Пиксель и мегапиксель разница

Обновлено: 06.07.2024

Непрерывное развитие технологии цифровых камер может смущать умы, поскольку постоянно вводятся новые термины. Эта глава призвана прояснить некоторые моменты касательно цифровых пикселей — в частности, для тех, кто ещё только задумывается или только что купил свою первую цифровую камеру. Здесь рассматриваются такие концепции, как размер сенсора, мегапиксели, дизеринг (цветозамес) и печатный размер.

Пиксель: фундаментальная единица всех цифровых изображений

Любое цифровое изображение состоит из фундаментальных единиц: пикселей. Термин «пиксель» (PIXEL) произошёл от сочетания двух английских слов: «изображение» (PICture) и «элемент» (ELement). В русском языке существовало аналогичное слияние («элиз»), но оно оказалось неудачным и не прижилось. Так же, как работы пуантилиста состоят из серии нарисованных пятен, так и миллионы пикселей могут быть объединены в подробное и кажущееся сплошным изображение.

Наведите курсор для выбора: пуантилизм пиксели


Каждый пиксель содержит серию чисел, которые описывают его цвет или интенсивность. Точность, с которой пиксель может описать цвет, называется его разрядностью или глубиной цветности. Чем больше пикселей содержит ваше изображение, тем больше деталей оно способно передать. Заметьте, что я написал «способно», поскольку простое наличие большого числа пикселей ещё не означает полного их использования. Эта концепция важна и будет далее раскрыта более подробно.

Печатный размер: пиксели на дюйм (PPI) и точки на дюйм (DPI)

Поскольку пиксель является всего лишь логической единицей информации, он бесполезен для описания печатных оттисков — если не указать при этом их размер. Термины «пиксели на дюйм» (PPI) и «точки на дюйм» (DPI) появились, чтобы соотнести теоретическую единицу с визуальным разрешением материального мира. Эти термины зачастую ошибочно взаимозаменяют (в частности, для струйных принтеров), — дезориентируя пользователя относительно максимального печатного разрешения устройства.

«Пиксели на дюйм» является более чётким из двух терминов. Он означает количество пикселей на 1 дюйм изображения по горизонтали и вертикали. «Точки на дюйм» на первый взгляд выглядят обманчиво просто. Сложность в том, что устройству может понадобиться сделать несколько точек, чтобы создать один пиксель; тем самым указанное количество точек на дюйм не всегда означает аналогичное разрешение. Использование множества точек для создания одного пикселя означает процесс, называемый «дизерингом».


Устройство с ограниченным набором цветных чернил может обмануть глаз, собирая их в миниатюрные сочетания, создавая таким образом восприятие разных цветов, — если «суб-пиксель» достаточно мал. Вышеприведенный пример использует 128 цветов, тогда как вариант с цветозамесом создаёт практически идентично выглядящую картину, задействовав всего 24 цвета. Есть одна критическая разница: каждая цветная точка в изображении с замешиванием цвета обязана быть намного меньше отдельно взятого пикселя. Как следствие, изображения практически всегда требуют существенно больше DPI, чем PPI, чтобы достичь подобного уровня детализации. Кроме того, PPI намного более универсально, поскольку не требует знания устройства для понимания того, насколько детальным будет отпечаток.

Стандарт, принятый в фотолабораториях для отпечатков, равен 300 PPI, однако струйные принтеры для получения фотографического качества требуют в несколько раз больше DPI (в зависимости от числа чернил). Кроме того, это зависит от применения; журнальные и газетные отпечатки могут использовать намного меньшее качество. Чем больше вы пытаетесь увеличить отдельно взятое изображение, тем меньшим станет его PPI (для одинакового количества пикселей).

Мегапиксели и максимальный печатный размер

«Мегапиксель» означает просто миллион пикселей. Если вам нужна определённая детальность и соответствующее разрешение (PPI), она непосредственно влияет на предельный печатный размер для заданного числа мегапикселей. Следующая таблица приводит максимальные печатные размеры в разрешениях 200 и 300 PPI для некоторых наиболее распространённых в камерах чисел мегапикселей.

