Розробники фотокамер в смартфонах вимушені йти на різні виверти, щоб покращити якість знімків

З випуском кожної нової флагманської моделі смартфону лідери ринку відчутно покращують якість вбудованих фотокамер, до того ж фактично не збільшуючи їхні габарити. На відміну від великих дзеркальних фотоапаратів, де виробники майже не обмежені в розмірах матриці та оптики, в смартфонах розмір камери має значення. Адже споживачі навряд чи будуть купувати важкі та великі гаджети, в яких основний обсяг займає камера. Хоча певні спроби зробити великий фотоапарат для смартфону вже були, правда шляхом винесення його в окремий від’ємний модуль. Особливого успіху подібна ідея не мала, оскільки зовнішній пристрій різко зменшував зручність користування телефоном, та й необхідність доплачувати чималі гроші за додатковий фотомодуль теж не радувала.

Розробники фотокамер в смартфонах вимушені йти на різні виверти, щоб покращити якість знімків

Але вбудовування якісної камери в смартфон несе з собою чимало проблем. Основна складність полягає в тому, що розмір фотокамери в смартфоні дуже малий, а це тягне за собою цілий перелік підвищених вимог до виробництва. Перша – треба дуже ретельно виготовляти оптику, що при таких мініатюрних розмірах сильно ускладнює завдання. Друга – розмір матриці. Відомо, що чим більше піксель і, відповідно, його площа, тим більше кількість зібраного ним світла. А це говорить, що вище його світлочутливість і краще співвідношення сигнал/шум. Чим дрібніше піксель – тим менше кількість світла, що потрапляє на сенсор. Наприклад, при двократному зменшенні лінійних розмірів пікселя його площа зменшується вчетверо, а, значить, вчетверо зменшується і кількість фотонів, що потрапляють на фотодіод. На практиці це означає зниження динамічного діапазону матриці. Таким чином, підвищення кількості пікселів в матриці при незмінному розмірі майже завжди веде до зниження якості фотографування.

Крім того, при зменшенні розміру пікселя є більш помітним негативний вплив дифракції на різкість при діафрагмуванні об’єктива. Разом з тим, невеликий піксель скорочує розміри діапазону розсіювання, зменшуючи тим самим глибину різкості.

Переваги матриці з надмірною роздільною здатністю

Щоб розв’язати вищезгадані проблеми, розробники вдаються до різних технологічних трюків. Перш за все, акцент робиться на використання високоякісної просвітленої оптики, яка надає можливість подавати більше світла на матрицю. Крім того, інженери застосовують кілька фотомодулів, що працюють в єдиній системі, виходячи з принципу, що  два об’єктиви збирають у два рази більше світла, ніж один.

Далі, певну революцію в підвищенні якості фотографування зчинила  розробка матриць з величезною кількістю пікселів: 48 МП, 64 МП та навіть 108 МП. До того ж на виході користувач все рівно отримає 12-мегапіксельне або максимум 16-мегапіксельне фото. Навіщо ж тоді створювати сенсор на 48 МП чи навіть більше? Тут інженери розв’язують щонайменше дві проблеми. По-перше, в камері смартфонів поки що неможливо застосування оптичного трансфокатора. Щоб досягнути наближення об’єкту зйомки без зниження якості розробники або монтують два незалежних фотомодулі зі стандартним та телеоб’єктивом, або ж застосовують цифровий зум. Ще донедавна останній при наближенні приводив до пікселізації зображення, однак тепер, маючи в оригіналі, наприклад, 48-мегапіксельний файл, можна вирізати з нього 12-мегапіксельний фрагмент і тим самим досягти 4-кратної трансфокації зуму без втрати якості.

По-друге, розробники тепер отримають можливість значно підвищити якість фото в умовах недостатнього освітлення. Робиться це шляхом об’єднання кількох пікселів в один великий. Наприклад, в смартфон Redmi Note 7 вбудована 48-мегапіксельна камера, в якій застосовується технологія TetraCell: коли чотири пікселі об’єднуються в один великий піксель розміром 1,6 мкм того ж кольору, відповідно збільшується в 4 рази й кількість світла, що захоплюється однією точкою. В результаті, замість 48 МП користувач на виході отримує 12-мегапіксельний знімок у форматі 3: 4, або 9-мегапіксельний (4000х2250) в форматі 16: 9.

