Что такое пиксельная камера
Обновлено: 04.07.2024
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.
За последние пару лет камеры смартфонов существенно прибавили в разрешении — появились модули на 48, 64 и даже 108 Мп. Фотографии такого большого разрешения не нужны рядовому пользователю, поэтому по умолчанию телефон сохраняет их в формате 12 или 16 Мп. При этом используется технология биннинга. Давайте разберемся, что это такое.
Влияет ли размер пикселей на качество фотографии?
Для ответа на вопрос «что такое биннинг?» нужно понимать основы фотографии. Пиксель — это физический элемент модуля камеры, который «ловит» свет. Чем больше площадь пикселя, тем больше света он может захватить.
Например, компактная камера и профессиональный зеркальный фотоаппарат могут иметь одинаковое количество пикселей. Но у «зеркалки» размер пикселя будет намного больше.
Благодаря этому, изображение становится более детальным и имеет меньшее количество шумов. Особенно это актуально для ночной и вечерней фотографии. Динамический диапазон также возрастает при увеличении размера пикселя. В отличие от человеческого глаза, камера способна воспринять лишь ограниченный охват по яркости. Иногда в кадре сложно показать одновременно и солнце, и темные детали.
Размер пикселей измеряется в микронах (в 1 миллиметре — 1000 микрон). В основном модуле iPhone 12 Pro Max используются пиксели 1,7 мкм, в то время как у 12 Pro — «обычные» 1,4 мкм. Как это влияет на съемку? Большие пиксели улучшают качество фото при недостаточном освещении, в том числе в помещениях или в сумерках. Например, Pro Max в ночном режиме сокращает время выдержки из-за меньшего количества шумов в кадре. Оно составляет 2 секунды вместо 3 секунд, необходимых для iPhone 12 Pro.
У производителей есть два пути улучшения качества мобильной фотографии. Если дополнительно увеличить размер пикселя, то вырастет и размер самой камеры, что повлияет на габариты и вес смартфона. Мобильные камеры должны оставаться небольшими, чтобы сохранить общепринятую толщину смартфонов: никому не нужен огромный блок, торчащий из корпуса, хотя уже сегодня камеры зачастую слегка выступают за пределы задней панели. С другой стороны, можно уменьшить количество крупных пикселей, но тогда пострадает разрешение фото. Чтобы решить эту дилемму, был придуман компромиссный вариант — пиксельная бинаризация.
Как работает пиксельная бинаризация
Бинаризация или биннинг — это технология объединения соседних пикселей. Четыре небольших субпикселя превращаются в один большой «суперпиксель», а разрешение пропорционально падает в четыре раза.
Например, смартфон OnePlus Nord имеет основную камеру 48 Мп с размером пикселя 0,8 мкм. При съемке в стандартном режиме получится фото с разрешением 12 Мп, качество которого будет аналогично модулю с размером пикселя 1,6 мкм. При этом в приложении камеры также будут доступны «честные» 48 Мп, но снимать детализированные фото можно только при хорошем освещении, поскольку уровень шумов также возрастет.
Объединение пикселей происходит при помощи фильтра Байера. Сотрудник Kodak Брюс Байер запатентовал изобретение еще в 1976 году — это набор цветных фильтров, которым накрывают диоды матрицы. Он состоит на четверть из красных, на четверть из синих и на половину из зеленых элементов. Фильтр имитирует глаз человека, который наиболее восприимчив к желто-зеленому диапазону спектра.
Фильтр Байера группирует эти цвета в кластеры по четыре, а после того, как изображение сделано, используется программная обработка, которая объединяет пиксели, чтобы получить окончательное полноцветное изображение.
Технология совмещения пикселей оказалась успешной с точки зрения маркетинга. Основные производители смартфонов, включая Xiaomi, Huawei, Samsung и Realme, стали комплектовать камерами 48 и 64 Мп даже бюджетные модели.
Во флагманских решениях применяют 108 Мп. Главное отличие в том, что в этом случае объединяют уже не четыре, а девять пикселей в один.
Почему не все производители смартфонов используют биннинг
И хотя биннинг обеспечивает два варианта съемки (например, 12 Мп и 108 Мп) для одного и того же сенсора, на 12-мегапиксельном снимке, как и следовало ожидать, окажется меньше деталей по сравнению с фото, снятым на 108 Мп. По этой причине пиксельную бинаризацию не применяют повсеместно. Чаще всего она задействована в определенных режимах съемки.