Мп Максимальный отпечаток 3:2
для 300 PPI, см: для 200 PPI, см:
2 14.7 x 9.7 22.1 x 14.7
3 18 x 11.9 26.9 x 18
4 20.8 x 13.7 31 x 20.8
5 23.1 x 15.5 34.8 x 23.1
6 25.4 x 17 38.1 x 25.4
8 29.2 x 19.6 44 x 29.2
12 35.8 x 23.9 53.9 x 35.8
16 41.4 x 27.7 62.2 x 41.4
22 48.5 x 32.5 72.9 x 48.5

Заметьте, что 2Мп камера неспособна даже обеспечить стандартный отпечаток 10x15 см в разрешении 300 PPI, а для 40x25 потребуется целых 16 Мп. Это может обескуражить, но не отчаивайтесь! Многим будет вполне достаточно разрешения 200 PPI, а при большой дистанции обзора его можно даже ещё уменьшить (см. «Увеличение цифровых фотографий»). Многие настенные постеры предполагают, что вы не станете их разглядывать с 15 см, а потому их разрешение зачастую меньше 200 PPI.

Камера и соотношение сторон изображения


Вышеприведенный расчёт печатного размера подразумевает, что соотношение сторон, то есть соотношение длинной и короткой сторон кадра, составляет стандартные 3:2, используемые в камерах 35 мм. На самом деле, большинство компактных камер, мониторов и телеэкранов имеют соотношение сторон 4:3, а у большинства цифровых зеркальных камер оно равно 3:2. Существует множество других вариантов: некоторое плёночное оборудование высшего класса использует даже квадратный кадр 1:1, а в фильмах на DVD применяется расширенный кадр 16:9.

Это означает, что если вы используете камеру с кадром 4:3, но хотите получить отпечаток 10x15 см (3:2), заметная часть ваших мегапикселей будет потрачена впустую (11%). Нужно принимать это во внимание, если соотношение сторон кадра вашей камеры отличается от требуемых размеров отпечатка.

Пиксели как таковые могут иметь своё собственное соотношение сторон, хотя это менее распространено. В некоторых видеостандартах и ранних камерах Nikon существовали асимметричные пиксели.

Размер цифрового сенсора: не все пиксели одинаковы

Даже если у двух камер одинаковое число пикселей, это необязательно означает, что размеры их пикселей также совпадают. Основной фактор отличия более дорогих цифровых зеркальных камер от своих компактных собратьев в том, что у первых цифровой сенсор занимает заметно большую площадь. Это означает, что если компактная и зеркальная камеры имеют одинаковое число пикселей, размер пикселя в зеркальной камере будет намного больше.

Сенсор компактной камеры

Сенсор зеркальной камеры

Какая разница, какого размера пиксели? Пиксель большего размера имеет большую площадь светосборника, что означает, что светосигнал на равных промежутках времени будет сильнее.

Обычно это приводит к гораздо лучшему соотношению сигнал-шум (SNR), что обеспечивает более гладкое и детальное изображение. Более того, динамический диапазон изображений (градация света и тени между абсолютно чёрным и засветкой, которую камера способна передать) тоже нарастает с увеличением размера пикселя. Это происходит потому, что каждый пиксель способен накопить больше фотонов, прежде чем наполнится и станет полностью белым.

Диаграмма внизу иллюстрирует относительный размер нескольких стандартных размеров сенсоров на современном рынке. В большинстве цифровых зеркальных камер используется кроп-фактор 1.5 или 1.6 (по сравнению с плёнкой 35 мм), хотя у некоторых моделей высшего класса цифровой сенсор имеет ту же площадь, что и кадр 35 мм. Размеры сенсоров, указанные в дюймах, не отражают настоящего диагонального размера, но вместо того описывают приблизительный диаметр «изображаемого круга» (используемого не полностью). Тем не менее, это число входит в характеристики большинства компактных камер.


Почему бы просто не использовать сенсор максимально возможного размера? Прежде всего потому, что большие сенсоры стоят существенно дороже, так что они не всегда выгодны.

Прочие факторы выходят за рамки этой статьи, однако можно принять во внимание следующие факторы: сенсоры большого размера требуют меньших диафрагм для получения аналогичной глубины резкости, однако они также и меньше подвержены дифракции на выбранной диафрагме.

