некоторые компьютеры.
За качество изображения отвечает специальный процессор обработки сигнала (ISP) — мозг мобильной камеры. Он перехватывает на себя весь поток массива данных с сенсора. Прежде чем мы получим конечную картинку, он проведет триллионы манипуляций.
Они включают демозаику байеровской структуры сенсора, «вычисление» цвета пикселей, подавление шумов, коррекцию теней и светов, выделение однородных зон и дополнительную очистку их от шума, исправление искажений оптики, ретушь телесных тонов, создание HDR, особые алгоритмы съемки в ночном режиме, электронную стабилизацию, цветокоррекцию, сжатие и много чего еще. Также нейронные алгоритмы ISP натренированы огромной базой данных и сверяют цвета картинки с наиболее оптимальными.
В отличие от механического затвора, электронный затвор камеры может кодироваться на самые невероятные комбинации для сбора серии кадров: брекетинг экспозиции, по времени, движению и много чего еще доступно нам благодаря светлым умам инженеров.
В этом плане наиболее продвинулись инженеры Google и Apple, но не перестают удивлять Samsung и Huawei. К радости всех мобильных фотографов, жесткая конкуренция продолжается. Но конкретных метрик тут нет: читайте отзывы, снимайте сами и смотрите, насколько камера понимает ваши мысли при съемке. Если кажется, что смартфон понимает вас без слов даже в сложных условиях, берите смело и снимайте на радость.
