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.
108 Мп — это перебор. Достаточно и 12 Мп
Объясняем, почему эта гонка мегапикселей не нужна. Камеры разрешением 12 Мп вполне отвечают современным требованиям по созданию качественных фоточек и роликов
Есть все предпосылки, что такие компании как Apple и Google и дальше останутся в стороне от всей этой истерии с большим количеством мегапикселей, а сделают ставку на старые добрые 12 Мп. Для кого-то такой консерватизм покажется странной политикой и атавизмом. Так почему же они так упорно не хотят становиться на путь наращивания количества мегапикселей в камерах? А все просто. Они уверены, что 12 Мп — оптимальное разрешение или «золотая середина» для камер смартфонов.
Среди причин такого убеждения можно назвать емкость хранилищ, время обработки и качество фотографий при недостаточном внешнем освещении. Кроме того, количество мегапикселей диктует и размер сенсора. К числу факторов, влияющих на этот выбор можно причислить также работу приложения камеры и автономность. Так, почему старые-добрые 12 Мп являются образцовым разрешением для датчика мобильной камеры?
Больше пикселей равно больше данных
Чем больше мегапикселей в сенсоре, тем больше данных необходимо обработать. В итоге сам процесс замедляется, а расход энергии, и, соответственно, и жор батарейки увеличивается. Это особенно справедливо тогда, когда речь идет о ночных или портретных снимках, требующих большей постобработки.
При этом высокое разрешение требует большей вычислительной мощности, большего объема памяти и приличную пропускную способность. Сегодня уже стало нормой, что производители отказываются от поддержки карт microSD, лишая пользователей возможности получить хранилище приличной емкости.
Как выход — работать с облаком. Но, если пользоваться низким лимитом данных, то не избежать проблем с загрузкой снимков, если аппарат не подключен к Wi-Fi. А если вы еще поклонник мобильной фотографии и снимаете тонны материалов, то придется изрядно потратиться на большой объем облачного хранилища.
Просмотр изображений на дисплеях разрешением до 10 Мп
Это суровая правда, которую необходимо знать тем, кто одержим большим количеством мегапикселей. Львиная доля пользователей не просматривает отснятый материал на дисплеях и мониторах разрешением Ultra HD. Но даже если предположить, что кто-то обладает столь крутым дисплеем, то нужно помнить, что это «холст» разрешением всего около 8,3 Мп.
Двенадцать мегапикселей — оптимальное разрешение, чтобы снимок выглядел четким практически на любом дисплее, будь то экран смартфона, компьютера, телевизора и даже проектора. Чтобы от 12-мегапиксельного изображения был толк на дисплее Ultra HD, необходимо увеличить масштаб.
Ограничения по съемке видео
Видео в формате 4К вот уже около 5 лет считается почти стандартом для мобильных устройств. Но при этом, чтобы снимать ролики в таком формате достаточно сенсора на 10 Мп, а 12 Мп и вовсе с избытком, при условии, что процессор готов «переварить» такое видео. Это означает, что независимо от того, хотите ли вы снимать 4K со скоростью 60fps или видео 720p со скоростью 1000fps, камеры на 10 Мп вполне достаточно.
С приходом чипа Snapdragon 865 постепенно стали предлагать поддержку 8К видео. Вот тут как раз и возникает потребность в сенсоре с большим разрешением — 33 Мп. Обратите внимание, что 40 Мп, 50 Мп, 64 Мп и 108 Мп в данном случае более чем с избытком.
Впрочем, и от 8К толку мало, это лишь маркетинговая фича для привлечения внимания и поднятия престижа продукта. На данный момент дисплеи разрешением 8К большая редкость и роскошь, чтобы действительно получить толк от просмотра видео с таким высоким разрешением. И, если вы уверены, что ролики 4К уже основательно «засирают» хранилище, то, что вы скажете о 8К?
Разрешение — не главное
Думаю, что вы и сами неплохо осведомлены с этим правилом. Опыт показывает, что выше разрешение не равно выше качество. Тут главными в игре являются другие факторы. Качество оптики, алгоритмы обработки, комфорт работы, точность цветопередачи и динамический диапазон — вот наиболее важные моменты, чтобы фоточки вышли качественными. Доказательства этому можно найти в Pixel-фонах, iPhone и прочих устройствах. Те же флагманы Huawеi брали верхние строчки чарта DxOMark без заоблачных 64 Мп или 108 Мп.