Значит ли всё вышесказанное, что втискивать побольше пикселей в ту же площадь сенсора плохо? Обычно это увеличивает шумы, но разглядеть их можно только при 100% увеличении на мониторе вашего компьютера. В отпечатке шум модели с большим числом мегапикселей будет намного менее заметен, даже если на экране снимок кажется более шумным (см. «Шум в изображении: частота и амплитуда»). Это преимущество обычно превосходит любой прирост шумов при переходе к модели с большим числом мегапикселей (с некоторыми исключениями).

Если спросить пользователей смартфонов, что делает камеру лучшей, большинство из них назовет количество мегапикселей. Честно говоря, они не ошиблись бы. Ведь это один из признаков хорошей камеры. Поэтому неудивительно, что производители уделяют им столько внимания – известные бренды демонстрируют мобильные устройства с 12, 16 и даже 30 МП.

Прежде чем мы углубимся в эту тему, нужно разобрать, что такое пиксели.

Что такое пиксели?

На цифровом изображении это – крошечная точка, содержащая визуальные данные; это – крошечные строительные блоки, из которых создается картинка. Общее количество строительных блоков известно как мегапиксели.

Когда говорят, что фотография смартфона имеет разрешение 12 МП, это означает, что она состоит из 12 млн маленьких точек разных цветов (4 млн в ширину и 3 млн в высоту).

Это называется разрешением. Оно определяет детали. Чем больше этих пикселей, тем более детальным будет изображение.

Картинки с высоким разрешением можно распечатать в большом размере, не беспокоясь о пикселизации. Чем меньше количество мегапикселей изображения, тем меньше его физический размер при печати или отображении с оптимальным качеством.

Что влияет на качество изображения?

Среди пользователей распространено мнение, что чем больше мегапикселей, тем лучше качество изображения. Хотя в этом есть доля правды, на самом деле это не так. Точнее, не совсем так.

Есть и другие характеристики, которые влияют на качество картинки, такие как матрица, размер пикселя и линзы, диафрагма.

Матрица

Это устройство, состоящее из светочувствительных фотосайтов (также называемых пикселями), которые улавливают световые фотоны, когда они попадают в камеру. Процессор изображения берет эту световую информацию с матрицы и использует ее для воссоздания изображения сцены.

Разные камеры имеют разные размеры сенсоров. У хорошей будет сенсор, очень близкий к полному дюйму.

Если один телефон имеет матрицу 1/3 дюйма (iPhone X), а другой – 1/1,7 дюйма (Huawei Mate 30 Pro), то датчик 1/1,7 – больший из двух.

Чем меньше размер сенсора, тем хуже будет качество картинки.

Размер пикселя

Пиксели (или фотосайты) на датчике отвечают за улавливание света, попадающего в камеру. Чем они больше, тем больше света может уловить датчик. В результате получаются хорошо экспонированные изображения даже в условиях плохого освещения.

У хорошей камеры телефона будет не только большой сенсор, но и довольно большие пиксели. Это особенно важно для сенсоров камерофонов из-за того, насколько все они маленькие. Если пиксели слишком малы, изображения будут искажены явным цифровым шумом.

Если светоприемные области датчика недостаточно велики, чтобы принимать много света, то шум будет очень заметен.

В 2020 году самый большой размер пикселя на сенсорах камеры составил 2,4 мкм, как у Huawei P40 Pro. Интересно, что у P30 Pro пиксели меньше (0,8 мкм). Однако, как и во многих смартфонах с большим количеством мегапикселей, в нем используется их объединение.

Объединение позволяет соединить соседние пиксели на датчике вместе для создания более крупных пикселей. Например, Samsung Galaxy S20 Ultra может увеличивать размер с 0,8 мкм до 2,2 мкм.

Если в камере телефона маленький сенсор и пиксели, полученные фото будут низкого качества.

Диафрагма

Это диаметр отверстия, через которое свет попадает в камеру. Он работает почти так же, как радужная оболочка наших глаз, которая расширяется или сжимается, чтобы регулировать количество света, попадающего на фоторецепторы в задней части глаза.

Насколько темным или ярким будет изображение, зависит от размера этого отверстия, который выражается в диафрагмах. Чем меньше значение диафрагмы, тем шире отверстие и, следовательно, тем больше света попадает на датчик.