Как определить, использует ли ваш смартфон биннинг? Если гаджет оснащен камерой от 32 Мп и выше, он почти гарантированно использует пиксельную бинаризацию. Кроме того, некоторые смартфоны, использующие камеры с более низким разрешением, также применяют биннинг. В их числе компания LG, которая использовала технологию для режима Super Bright в 16-мегапиксельных камерах, а также китайский производитель Xiaomi, который применил биннинг в камерах на 16 Мп и 20 Мп. Камеры на 16 Мп с пиксельной бинаризацией использовали в своих моделях Huawei и OnePlus. Тем не менее, это скорее исключение из правил, и камеры с более высоким разрешением лучше подходят для бинаризации. Если вы обладатель iPhone, то можно с уверенностью сказать, что ваш смартфон не использует биннинг. Apple пошла по другому пути: компания решила совершенствовать собственные технологии, чтобы улучшить режим ночной съемки. То же можно сказать и о Google: технологический гигант рассчитывает на собственные алгоритмы для оптимизации изображений и не торопится применять биннинг.
В целом, объединение пикселей — это удачное решение, которое позволяет получить яркие фотографии при слабом освещении, однако конечные изображения будут иметь меньшее разрешение по сравнению с камерой, при помощи которой были сделаны эти фото. Бинаризация остается компромиссом, на который приходится идти, чтобы смартфон показывал себя одинаково хорошо в различных условиях съемки. Однако смартфоны, оснащенные камерами с более низким разрешением, также могут создавать качественные изображения, если используют искусственный интеллект или детально проработанные программные настройки.
Производители работают над тем, чтобы увеличить размеры сенсора камеры и разместить там больше пикселей. Это позволит дополнительно улучшить фотографии посредством пиксельной бинаризации. Помимо этого, компании оптимизируют работу мобильных камер в целом. Так, ночные режимы используют более высокие значения ISO и длинную выдержку. Благодаря этому в будущем объединение пикселей, возможно, не будет использоваться столь широко: его заменят более современные технологии.
Если производитель комплектует смартфон камерой с матрицей на 32, 48, 64 или больше мегапикселей, он с огромной вероятностью использует технологию пиксельного биннинга — объединения соседних пикселей. Это, в том числе, касается актуальных флагманов Xiaomi Mi 11 и Samsung Galaxy S21 Ultra, основные камеры которых построены вокруг матриц на 108 Мп. Что интересно, технология не нова даже на рынке мобильных устройств: еще пару лет назад она была использована в Xiaomi Redmi Note 7 и Mi 9, Honor View 20 и Huawei Nova 4, а также Vivo V15 Pro и ZTE Blade V10. Ее особенности и обсудим.
Содержание
Какое значение имеет размер каждого пикселя в камере смартфона
В физическом смысле каждый пиксель из матрицы в камере вашего мобильного устройства представляет собой специальный фотоэлемент, который предназначен для улавливания света во время нажатия на кнопку спуска. Размер подобных объектов измеряется в микронах — миллионных частях метра или микрометрах. Еще пару лет назад производители не умели делать пиксели размером меньше микрона. Тем не менее, до сегодняшнего дня на рынке появились, в том числе, и подобные варианты. Сейчас пиксели меньше одного микрона считаются маленькими, а больше микрона — большими.
К примеру, в матрице основной камеры iPhone 12 Pro Max на 12 Мп Apple увеличила размер пикселя с 1,4 микрона, что ранее считалось более чем, до еще большего значения — 1,7 микрона. Для сравнения, в матрице основной камеры Samsung Galaxy S21 Ultra на 108 Мп размер каждого пикселя составляет всего 0,8 микрона. Тем не менее, в последнем случае предусмотрено использование технологии пиксельного биннинга — подробнее о ней дальше по тексту. Корейский флагман может делать снимки с разрешением 12 Мп, объединяя девять маленьких пикселей (три по ширине и три по высоте) в один большой с размером 2,4 микрона.