Чтобы увидеть, что можно выжать из 12 Мп сенсора без наращивания мегапикселей, достаточно сравнить фото, созданные на камеру с аналогичным разрешением 2016 и 2020 годов выпуска. Ниже приведены снимки на Pixel и Pixel 4, которые получили в качестве основного сенсор на 12 Мп. Обратите внимание, что четвертое поколение Pixel предлагает лучший динамический диапазон и улавливает больше данных о цветах. Все это благодаря симбиозу «железа» и продвинутого программного обеспечения, где технология HDR10+ взяла на себя большую часть тяжелой работы.
Google Pixel
Опять же не стоит забывать, что датчики с высоким разрешением используют биннинг пикселей, что в конечном итоге, как правило, снижает количество эффективных пикселей в 4 раза. Это говорит о том, что сенсор на 40 Мп выдает снимок на 10 Мп, а если на тыльной стороне стоит модуль на 48 Мп, то вы получите фоточку на 12 Мп.
Безусловно, можно активировать максимально возможное разрешение камеры, но будьте готовы принести в жертву динамический диапазон и качество снимков в условиях дефицита света. Да и на обработку фото уйдет чуть больше времени и «сил» приложения.
ПО и обработка наше все
ИИ-камера — термин, активно используемый многими компаниями. Будь-то программное обеспечение от Huawei, Apple, Google, Samsung или любого другого производителя, обработка изображений влияет на качество конечного изображения.
Посмотрите на примеры фотографий, выполненные при помощи штатного приложения камеры на OnePlus 7 Pro и посредством PK-файла Google Camera. Вы можете оценить, насколько отличается цветопередача, резкость и динамический диапазон. Google Camera позволяет получить снимок, где цвета близки к естественным и предлагается больший динамический диапазон. Тогда как «обычный» снимок на OnePlus 7 Pro отличается большей насыщенностью цветов и контрастностью, но ему не хватает четкости.
OnePlus 7 Pro стоковое приложение камеры
OnePlus 7 Pro GCam
Недостаточная освещенность и размер пикселя
Датчик на 12 Мп в отличие от сенсоров с большим разрешением, позволяет использовать отдельные пиксели большого размера. Больше пиксель — больше света он захватывает. Модуль размером 1/1,2ʺ на 12 Мп позволит получать более чистые и четкие снимки при недостатке освещения, чем датчик таким же размером на 48 Мп. Ниже примеры снимков на Xiaomi Mi 9 в автоматическом режиме и режиме 48 Мп. Обратите внимание, сколько данных о цвете теряется и как ухудшается динамический диапазон.
Размер пикселя и, соответственно, размер сенсора важны. Вот поэтому Huawei использует более крупные сенсоры, чем те, что установлены в моделях от Samsung и Apple. Это важно, особенно с учетом компактности корпуса. Ночные режимы появились как попытка восполнить недостаток размера сенсора, сделав несколько экспозиций и соединив их воедино. Подобные режимы повлияли на то, что качество изображений при слабом освещении улучшилось, но они не являются адекватной заменой большого сенсора камеры.
Xiaomi Mi 9 режим 48 Мп
Xiaomi Mi 9 авто
12 Мп достаточно
Современные аппаратные ограничения, среди которых вычислительная мощность, объем памяти и качество линз, указывают на то, что нет необходимости предлагать датчики с большим количеством мегапикселей. Крупные сенсоры с большими пикселями обеспечивают гораздо более заметное улучшение качества изображения, чем простое увеличение пикселей.
Внимание к улучшению оптики и программного обеспечения уже привели к тому, что современные камеры эволюционировали и сделали большой шаг вперед в повышении качества мобильной фотографии. Когда видео с более высоким разрешением, более мощные процессоры и более быстрое хранилище станут стандартом, тогда, возможно, появится необходимость в камерах разрешением 40 Мп или выше. До тех пор 12-мегапиксельная камера вполне отвечает существующим требования для качественной видео- и фотосъемки.