С момента появления цифровой фототехники между разными производителями идет своеобразная "гонка мегапикселей", когда новая модель фотоаппарата неизменно получает матрицу все большего и большего разрешения. Темпы этой гонки год от года меняются - достаточно долго "вертикальным" пределом для кропнутых зеркалок были 16-18 мегапикселей, но потом в очередной раз в производство были внедрены какие-то инновации и разрешающая способность кропнутых камер подбирается к отметке в 25 мегапикселей.

Для начала вспомним, что пиксель - это базовый элемент, точка, одна из тех, из которых формируется цифровое изображение. Этот элемент дискретный и неделимый - нет таких понятий как "миллипиксель" или 0.5 пикселя :) Зато есть понятие мегапиксель, под которым понимается массив пикселей в количестве 1 000 000 штук. К примеру, изображение размером 1000*1000 пикселей - имеет разрешение ровно 1 мегапиксель. Разрешение матриц большинства фотокамер давно уже перевалило за отметку 15 мегапикселей. Что это дало? Когда разрешение цифровых фотокамер было 2-3 мегапикселя, каждый лишний мегапиксель был действительно серьезным преимуществом. Сейчас же мы наблюдаем парадоксальную ситуацию - заявленное разрешение матриц любительских зеркалок стало таким, что дает возможность делать отпечатки приемлемого качества форматом чуть не А1! В то время как большинство фотолюбителей редко печатают фотографии больше чем 20 на 30 см, для этого достаточно 3-4 мегапикселей.

Стоит ли менять старый фотоаппарат на такой же по функциям, но "более мегапиксельный?"

Возьмем для примера два фотоаппарата - "простенький" любительский Canon EOS 1100D и "продвинутый" Canon EOS 700D. У первого разрешение матрицы "всего лишь" 12 мегапикселей, у второго - "целых" 18 мегапикселей. Разница - в 1.5 раза. Первая мысль, возникающая у многих фотолюбителей примерно такая - "Поменяв 1100Д на 700Д я буду получать в 1.5 раза лучшую детализацию! Теперь на фотографиях будут видны абсолютно все нюансы - мне этого так не хватало с моей старой камерой!". Эта установка активно поддерживается рекламщиками. Фотолюбитель, убедивший себя, в том что ему совершенно необходима новая камера, разбивает копилку и идет в магазин.


Рост мегапикселей в ряде случаев снижает резкость даже при использовании хорошей оптики!

Казалось бы - это вообще похоже на бред! Однако, не будем торопиться с выводами. Логично, что при росте мегапикселей с сохраненем размеров сенсора уменьшается площадь каждого отдельно взятого пикселя. Возможно, вы знаете, что уменьшение площади пикселя приводит к снижению его реальной чувствительности, а, следовательно, к росту уровня шумов (чисто теоретически). Однако, благодаря постоянному совершенствованию технологий и алгоритмов обработки сигналов, новые матрицы, даже несмотря на ощутимое снижение площади пикселей имеют весьма невысокий уровень шумов. Но опасность может подстерегать совсем с другого края.

Я уже рассказывал о такой вещи как дифракция. Не вдаваясь в подробности, напомню, что это свойство волны огибать препятствие, чуть меняя при этом направление. При прохождении пучка света через узкое отверстие, этот пучок имеет свойство как-бы распыляться, подобно спрею (да простят меня физики за такое сравнение :)


В нашем случае в качестве отверстия выступает апертура (диафрагменное отверстие). Чем сильнее зажата диафрагма, тем под большим углом "распыляется спрей". В итоге, "идеально четкая" точка после прохождения апертуры превращается в размытое пятнышко. Чем меньше диаметр апертуры, тем сильнее это размытие. А теперь давайте к этой картинке добавим небольшой кусочек матрицы с пикселями и попробуем приблизительно представить, как будет выглядеть эта "идеально четкая" точка на фотографии.

Невысокое разрешение, крупные пиксели
Высокое разрешение, мелкие пиксели

Что из этого получилось? Будем считать, что пиксели имеют квадратную форму.


Диаметр пятна размытия оказался меньше размера пикселя и "идеально четкая" точка получилась размером в 1 пиксель (это идеальный вариант).


Диаметр пятна размытия оказался больше размера пикселя и его края попали на соседние пиксели, в итоге на картинке "идеально четкая" точка оказалась размытым пятнышком.