Размер пикселя влияет на количество света, который он может поглощать во время создания снимка. Это особенно критично, когда речь заходит про фотографии в помещении или в условиях недостаточного освещения на улице: ранним утром, вечером или ночью. По логике, чем больше каждый пиксель, тем лучше. Тем не менее, камеры смартфонов крайне ограничены в максимальных габаритах, и их дальнейшее увеличение невозможно. Получается, что дробить матрицу скромных размеров на огромное число небольших пикселей — глупость, но это не так. В данном случае в игру как раз и вступает пиксельный биннинг.
Что собой представляет пиксельный биннинг в камерах смартфонов
Пиксельный биннинг — процесс, при котором полученные из нескольких соседних пикселей матрицы данные объединяются в один. Ранее считалось, что речь идет только про условные квадраты размером 2×2 точки, но сегодня используется и формат 3×3 — такой, к примеру, применяется в Samsung Galaxy S21 Ultra. В последнем, как уже говорилось выше, таким образом из отдельных пикселей размером 0,8 микрона получается квадрат на 2,4 микрона. Более старый пример — Honor View 20 с камерой на 48 Мп и пиксельным биннингом 2×2: пиксели по 0,9 микрона в его случае превращаются в квадраты по 1,8 микрона. Тоже неплохо.
Чтобы рассмотреть их менее поверхностно, придется разобраться, из каких элементов, в принципе, состоит каждый отдельный пиксель в матрице камеры смартфона. Традиционно в его структуре есть фотодиод, который поглощает свет, специальная линза для фокусировки потока, а также цветовой фильтр (фильтр Байера), отвечающий за поглощение конкретного оттенка. Тем не менее, в смартфонах, камеры которых используют матрицы большого разрешения, применяется другое строение пикселей. Обычно каждый цветовой фильтр в данном случае предназначен не для одной, а сразу для нескольких точек, расположенных в квадрате 2×2 или 3×3 точек.
Таким образом, получается, что в камере на 48 Мп с пиксельным биннингом 2×2 в четыре раза меньше традиционных точек — 12 Мп, а в матрицах на 108 Мп с пиксельным биннингом 3×3 их в девять раз меньше — те же 12 Мп. Неужели производители таким нехитрым образом нас просто обманывают? Нет. Да, с одной стороны, вместо небольшого числа полноценных пикселей они предлагают нам в несколько раз больше неполноценных. Тем не менее, с другой стороны, кроме сугубо маркетинговых для конкретного производителя в данном подходе есть несколько очевидных преимуществ для обычного пользователя.
У пиксельного биннинга есть как преимущества, так и недостатки
✅ Плюсы:
Можно добиться высокой детализации. Когда вы снимаете в условиях более чем достаточного освещения, можно не применять процесс объединения отдельных пикселей и воспользоваться полным разрешением матрицы конкретного гаджета. В данном случае получится добиться максимальной детализации.
Зум становится более качественным. Речь в данном случае именно про его цифровой вариант. Когда света достаточно, можно просто сделать кроп с матрицы без необходимости растягивать картинку. В данном случае уменьшается число шумов и других возможных артефактов — в камерах смартфонов, которые используют пиксельный биннинг, обычно именно этот вариант и используется.
Расширяются возможности для HDR. При использовании большого числа пикселей можно добиться более продвинутой работы с широким динамическим диапазоном — заставить отдельные точки работать с разной выдержкой, чтобы создавать не только качественные фото, но даже HDR-видео.
❌ Минусы:
Большинство фото в низком разрешении. Пиксельный биннинг уменьшает разрешение снимка. Вместо 108 Мп в том же Samsung Galaxy S21 Ultra чаще всего будет использоваться именно 12 Мп — это особенно касается съемки в условиях недостаточного освещения: даже просто в помещении с искусственным светом.
Большая нагрузка на встроенное железо. Сегодня пиксельный биннинг чаще всего используется в смартфонах из верхнего ценового сегмента с топовыми чипами. Более слабые гаджеты обычно не справляются с обработкой огромного количества информации даже при объединении нескольких соседних пикселей в один. На роль исключения подходит Redmi Note 7, но таких примеров немного.