Імітація телеоб’єктиву шляхом вирізання вказаного фрагменту з великого файлу також успішно застосовується в сучасних телефонах. Так, смартфон OPPO A9 2020 надає 2-кратний та 5-кратний зум, який не є оптичним. Його секрет — у використанні надмірної роздільної здатності матриці, що налічує 48 МП. При стандартному фотографуванні без збільшення чотири пікселі зливаються в один великий. При вмиканні zoom 2х чи 5х об`єднання пікселів не відбувається, але з загального зображення 48 МП «вирізається» потрібний сегмент і таким чином досягається «наближення» об`єкту практично без втрати якості. Звичайно, в нічнихп умовах, коли TetraCell не працює, якість фото з зумом залишає бажати кращого.

В Redmi Note 8 інженери пішли далі та вмонтували 64-мегапіксельну матрицю, що теж дозволяє застосовувати цифровий зум без зменшення якості. Тобто користувач може вирізати будь-який фрагмент з величезного 64-мегапіксельного фотознімка і перетворити його в окрему фотографію майже без втрати якості. Втім, при недостатньому освітленні камера вмикала режим об’єднування пікселів TetraCell, тобто в режимі нічного знімання камера видавала на виході тільки 16 МП знімки.

Режим 3×3 в новому Galaxy S20 Ultra

Компанія Samsung нещодавно анонсувала серію нових флагманських смартфонів Galaxy S20, в яку входить Galaxy S20, Galaxy S20 + та S20 Ultra. Вендор відмічає, що вперше вся лінійка Galaxy підтримує мережі 5G. Нагадаємо, що минулого року Samsung представив одну модель з підтримкою 5G в лінійці S10, ще один – у серпні під час презентації Note10.

Новий флагман може похвалитися системою з чотирьох фотомодулів, один з яких містить матрицю 108 МП і забезпечує можливість 100-кратного збільшення фотографії.

Новий флагман Galaxy S20 Ultra обладнаний системою з чотирьох фотомодулів

Новий флагман Galaxy S20 Ultra обладнаний системою з чотирьох фотомодулів

Нагадаємо, що перша фотоматриця 108 МП – Samsung Bright HMX – використовувалася в смартфонах Xiaomi (саме це означає “X” після “HM”). Але тепер у Samsung є власний флагман з камерою 108MP, який використовує значно вдосконалений сенсор HM1.

Великий сенсор 1/1,33 ”, що знаходиться всередині Samsung Galaxy S20 Ultra, використовує технологію Nonacell, що майже аналогічна технології Tetracell 2017 року. Обидві назви є торговими марками Samsung для різних фільтрів Bayer.

Якщо технологія Tetracell об’єднує 4 пікселі в один великий, то Nonacell – групує 9 пікселів, що дозволяє захоплювати набагато більше світла

Якщо технологія Tetracell об’єднує 4 пікселі в один великий, то Nonacell – групує 9 пікселів, що дозволяє захоплювати набагато більше світла

Nonacell об’єднує 9 сусідніх пікселів (квадрат 3х3) в один великий 2,4 мкм ефективний піксель. Це подвоює можливості сенсора в поглинанні світла проти сенсорів Tetracell (2×2). Але це також збільшує перешкоди у відтворенні кольорів між пікселями, тому такі матриці раніше не використовувалися. Samsung стверджує, що його технологія ISOCELL Plus (яка створює бар’єри між пікселями) здатна звести такі перехресні перешкоди до мінімуму.

Вендор також інтегрував в сенсор ISOCELL Bright HM1 потужний апаратний процесінг. Завдяки керуванню ISO в різних групах пікселів можна робити знімок по технології HDR за один раз (крім того, це робить попередній перегляд зображення набагато точнішим).

Нове обладнання здатне робити 3-кратний зум абсолютно без втрати якості — завдяки матриці в 108 мегапікселів. Все це відбувається ще до того, як сам файл зображення залишить матрицю. Такий підхід може скоротити розрив в якості фотографій між смартфонами та фотоапаратами зі справжніми телеоб’єктивами.

Що стосується можливостей відео, то HM1 записує ролики з роздільною здатністю 8K при 24 кадрах в секунду. Крім того гаджет підтримує електронну стабілізацію зображення на основі гіроскопів для більш плавного фільмування. Слід відзначити, що моделі Galaxy S20 Ultra, S20 та S20 + мають різні налаштування камери.

ЧИТАЙТЕ ТАКОЖ:

Джерело: GSMArena.com