Как устроена камера смартфона
Камера — сложная штука: она объединяет матрицу, оптическую систему, контроллер и другие вспомогательные компоненты, а также программное обеспечение для обработки фото и видео. Рассмотрим каждый элемент подробнее.
Матрица
Матрица RGB.
roxxer/Depositphotos.com
Матрица — это прямоугольная микросхема, состоящая из светочувствительных элементов — пикселей. В каждом пикселе содержится три субпикселя. Один субпиксель пропускает волны только определённой длины: для красного, зелёного или синего цвета (red, green, blue). Такая цветовая модель называется RGB.
Также матрица может быть монохромной, без цветных фильтров. На каждый её пиксель попадает втрое больше фотонов. В результате чёрно‑белые фото получаются более чёткими. Такие матрицы можно использовать, чтобы улучшить цветное изображение с другого модуля камеры.
Одна из главных характеристик матрицы — разрешение. Оно отражает, сколько пикселей на ней поместилось.
Объектив
Крошечный объектив смартфона — это практически ювелирная конструкция. Редкая система включает 4–5 элементов — обычно их 7–8 и более.
В смартфонах с несколькими камерами напротив каждой матрицы будет свой объектив. Каждый из них решает свою задачу:
Телеобъектив
(телевик) нужен для съёмки с большого расстояния.
Широкоугольный
(ширик) поможет вместить в кадре больше объектов — это полезно для групповых фото и съёмки архитектуры.
Универсальный
объектив позволит в меру хорошо снять любой сюжет: от портрета до пейзажа.
Объектив с переменным фокусным расстоянием
(зум) может приближать объект съёмки.
Линзы для объективов смартфонов создают из стекла или специальных полимеров. Если их прозрачность далека от идеала и элементы недостаточно качественно подогнаны, хороших фото не ждите. Даже если линза сместится на несколько микрон, оптическая система расфокусируется.
Диафрагма
Диафрагмы. KoeppiK / Wikimedia Commons
Диафрагма — это отверстие, через которое световой поток попадает в камеру. От неё зависит, сколько света может получить сенсор. Значение диафрагмы выводят в формате f/1,7.
Система стабилизации
Стабилизация компенсирует смазывание от дрожания камеры, например, когда снимаете с рук, а не со штатива. Может быть двух видов:
Оптическая.
Честная электронно‑механическая система, которая физически удерживает камеру в одном положении (по крайней мере, старается). Она дарит более чёткие фото с минимальным уровнем шума и позволяет обойтись практически без программной обработки.
Электронная.
Это программные алгоритмы. Камера по‑прежнему дрожит, но за счёт анализа нескольких кадров создаётся более‑менее приличный результат.
Система автофокусировки
Автофокус сам определяет расстояние до объекта и в соответствии с ним настраивает параметры оптики камеры. В современных смартфонах используются системы трёх типов:
Фазовая.
Специальные датчики собирают лучи света в разных точках кадра. Затем свет разделяют на два потока и отправляют на светочувствительный сенсор, чтобы он определил расстояние до объекта. Преимущества: высокая точность и скорость работы. Недостатки: высокая цена, сложность конструкции и её настройки.
Контрастная.
Анализируется контраст сцены. Сдвигая линзы, камера пытается добиться максимальной контрастности объекта относительно фона. Преимущества: компактные размеры и низкая стоимость. Недостатки: система работает медленнее и плохо подходит для динамичных сцен.
Гибридная.
Сочетает фазовую и контрастную фокусировку, чтобы получить наилучший результат.
Программное обеспечение
Фото до и после программной обработки. Shubham Kushwaha / Pexels.com
ПО тоже можно считать частью камеры, ведь оно принимает непосредственное участие в получении результата съёмки. Сегодня ни один смартфон не отдаёт вам кадры как есть, без программной обработки. Сложные алгоритмы, которые часто используют обширную базу данных или технологии искусственного интеллекта, редактируют каждый снимок, чтобы «сделать вам красиво».
Сырые снимки будут недостаточно яркими и чёткими. ПО убирает пересвет, вытягивает тёмные участки, улучшает цвета, увеличивает резкость. Причём делает всё это автоматически и очень быстро.
Но есть и обратная сторона медали. Агрессивное шумоподавление может сделать снятое в сумерках фото зернистым — будто состоящим из множества мелких пятен. При этом ухудшается детализация, а цвета становятся неестественными.
На что влияет количество пикселей
В подробных характеристиках смартфона обычно указывается физический размер матрицы камеры — что‑то вроде 1/2,6″. На сайте производителя можно найти данные о размере пикселей в матрице. Этот параметр влияет на количество точек в кадре. Чем выше разрешение, тем лучше передаются детали.