Вам не нужна камера на 108 Мп: 12 Мп более чем достаточно
Несмотря на то, что мы находимся на пороге третьего десятилетия XXI века, большинство производителей современных смартфонов продолжает устанавливать в них камеры на 12 Мп — это и Apple с ее iPhone 11 и iPhone 11 Pro, и Google с гаджетами из серии Pixel. В это же время на рынке уже несколько лет есть мобильные устройства с камерами, которые отличаются куда большим разрешением. В пример можно привести даже Xiaomi, которая уже пару лет ставит камеры с разрешением больше 40 Мп — в последних флагманах компания уже даже 108 Мп использует. По ее стопам последовала и Samsung — в новеньком S20 Ultra установлена главная камера на 108 Мп.
Вопрос только в том, есть ли смысл в настолько большом увеличении разрешения матриц кроме очевидного маркетингового эффекта? Ответ достаточно простой: скорее нет, чем да. Чтобы обосновать его, достаточно посмотреть на качество снимков, которые получаются на камеры топовых смартфонов с матрицами на 12 и 108 Мп — первые чаще всего выигрывают. Более того, есть и косвенные моменты, которые касаются бесполезного использования места в хранилище устройств, уменьшения времени автономной работы и, что самое главное, скорости съемки. Дальше про все это и не только.
Чем больше мегапикселей, тем сложнее обрабатывать снимок
Увеличение разрешения фотографии касается не только самой матрицы и камеры в целом, но и смартфонов, которые все это дело используют. Мощностей в последних устройствах на базе Android и современных iPhone пусть и уже достаточно даже для 108 Мп, но для них это все равно сложно.
Во-первых, вы должны понимать, что повышение разрешения увеличивает нагрузку на процессор мобильного устройства. Во время непрерывной съемки он «раскручивается» все быстрее и уверенно высаживает даже самый емкий аккумулятор смартфона. Это особенно критично в поездках, когда каждый процент заряда на счету.
Во-вторых, в современных мобильных устройствах хоть и используются достаточно производительные чипы, которым под силу даже самые большие снимки, работают они с ними не так уж здорово. Для того же Xiaomi Mi 9 на базе Qualcomm Snapdragon 855 кадры на 48 Мп создаются крайне медленно и неуверенно.
В-третьих, если ваш гаджет без проблем работает со снимками на 108 Мп, это не значит, что с производительностью вопрос закрыт. Если фото с таким разрешением необходимо передать кому-либо, то не факт, что оно у него вообще откроется. Даже некоторые компьютеры с трудом его «переваривают».
В-четвертых, увеличение разрешения влечет за собой и рост веса фотографий. Пока Apple гонится за минимальным размером снимков с форматом HEIF для фото и HEVC для видео, многие другие плюют на это и сохраняют снимки с огромным числом точек по ширине и высоте в JPEG. Если их всего пара десятков, в этом нет ничего страшного. Но когда речь заходит про домашнюю галерею с тысячами снимков и роликов, она начинает расширяться слишком стремительно. Приходится обзаводиться дополнительными жесткими дисками и подписками на облачные хранилища — тот же «Google Фото» бесплатно принимает только кадры на 12 Мп.
В-пятых, огромный объем усложняет передачу изображений без сжатия. Если же использовать возможность конвертации, которая встроена, как вариант, во многие мессенджеры, на выходе наверняка получится отвратительный результат. Даже Telegram определенно создаст целый набор из гнусных артефактов.
У большинства нет экранов для просмотра снимков на 108 Мп
Могу поспорить, что большинству из наших читателей просто не на чем посмотреть 108 Мп в полный размер в масштабе 100%. Единицы хоть раз в жизни видели панели с разрешением 8K, многие уже как пару лет активно пользуются 4K, а все остальные в полной мере наслаждаются лишь 1080p.
На 4K-экран по точкам поместится изображение размером 8,3 Мп — да-да, немного больше, чем разрешение у матрицы iPhone 4s из 2011 года. Актуальные 12 Мп из iPhone 11 Pro как раз получится кадрировать, чтобы обрезать лишние детали. А вот что делать даже с 48 Мп — вопрос, большой вопрос.
Для записи роликов также достаточно сенсоров на 8,3 Мп
Аналогичная ситуация с записью видео. Наиболее массовое разрешение для роликов на сегодняшний день — 4K. Для него, как и для популярных телевизоров, достаточно сенсора на 8,3 Мп. Если взять в учет цифровую стабилизацию записи, которая снимает информацию не со всей матрицы — не больше 10 Мп. Хорошо, в процессоре Qualcomm Snapdragon 865 есть поддержка записи видео в 8K, и для этого нужна камера с разрешением 33 Мп. Тем не менее, в ближайшие лет пять такие записи вряд ли понадобятся, ведь и цены на телевизоры с его поддержкой опустят до вменяемых в течение лет пяти — не раньше.