Почему Apple и Google игнорируют функцию пиксельного биннинга
В своих смартфонах Apple и Google используют камеры с матрицами на 12 Мп. Тем не менее, как и в случае с пиксельным биннингом, в данном случае отдельные пиксели также нельзя назвать традиционными. В каждой точке здесь используется по два фотодиода, поэтому их разрешение, в каком-то смысле, в два раза больше — 24 Мп вместо 12 Мп. Но, так как линза для фокусировки и цветовой фильтр на каждую такую пару только один, производители не играют в маркетинг. Да и чисто технически фотографировать в увеличенном разрешении они не дают, поэтому какие-то другие заявления были бы ошибкой.
Основным преимуществом подобного подхода является максимально высокая скорость фокусировки и низкая нагрузка не железо. Производители могут сосредоточиться не на обработке максимального количества пикселей, а на возможностях вычислительной фотографии. В этом они добились действительно интересных результатов. Чего только стоит возможность получения портретных изображений только с помощью одной камеры: в данном случае используется анализ разницы между информацией, полученной на каждый из пары фотодиодов в одном пикселе матрицы. Это — лишь один пример.
Какие перспективы могут быть у технологии пиксельного биннинга
Для начала пора смириться, что разрешение камеры давно превратилось в условный показатель, который не говорит о качестве съемки ровным счетом ничего. Производители матриц меняют принцип их работы, чтобы получить из их небольшого размера возможный максимум. В дальнейшем можно прогнозировать объединение двух подходов. К увеличению количества неполноценных точек с возможностью пиксельного биннинга прибавится и технология использования большего количества фотодиодов. На фоне роста производительности гаджетов это может дать интересный результат.
В соцсетях и месенджерах в мобильных приложениях набирает силу эпидемия слухов. Якобы в начале октября московские власти оснастили светофоры столицы незаметными камерами, штрафующими за нарушения на перекрестках.
За последние пару дней автор этих строк как минимум от пары десятков реальных и виртуальных знакомых получил пересылаемое SMS об очередной ужасной «свинье», подкладываемой автовладельцам ЦОДД со следующим текстом (грамматика и правописание — как в оригинале):
«Только, что новость из ЦОДД Всем кто ездит в Москве на автомобилях нововведение в камерах светофоров(пиксельные камеры уже установлены были ночью 01.10 и 02.10 специально, чтобы водители не видели) в центре Москвы а также в САО, ВАО, ЗАО, ЮАО, ЗЕЛАО с 05.10.2017 будет фотофиксация переезда стоп-линии на светофоре и соответственно Вам будут приходить штраф 800 ₽ КОАП СТ. 12.12! 07.10.и 08.10 подключат все остальные светофоры в СВАО, ЮВАО, Троицке, ЮАО, ЮЗАО там нарушения будет фиксироваться с 10.10,2017 Мои уши в правительстве Москвы сообщают».
Ничего толком не понятно, но страшно. Еще бы: выходит, что каждый светофор теперь будет меня штрафовать за сантиметр «заступа» машины за стоп-линию! То-то в последние пару дней я начал удивляться количеству водителей, тормозящих на светофорах «в пол» метров за 3—5 от стоп-линии. Думал, что просто ездить народ разучился, а оказывается нет — такова сила слуха, боятся штрафа людишки! Верить или нет этой информации из неизвестного источника? Частичка правды, как оказалось, в них есть.
Да, за пересечение стоп-линии действительно полагается 800 рублей штрафа и да, о возможности автоматической фиксации этого нарушения какое-то время назад велись разговоры, в том числе и в СМИ. Даже не будучи глубоким специалистом в технологиях автоматической фиксации нарушений ПДД, всю прочую информацию в будоражащих СМС можно смело считать чушью. Во-первых, никаких «пиксельных» камер не существует.
Верней «пиксели» есть у любой цифровой фото- или видеокамеры. Во-вторых, установить и отладить работу нескольких сотен новых камер за пару ночей физически невозможно. В-третьих, для фиксации выезда за стоп-линию недостаточно прилепить камеру к светофору. Что она будет фиксировать если, к примеру, стоп-линия уже стерлась? То есть нужно как минимум освежить разметку на сотнях регулируемых перекрестках города. Опять таки, за пару ночей это изобразить нереально. И самое главное: серийных камер автоматической фиксации столь малого размера, что они незаметны водителям пока еще не существует. Пожалуй, самая маленькая на данный момент по габаритам — «Стрелка-Плюс». Однако ее все равно неплохо видно у дороги.
Читайте также: