Качество на сензорите и оптиката на мобилните телефони: пълно ръководство

Информатек Дигитал » Ресурси » Качество на сензорите и оптиката на мобилните телефони: пълно ръководство

В днешно време носим мобилните си телефони залепени за ръцете си и ги използваме като основна камера за почти всичко: ежедневни снимки, работа, социални медии, пътуване… Ето защо качеството на сензорите и обективите на смартфона се е превърнало в един от ключовите фактори при избора на устройство, дори повече от мощността на процесора или капацитета на паметта.

Когато обаче започнем да разглеждаме техническите спецификации, се натъкваме на море от акроними, мегапиксели и странни имена на сензори, които могат да объркат всеки. Не е достатъчно да се съсредоточим само върху броя мегапиксели : размерът на сензора, качеството на обектива, стабилизацията, процесорът за изображения, нощните режими, различните задни камери и дори начинът, по който софтуерът интерпретира данните за сцената, влизат в действие.

Как всъщност работи камерата на мобилния телефон

Камерата на съвременния смартфон не е толкова различна от традиционната камера. По същество тя има обектив, който насочва светлината към сензор , и система за обработка, която преобразува тази информация в цифрово изображение. Номерът (и предизвикателството) се състои в това да се побере всичко това в минималното пространство, оставено от шасито на телефона.

Оптичният модул, т.е. лещата или наборът от лещи, е отговорен за улавянето на видимата светлина и насочването ѝ към сензора с възможно най-малко изкривяване . Ако лещата внесе твърде много хроматични аберации или изкривявания, няма значение колко добър е сензорът: снимката е съсипана още преди да достигне до чипа.

След като светлината попадне върху сензора, електрониката влиза в действие. Този компонент се състои от масив от милиони фоточувствителни клетки (един физически пиксел за всеки пиксел в крайното изображение). Всяка клетка приема фотони и ги преобразува в електрически сигнал, пропорционален на количеството получена светлина.

Следва софтуерът на телефона: процесорът за изображения и алгоритмите на марката интерпретират сигнала, настройвайки цвета, контраста, намаляването на шума, HDR, фокуса и всички финални щрихи . Тук разликата между висок клас телефон и евтин може да бъде огромна, дори когато се използват подобни сензори.

Най-голямото предизвикателство за производителите е да поберат всичко това в много тънък корпус. Колкото по-тънък е телефонът, толкова по-малко място има за сензора и обектива , което ги принуждава да правят дизайнерски избори: давайки приоритет на размера на сензора, блендата, стабилизацията, дебелината на модула на камерата и т.н.

Видове сензори: CCD, CMOS и еволюцията към BSI

В исторически план в цифровата фотография са използвани две основни семейства сензори: CCD (Charge-Coupled Devices - устройства със зарядно свързване) и CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductors - допълващи металооксидни полупроводници) . В продължение на години CCD-тата се считаха за превъзходни по отношение на качеството на изображението, главно поради динамичния си диапазон и ниските нива на шум.

CCD сензорите предлагаха много чисти изображения, с добро управление на светлите и сенките и по-малко шум , но бяха скъпи за производство, генерираха много топлина и изискваха сложни системи за охлаждане – нещо напълно непрактично за тънък и лек мобилен телефон. Освен това, тъй като са електрически заредени, те привличат прах по-лесно.

CMOS сензорите, от друга страна, са се развили изключително много през последното десетилетие. Днес почти всички смартфони от определено ниво използват CMOS сензори или техни усъвършенствани производни , защото те консумират до 75% по-малко енергия от CCD, генерират много по-малко топлина и са по-евтини и по-гъвкави за производство.

Основно предимство на CMOS сензорите е, че те могат да бъдат проектирани така, че да интегрират функции за обработка в самия сензор и да бъдат програмируеми, което доближава работата им до тази на чип с общо предназначение. Това доведе до решения, силно насочени към мобилни устройства, като например сензори с подсветка (BSI).