8K — это вообще отдельная история. Если вы сегодня скачиваете фильмы в 4K по несколько десятков ГБ и не знаете, куда уместить хотя бы несколько таких в поездку, то после нового шага в увеличении качества контента вам захочется остановить нашу планету и сойти. Но ладно, это совсем другая история.
Количество мегапикселей не определяет качество фотографии
Разрешение матрицы камеры вашего смартфона не играет решающую роль, когда дело доходит и до качества фото и видео, которые получится создать с помощью нее. Это многократно доказали производители актуальных флагманов из верхней ценовой линейки, которые ориентируются на другие нюансы:
Чтобы доказать значимость всех этих показателей, достаточно сравнить качество двух снимков с одинаковым разрешением. Пусть первым будет Google Pixel родом из 2016 года, а вторым — Google Pixel 4 из 2019. У них основные камеры на 12 Мп, которые очень сильно отличаются даже по ширине динамического диапазона.
Google в последнее время вообще удалось совершить самую настоящую революцию в мобильной фотографии, и компания сделала это не с помощью увеличения разрешения изображения. Вместо этого она подключила искусственный интеллект, который стал основой для фирменного режима съемки HDR+.
Производители смартфонов с камерами на 48 Мп и больше сами прекрасно понимают, что настолько большое разрешение никому не нужно. Поэтому они используют технологию объединения соседних пикселей матрицы, чтобы добиться улучшения светочувствительности и цветопередачи. На выходе выходит 12 Мп. Если хочется получить снимок с полным разрешением, придется переключиться в отдельный режим, который можно полноценно использовать только в идеальных окружающих условиях: день, никакого яркого света, штатив. Это подходит, чтобы раз попробовать, но не использовать на постоянной основе.
Программное обеспечение, обработка фото важнее разрешения
Когда в обществе настоящих поклонников высоких технологий заходит речь про качество съемки, никто не говорит про разрешение камеры. На одно из первых мест в обсуждении обычно выходит постобработка с помощью фирменного программного обеспечения производителя — Apple, Google, Huawei, Samsung.
На паре фотографий выше хорошо видна разница при использовании нейронных сетей и без них. Первый снимок создан с помощью стандартной камеры OnePlus 7 Pro, а второй — через фирменное приложение компании Google, которое можно загрузить отдельно. Разница впечатляющая.
При слабом освещении на первое место выходит размер точки
Чем меньше точек на матрице, тем большего размера каждая из них. Чем больше площадь пикселя, тем меньше внешнего света необходимо для получения качественного снимка. Поэтому, если все остальные переменные равны, камера на 48 Мп будет снимать хуже камеры на 12 Мп.
Чтобы доказать это, можно сравнить пару фото, которые сделаны на Xiaomi Mi 9: один в разрешении 48 Мп, второй — 12 Мп. На первом снимке нет огромного количества мелких нюансов, которые оказались на втором. Это говорит только о том, что с увеличением разрешения детализация стремительно падает.
Чтобы нивелировать подобную зависимость, нужно значительно увеличить физический размер матрицы, и именно по этому пути сегодня пытается двигаться, например, компания Huawei. Только в этом случае есть смысл наращивать количество мегапикселей, но все равно не такими бодрыми темпами.
Вместо вывода: 12 Мп более чем достаточно для большинства
Нельзя быть против камер на 108 Мп в принципе — это закономерное развитие технологий, которое в итоге будет иметь смысл. Тем не менее, сегодня слишком много аппаратных ограничений, которые ставят на затее такого скачка в разрешении огромный крест: маленький физический размер матрицы в мобильных устройствах, недостаточная производительность, низкая энергоэффективность вместе с грустной емкостью аккумуляторов, скромные хранилища для информации и такая же пропускная способность интернета в любом виде. Когда все это сделает следующий шаг, можно будет подтягивать и число мегапикселей.
Конечно, по мере развития смартфонов будут улучшаться абсолютно все характеристики камер, но они должны делать это не в угоду циферкам, которыми могут кичиться маркетологи, а для реального повышения качества фотографий и видеозаписей, которые делают мобильные устройства.