Но если пиксели мелкие, каждый из них получает мало света и не может точно определить цвет точки реального изображения. В результате на фото появляется шум.
Фото с разным уровнем шума. Wikipedia
Шум — это разбросанные по кадру точки случайного цвета и яркости. Чем хуже освещённость и чем ниже качество матрицы камеры, тем больше шума будет на фото.
Его количество в кадре пропорционально размеру пикселя или квадрату диагонали матрицы. Если сравнивать две матрицы с точками размером 1,55 мкм и 1,1 мкм, то в кадре с первой будет вдвое меньше шума.
Имеет значение и динамический диапазон матрицы — её способность фиксировать весь спектр цветов и яркость окружающего мира. У дешёвых диапазон небольшой, и фото получаются выцветшими, мутными.
Почему производители смартфонов гонятся за пикселями
Потому что покупатели всегда хотят максимум. Даже если в авто на 300 лошадей приходится стоять в пробке или на крутом игровом компьютере раскладывать пасьянсы.
Какой смартфон вы купите при одинаковой цене: с камерой на 12 Мп или на 48 Мп? Выбрав второй, вы получите в четыре раза больше мегапикселей за те же деньги. Но ваши фото не улучшатся в четыре раза.
Матрица с большим количеством мелких пикселей дешевле, чем датчик с крупными точками, и продаваться она будет лучше.
Крупные матрицы занимают больше места внутри смартфона. Оптическая система для них также должна быть больше. Соответственно, для остальных частей в корпусе места окажется меньше. Смартфон станет толще или камера будет выпирать. Её придётся защищать закалённым или сапфировым стеклом. А это тоже деньги.
Продать толстый дорогой смартфон сложно. Проще заказать матрицы с большим количеством мелких пикселей и провести громкую маркетинговую кампанию: на фото с камеры добавить автоматический штамп «снято на супермегафлагман с 48 Мп», чтобы все знали, что кто‑то купил новый смартфон. А фанаты и профи пусть пользуются зеркалками.
Хотя Nokia, например, рискнула, и получились смартфоны‑легенды Lumia 1020 c камерами на 41 Мп. И это в 2013 году!
Смартфон Lumia 1020. Kārlis Dambrāns / Wikimedia Commons
От чего зависит качество фото на самом деле
Размер матрицы и пикселя
Если взять две матрицы одинакового разрешения, то фото лучшего качества потенциально получатся с большей из них. Там пиксели крупнее, а значит, на каждый при съёмке попадает больше фотонов. В результате субпиксели могут точнее определить цвет конкретной точки.
Казалось бы, если в одной матрице пиксели размером 1,4 мкм, а в другой — 1,2 мкм, они практически одинаковые. Но 17% — ощутимая разница, которая обязательно проявится в качестве фото и видео, особенно если вы снимаете при плохом освещении.
Ещё один важный момент — расстояние между соседними пикселями. В мелких матрицах производители на нём откровенно экономят. В более крупных — могут позволить качественно отделять соседние пиксели, чтобы они не влияли друг на друга.
Технология производства
Новые методы позволяют точнее определить интенсивность светового потока по меньшему количеству фотонов, а значит, обеспечить низкий уровень шума и хорошую цветопередачу, даже если вы снимаете в сумерках без вспышки.
Но нужно читать и анализировать. Например, в смартфоне HTC One (M7) предложили технологию UltraPixel. Производитель обещал серьёзный рост качества фото и видео.
Технология UltraPixel. YouTube‑канал Engineers World Online
На самом деле UltraPixel оказались всего лишь более крупными пикселями размером 2 мкм. Можно ли считать это новой технологией? Вряд ли. Для сравнения: в Google Pixel, который также собирала HTC и который в своё время считался одним из лучших камерафонов на рынке, была матрица с пикселями в 1,55 мкм. Размер камеры не увеличивали, чтобы не выросла толщина смартфона. Разрешение матрицы в 5 Мп было небольшим даже для 2014 года. В итоге очереди за HTC One (M7) не стояли.
Другой пример — технологии вроде Super Pixel или Quad Pixel. Четыре соседних пикселя крупной матрицы объединяют, чтобы получить фото меньшего разрешения, но лучшего качества. Решение чисто программное. Если матрица так себе, эффективность будет невысокой.
Стабилизация
Оптическая стабилизация всегда лучше цифровой. Алгоритмы постобработки всё равно будут применяться к кадру, и лучше, если он будет чётким изначально.