В BSI сензорите клетъчната структура се пренарежда, за да позволи на повече светлина да достигне до чувствителната област. Това води до по-добро заснемане на изображения в условия на слаба светлина , с по-малко шум и повече детайли, което е от решаващо значение за нощната фотография със смартфон.

Размерът на сензора и всеки пиксел: защо е толкова важен

Когато говорим за качество на изображението, не е достатъчно просто да кажем колко мегапиксела има една камера. Това, което наистина има значение, е физическият размер на сензора и всеки отделен пиксел . Два сензора могат да имат еднаква резолюция, но ако единият е по-голям, клетките му също ще бъдат по-големи и ще улавят повече светлина.

Всяка фоточувствителна клетка функционира като мини „куб“, отговорен за броенето на фотоните, които получава . Колкото по-голяма е повърхността на този куб, толкова повече фотони може да съхрани, преди да се насити. Това се изразява в по-добър динамичен диапазон и по-малко шум, особено при слаба светлина.

Ако сравним два сензора с еднакъв брой мегапиксели, този с по-големи физически пиксели обикновено предлага по-чисто изображение, с по-добра текстура и по-реалистични детайли . Камерата ще може да „опише“ сцената с по-полезна информация, без да е необходимо да преработва изображението.

Ето защо виждаме различни стратегии сред производителите. Някои, като HTC с One или Apple с някои iPhone-и, избраха по-малко мегапиксели, но по-големи сензори , като приоритизират качеството на всеки пиксел пред общото количество. Други, като Sony, Samsung или Nokia (с техните легендарни 40+ MP PureView сензори), избраха много високи резолюции, разчитайки на големи сензори и агресивна обработка на изображенията.

На практика, голям сензор с по-ниска резолюция може да даде по-добри резултати от такъв, пълен с мегапиксели, но с малки клетки . Ключът се крие в баланса между размера на чипа, размера на пикселите и предназначението на снимките (екран, големи разпечатки, изрязване и др.).

Мегапиксели: полезни, но не и магическо решение

Години наред се пропагандира идеята, че „повече мегапиксели означават по-добра камера“, но това е само отчасти вярно днес. Разделителната способност все още е актуална, но тя не определя сама по себе си крайното качество . Телефон с 12 MP може да прави по-добри снимки от телефон с 48 или 108 MP, ако сензорът и обективът са по-добри.

Мегапикселите показват колко точки ще съставят крайното изображение, което определя максималния размер на печат или колко можете да изрежете, без това да е твърде забележимо. Ако сензорът е малък или с лошо качество, тази допълнителна резолюция само прави „петното“ по-голямо и увеличава недостатъците (шум, липса на фини детайли, артефакти).

Размерът на всеки отделен пиксел също е от значение: по-големите пиксели улавят повече светлина и предлагат по-добър сигнал, което позволява намаляване на шума без жертване на детайлите. Това е произходът на технологиите за „пикселно обединяване“, които групират няколко физически пиксела в по-голям виртуален пиксел, за да подобрят качеството при слаба светлина.

Кога е разумно да се даде приоритет на високите мегапиксели? Ако често печатате в голям формат, изрязвате снимките си интензивно или се нуждаете от допълнително място за редактиране , добре използваната висока резолюция може да е предимство. Но ако снимките ви се споделят предимно на телефона, телевизора и в социалните мрежи, по-малко мегапиксели и добър сензор ще са достатъчни.

Умното решение включва оценка на това колко мегапиксела наистина са ви необходими въз основа на употребата ви и оттам нататък да се даде приоритет на физическия размер на сензора, качеството на оптиката и обработката пред простото число на резолюцията.

Оптика: диафрагми, качество на обектива и тяхното влияние върху изображението

Другият основен стълб на фотоапарата е обективът. Един отличен сензор е безполезен, ако е съчетан с посредствен обектив. Блендата се измерва с f-стоп стойности и показва колко светлина може да достигне до сензора : колкото по-ниско е числото (f/1.6, f/1.8…), толкова повече светлина преминава.

Широката бленда позволява по-добро представяне при слаба светлина и по-изразено размазване на фона (това боке, което е толкова търсено при портрети). Обратно, по-малките бленди (f/2.8 или по-високи) пропускат по-малко светлина, което прави нощните снимки по-трудни и ви принуждава да увеличите ISO или да намалите скоростта на затвора, което води до последващ риск от шум и размазани снимки.

Освен f-числото, важно е и самото качество на обектива или сглобката на обектива. Лошият оптичен дизайн може да доведе до геометрични изкривявания, ореоли, отблясъци и хроматични аберации , които съсипват снимка, която на хартия е имала всички съставки, за да бъде впечатляваща.

Когато обсъждаме телефони с обективи, еквивалентни на 35 мм f/1.6 или подобни за сензори близо до 1 инч (както се носят слухове за някои телефони Nubia или модели с големи обективи), е важно да се разбере, че светлият обектив за голям сензор заема място . Ето защо виждаме все по-забележими модули на камерата във флагманските телефони.

В телефони с множество камери (широкоъгълни, телеобективи, макрообективи и др.), всеки основен обектив обикновено е придружен от собствен сензор . Това увеличава разходите, но не толкова, колкото може да изглежда, защото производителите използват повторно много технологии и сензори от подобни гами в различни модели.

Обработка на изображения и изкуствен интелект: магията, която не можете да видите

Другата половина на уравнението се крие в процесора за изображения (ISP) и алгоритмите. Дори ако хардуерът на камерата е много подобен, един мобилен телефон от висок клас обикновено предоставя много по-добри резултати, защото има по-голяма процесорна мощност и по-усъвършенствани алгоритми за обработка на всяка снимка и всеки видеокадър.

Процесорът за изображения обработва задачи като интерпретиране на сигнала от сензора, регулиране на баланса на бялото, експозицията, цвета, остротата и HDR . Той също така участва във фокусирането, намаляването на шума и целия видео процес, където изискванията са огромни.

Много съвременни устройства включват и специални AI модули за камерата . Те разпознават сцени (пейзаж, портрет, храна, нощ, контражур и др.), разпознават лица и очи и автоматично настройват параметрите, за да създадат „добре изглеждаща“ снимка без никаква намеса от страна на потребителя.

Ключов момент е, че цялата тази „магия“ прави голяма разлика само когато сцената е сложна : слаба светлина, висок динамичен диапазон, движещи се обекти, комбинация от изкуствени светлини… В добре осветени и статични ситуации почти всички съвременни мобилни телефони разчитат на сензора, работещ в оптималната си зона, и осигуряват сравнително сходно качество.

Ето защо не винаги е точно да се каже, че един висок клас телефон „има по-добра камера“ заради сензора или обектива си (понякога те са много подобни на тези на телефон от среден до висок клас). Истинското превъзходство обикновено се крие в процесите на обработка, усъвършенстваната стабилизация и изчислителните режими като нощен режим или портретен режим.

Нощен режим и снимане при слаба светлина

Нощните снимки традиционно са ахилесовата пета на мобилните телефони. При много слаба светлина сензорът получава малко фотони; ако компенсирате чрез увеличаване на ISO, шумът се увеличава и детайлите се губят . Освен това камерата се нуждае от по-дълго време на експозиция, което означава, че всяко леко движение ще съсипе кадъра.

За да се справят с този проблем, почти всички производители са въвели някакъв вид нощен режим . Основната идея е да се направят няколко снимки с различни настройки (ISO, време на експозиция и др.) и да се комбинират, за да се получи едно, по-добре осветено изображение с повече детайли в сенките и по-малко шум.

Този процес разчита на компютърни фотографски техники и изкуствен интелект. Телефонът подравнява различните кадри, избира най-използваемите части от всеки от тях , коригира трепкащите движения на камерата и използва обучени модели за почистване на шума, без да изтрива важна текстура.

На практика това ви позволява да правите „чудотворни“ нощни снимки с телефона си, които преди няколко години бяха възможни само с много по-големи камери и статив. Въпреки това е важно да запомните, че нощният режим не замества добрия хардуер : голям сензор с щедри пиксели и добра бленда все пак ще има предимство.

Следователно, ако правите много снимки на концерти, интериори или слабо осветени сцени, ще искате да търсите телефони с големи сензори (в идеалния случай 1/1.3”, 1/1.28” или дори 1”) и добра бленда , както и надежден нощен режим, който е добре оценен в реални ревюта.

Стабилизация: OIS, EIS и използваемо видео

Стабилизацията на изображението е една от онези функции, които ви липсват само когато я нямате. Нейната функция е да компенсира движението на ръката ви или на самия телефон, за да предотврати размазване на снимките и разклащане на видеоклиповете.

Има два основни вида: оптична стабилизация на изображението (OIS) и електронна стабилизация на изображението (EIS). OIS използва физически механизми за леко преместване на обектива или самия сензор, за да противодейства на заклащането на камерата; тя е по-ефективна при снимки и видеоклипове при слаба светлина, защото позволява малко по-бавни скорости на затвора.

EIS, от друга страна, работи софтуерно, като леко изрязва изображението и настройва кадрите за плавно движение . Той е полезен и често допълва OIS, но сам по себе си не достига същото ниво, особено при трудни условия на осветление.

За дневна фотография със статични сцени можете да се справите без OIS, но ако правите много снимки при слаба светлина или снимате много видео, оптичната стабилизация на изображението прави огромна разлика в рязкостта и професионално изглеждащите резултати . В днешните фотоапарати от висок клас почти всички основни сензори вече я включват.

При видеото, освен OIS и EIS, играят роля и други параметри, като например резолюция (1080p, 4K), честота на кадрите (30/60 fps или по-висока) и HDR в реално време . Добър сензор с лоша видео обработка може да доведе до посредствени резултати, докато мощен интернет провайдер получава много по-добра производителност от хардуера.

Множество задни камери: какво допринася всяка от тях

Преминахме от телефони с една задна камера до телефони с три, четири или повече модула. Това не е просто маркетинг: когато са добре внедрени, тези допълнителни обективи значително разширяват творческите възможности.

Обикновено ще намерите основна камера (най-балансираната по качество, обикновено тази с най-добрия сензор), широкоъгълен обектив за заснемане на пейзажи или големи групи и телеобектив за приближаване на отдалечени обекти с оптично или хибридно увеличение с по-малка загуба.

Понякога се добавя и макро камера за детайли отблизо, заедно с ToF или подобни сензори, които помагат за измерване на разстоянията и подобряване на ефекти като размазване на фона при портрети. Не всички допълнителни обективи обаче предлагат едни и същи предимства: много основни макро и дълбочинни сензори са по-скоро запълващи, отколкото нещо друго.

В повечето съвременни дизайни, всяка основна камера има свой собствен специфичен сензор, адаптиран към фокусното разстояние и предназначението ѝ . Не става въпрос за един сензор с множество обективи пред него, защото това би ограничило сериозно оптичния дизайн и зрителното поле на всеки модул.

Тази „зоопарка“ от камери влияе на цената, но позволява на един съвременен телефон лесно да се справи с почти всяка ситуация: от селфита и видео разговори до широки пейзажи, дълги зуума или екстремни близки планове . Ключът е да се види кои от тези камери имат добър хардуер, стабилизация и обработка и кои са само за показност.

Специфични сензори, които правят разликата

В света на сензорите, определени имена непрекъснато се появяват, когато говорим за телефони със сериозни камери. Някои са станали популярни поради течове на информация, а други, защото производителите ги използват като предимство в своите флагмански модели.

Страната на Huawei включва сензори като SC5AOCS (SmartSens) , свързани с продуктови линии, ясно фокусирани върху чистата фотография. Въпреки че пълните спецификации не винаги са публично достъпни, основното послание е ясно: ангажимент към големи сензори, подобрена производителност при слаба светлина и добър динамичен диапазон , намалявайки зависимостта от технологии на трети страни.

Samsung, от своя страна, има добре познати семейства продукти като ISOCELL . ISOCELL GNV, например, е щедро оразмерен 50MP сензор, проектиран да осигури солидна основа за детайлност, HDR и нощно виждане, без да принуждава софтуера да прави чудеса. Това е типичният компонент, който се вписва в телефони с „надеждна фотография“: насочвате, снимате и обикновено се получава добре.

Съществуват и опции като OmniVision OV50X50 , 50MP сензор в 1-инчов оптичен формат с 1,6μm пиксели, проектиран наистина да отличава водещите телефони: огромни възможности за снимане при слаба светлина, усъвършенстван HDR (с технологии като LOFIC) и бърз автофокус. В комбинация с търговски марки като Light Fusion и големи обективи, той се отличава при нощно снимане, заснемане на закрито и взискателни видео ситуации.

От страна на Sony, имена като LYT-900 са се превърнали в почти синоним на „камера на мобилен телефон, която изглежда като сериозен фотоапарат“. Това е голям сензор (в мобилния контекст), 50 MP и 1,6 μm пиксели, силно фокусиран върху осигуряването на по-добра нощна производителност, истински динамичен диапазон и по-естествен и завладяващ вид в крайното изображение.

Други, като Sony IMX903, придобиха известност благодарение на връзката си с iPhone "Pro". Apple не продава сензора; продава изживяването: консистентност, цвят, видео и стабилен HDR. Добавената стойност идва от цялостния им процес (ISP, обработка, стабилизация, софтуер), но сензорът е физическата основа, която прави всичко това възможно.

Споменава се и Sony LYT-828 , модерен 50 MP сензор, проектиран да се отличава с висок контраст и „винаги включен“ HDR, дори в режим на предварителен преглед, с размер 1/1.28", много типичен за устройства от висок клас, когато не стигат директно до 1". Фокусът тук е върху комбинирането на добър размер на сензора с мощен и енергийно ефективен HDR.

Отвъд техническите спецификации: как да оцените камерата на мобилен телефон

С толкова много спецификации е лесно да се изгубите. В крайна сметка, най-важното е как телефонът се представя в реални ситуации. Не се фокусирайте само върху броя мегапиксели, блендата или имената на сензорите.

В идеалния случай трябва да тествате (или да намерите надеждни тестови примери) в следните сценарии: сцени със слаба светлина, снимки с висок динамичен диапазон (контра осветяване, залези), портрети с боке и движещи се обекти . Именно тук маркетингът разделя камерата от истинското ѝ качество.

Струва си да проверите и как се представя телефонът при видео: резолюция, честота на кадрите (FPS), стабилност и HDR производителност. Много модели се отличават със снимки, но не успяват при видео поради слаба обработка, лоша стабилизация или проблеми с непрекъснатия фокус.

И накрая, не бива да забравяме марките, които традиционно са се фокусирали върху мобилната фотография. Apple се откроява с цялостната си постоянство и видео възможности; Google с производителността си при слаба светлина и изкуствения интелект; Samsung със своите ISOCELL сензори и амбициозни възможности за увеличение; и Xiaomi с предлагането на много мощни конфигурации от висок клас на агресивни цени . Но дори и в рамките на всяка марка има забележителни разлики между продуктовите линии.

В крайна сметка, разбирането как всеки компонент (сензор, оптика, процесор, стабилизация и софтуер) влияе върху изображението ви позволява да изберете смартфон, чиято камера наистина отговаря на вашия стил на фотография, избягвайки капана на преувеличените мегапиксели или завишените технически спецификации, които не се превръщат в по-добри снимки в ежедневието ви.