Естественно, приведенные иллюстрации не претендуют на абсолютную точность, не учтено множество нюансов - хотя бы то, что при формировании изображения происходит интерполяция соседних пикселей и многое другое. Суть в том, чтобы показать, что при уменьшении площади пикселя уменьшается рабочий диапазон диафрагменных чисел. Если у матрицы очень большое разрешение, не стоит слишком сильно зажимать диафрагму объектива, поскольку это приведет к появлению на фотографиях дифракционного размытия. Матрицы с малым количеством мегапикселей позволяют зажимать диафрагму чуть ли не до f/22 и особого размытия при этом не наблюдается.

Сглаживающий фильтр - для чего он нужен и почему в современных камерах его нет?

Низкочастотный фильтр, он же сглаживающий, он же low pass - это стеклышко перед матрицей, которое чуть "замыливает" картинку. Для чего он это делает? Главное назначение сглаживающего фильтра - борьба с муаром. Муар - это характерный рисунок, появляющийся при наложении друг на друга мелких текстур. Его можно увидеть, посмотрев на сложенный в несколько слоев тюль на окне. Что-то наподобие этого:


Точно такой же эффект получается при съемке мелких ритмичных текстур - их рисунок накладывается на "рисунок" из пикселей матрицы:


Приведенный пример - кадр из видео в масштабе 200%. Рубашка имела узор из очень мелких клеточек. Настолько мелких, что камера их просто не передала, но картинка расцвела муаром.

Чтобы подавить муар, нужно чуть размыть картинку. При этом будет страдать детализация, но муар уменьшится (или исчезнет). Сглаживающий фильтр выполняет именно эту роль. Насколько эффективно он это делает? Давайте попробуем смоделировать работу сглаживающего фильтра и сделать размытие картинки до полного исчезновения муара.


Согласитесь, такое качество никого не устроит. Именно поэтому сглаживающий фильтр не убирает муар полностью, а лишь чуть его ослабляет, но при этом снижает микроконтраст картинки.

В большинстве современных камер сглаживающий фильтр отсутствует, его заменили программные алгоритмы подавления муара, благо вычислительная мощность современных камерных процессоров позволяет это сделать. Алгоритмы могут применяться не всегда, а лишь тогда, когда надо, то есть камеры с матрицами без сглаживающего фильтра дают лучшую детализацию при том же количестве мегапикселей, в этом их плюс. Отрицательный момент - "программное" решение почти всегда хуже "аппаратного". В тех 5% случаев, когда действительно нужно побороть муар, камеры со сглаживающим фильтром проявят себя лучше.

Купили современную тушку? Позаботьтесь о хорошей оптике!

Кстати, не факт, что старый профессиональный объектив будет гарантированно "прорисовывать" картинку. Объектив Canon EF 24-105mm 1:4L на старой 13-мегапиксельной камере Canon EOS 5D давал замечательную по резкости картинку. Но стоило его повесить на современную камеру Canon EOS R, все стало не так хорошо. Для новых камер лучше покупать именно современную оптику.

Смартфон с 48, 64, 108+ мегапикселями - хорошо это или плохо?

Матрица смартфона по размеру сопоставима с матрицей компактного фотоаппарата (цифромыльницы). До недавнего времени разрешение камер смартфонов не превышало 12, ну максимум 16 мегапикселей. Но в определенный момент появился смартфон с 40+ мегапикселями (Nokia Lumia 1020), а еще спустя какое-то время в рекламе смартфонов из Китая замелькали цифры 48, 64 и даже 108 мегапикселей! Неужели произошла революция в "матрицестроении", причем только в мобильном? И да, и нет.

С другой стороны, зачем объединять мелкие пиксели в группы вместо того, чтобы сделать "честные" 12 мегапикселей? Если вы знакомы с основами статистики, то известно, что наиболее точные измерения получаются в виде усреднения значений выборки, нежели из одиночных значений. Здесь тот же самый принцип - матрица размером 3*3 пикселя дает выборку из 9 значений, таким образом погрешность измерений будет меньше, чем при считывании информации с одного "крупного" пикселя, то есть, информация, снятая с матрицы будет более достоверная. Дальше она отправляется на программную обработку, в результате которой формируется файл изображения. Ну и с точки зрения маркетинга, 108 мегапикселей - это круто!



1. Так выглядит 100% кроп с 12 мегапиксельной фотографии на смартфон

2. Так выглядит 100% кроп с 12-мегапиксельной полнокадровой зеркалки Canon EOS 5D

Так сколько же должно быть мегапикселей в фотоаппарате?

Возвращаемся к основному вопросу, которому посвящена статья. Все зависит от типа фотоаппарата, размера матрицы и возможностей оптики. Лично я считаю, что разумное количество мегапикселей такое:

  • Для аппаратов со сменной оптикой с "китовым" объективом - не более 20 мегапикселей. При большем разрешении матрицы сужается "рабочий" диапазон фокусных расстояний и диафрагм. Хотите получать максимально детализированное изображение - старайтесь не снимать на "крайних" фокусных расстояниях, устанавливайте диафрагму 8.
  • Для аппаратов со сменной оптикой с фиксами или профессиональными зумами такого явного ограничения нет, главное, чтобы объектив смог прорисовать все эти мегапиксели. И еще при росте мегапикселей снижается максимальное "рабочее" диафрагменное число. Старайтесь не снимать в обычных условиях с диафрагмой больше 11-13 - будет заметно снижение резкости из-за дифракционного размытия.
  • Для компактных камер и смартфонов разумный предел - 10-12 мегапикселей. Все что больше - либо маркетинговый ход, либо искусственно раздутое разрешение, которое в итоге трансформируется в ту же 12-мегапиксельную картинку.

Поддержать проект

Вероятно, вы обратили внимание, что на сайте почти нет рекламных баннеров. Согласитесь, без них читать статьи гораздо приятнее. Но сайту надо на что-то существовать.

На дешевых кнопочных телефонах по-прежнему используются камеры с разрешением 0,3 Мп, у топовых моделей смартфонов установлены сенсоры на 108 Мп. Казалось бы, всё очевидно: чем больше мегапикселей, тем лучше снимает камера. Да? Но нет!

Зачем камере нужны пиксели?

Давайте представим матрицу в камере смартфона. Это площадка небольшого размера, усеянная фотодиодами (пикселями). Они преобразуют свет в электрический заряд, который затем превратится в цифровое фото.


Если в камере смартфона 12 млн фотодиодов, значит сенсор имеет разрешение 12 мегапикселей (то есть 12 миллионов пикселей).

Зачем повышать разрешение камеры?

При просмотре на экране смартфона двух снимков, например с разрешением 48 Мп и 12 Мп, разница будет минимальна. Но есть случаи, когда количество мегапикселей играет важную роль.

Если вы распечатываете снимки со смартфона. Чтобы распечатать снимок формата 8 x 10 дюймов (20,32 x 25,4 см) с высокой плотностью пикселей 300 точек на дюйм, достаточно сенсора на 7,2 Мп. Но вот для фото формата 11 x 14 дюймов (27,94 x 35,56 см) нужно уже 13,9 Мп.

Плотность пикселей в 300 точек на дюйм гарантирует, что вы не разглядите отдельных пикселей на распечатанном фото с расстояния около 30 см.

Пример работы 4-кратного цифрового зума. Темная область по краям — это исходное изображение без кадрирования

Если вы часто пользуетесь цифровым, гибридным зумом или кадрированием. Цифровой зум работает так же, как и кадрирование: вырезает часть фото. И чем больше разрешение снимка, тем больше деталей сохранится. Если вы часто зумите или кадрируете снимки, ставьте режим с максимальным разрешением фото.

Еще разрешение камеры влияет на гибридный зум. 10-кратное увеличение смартфоны делают без потери качества с помощью отдельной телефотокамеры. Например, такая есть в Galaxy S21 Ultra 5G и Huawei P40 Pro Plus. Но когда речь заходит о стократном увеличении, применяется гибридный зум: 10-кратное увеличение — без потерь, а остальное приближение достигается вырезанием фрагмента фото. Как и в случае с цифровым зумом, чем больше разрешение камеры, тем лучше.

Что в итоге?

Высокое разрешение камеры полезно в определенных сценариях, таких как кадрирование, печать, цифровой или гибридный зум. В остальных случаях дополнительные мегапиксели в камере не так уж важны.

Читайте также: