Kvaliteta senzora i optike mobilnih telefona: cjeloviti vodič

Informatec Digital » Sredstva » Kvaliteta senzora i optike mobilnih telefona: cjeloviti vodič

Ovih dana nosimo mobitele zalijepljene za ruke i koristimo ih kao glavnu kameru za praktički sve: svakodnevne fotografije, posao, društvene mreže, putovanja… Zato je kvaliteta senzora i objektiva pametnog telefona postala jedan od ključnih čimbenika pri odabiru uređaja, čak i više od snage procesora ili kapaciteta memorije.

Međutim, kada počnemo gledati tehničke specifikacije, nailazimo na more akronima, megapiksela i čudnih naziva senzora koji mogu zbuniti bilo koga. Nije dovoljno usredotočiti se samo na broj megapiksela : veličina senzora, kvaliteta objektiva, stabilizacija, procesor slike, noćni načini rada, različite stražnje kamere, pa čak i način na koji softver interpretira podatke scene, sve to dolazi do izražaja.

Kako kamera na mobitelu zapravo funkcionira

Moderna kamera pametnog telefona ne razlikuje se toliko od tradicionalne kamere. U osnovi, ima leću koja usmjerava svjetlost na senzor i sustav za obradu koji pretvara te informacije u digitalnu sliku. Trik (i izazov) leži u tome da se sve to smjesti u minimalni prostor koji ostavlja kućište telefona.

Optička jedinica, odnosno leća ili skup leća, odgovorna je za hvatanje vidljive svjetlosti i usmjeravanje prema senzoru s najmanjim mogućim izobličenjem . Ako leća unosi previše kromatskih aberacija ili izobličenja, nije važno koliko je senzor dobar: fotografija je uništena čak i prije nego što dođe do čipa.

Nakon što svjetlost padne na senzor, elektronika stupa na scenu. Ova komponenta sastoji se od niza milijuna fotosenzitivnih ćelija (jedan fizički piksel za svaki piksel na konačnoj slici). Svaka ćelija prima fotone i pretvara ih u električni signal proporcionalan količini svjetlosti koju je primila.

Sljedeći je softver telefona: procesor slike i algoritmi marke interpretiraju signal, prilagođavajući boju, kontrast, smanjenje šuma, HDR, fokus i sve završne detalje . Tu razlika između vrhunskog i jeftinog telefona može biti ogromna, čak i kada se koriste slični senzori.

Najveći izazov za proizvođače je smjestiti sve ovo u vrlo tanko kućište. Što je telefon tanji, to je manje prostora za senzor i objektiv , što ih prisiljava da donose odluke o dizajnu: daju prioritet veličini senzora, otvoru blende, stabilizaciji, debljini modula kamere i tako dalje.

Vrste senzora: CCD, CMOS i evolucija prema BSI-ju

Povijesno gledano, u digitalnoj fotografiji korištene su dvije glavne obitelji senzora: CCD-ovi (Charge-Coupled Devices - uređaji s spregnutim nabojem) i CMOS-ovi (Complementary Metal Oxide Semiconductors - komplementarni metal-oksidni poluvodiči) . Godinama su se CCD-ovi smatrali superiornijima u kvaliteti slike, uglavnom zbog svog dinamičkog raspona i niske razine šuma.

CCD senzori su nudili vrlo čiste slike, s dobrim rukovanjem svijetlim i sjenim dijelovima te manje šuma , ali su bili skupi za proizvodnju, generirali su puno topline i zahtijevali su složene sustave hlađenja - nešto potpuno nepraktično kod tankog i laganog mobilnog telefona. Nadalje, budući da su električno nabijeni, lakše privlače prašinu.

S druge strane, CMOS senzori su se u posljednjem desetljeću enormno razvili. Danas gotovo svi pametni telefoni određene razine koriste CMOS senzore ili njihove napredne derivate , jer troše do 75% manje energije od CCD-a, generiraju puno manje topline te su jeftiniji i fleksibilniji za proizvodnju.

Glavna prednost CMOS-a je što se mogu dizajnirati tako da integriraju funkcije obrade unutar samog senzora i učine ih programabilnima, čime se njihov rad približava radu čipa opće namjene. To je dovelo do rješenja uvelike usmjerenih na mobilne uređaje, poput senzora s pozadinskim osvjetljenjem (BSI).

U BSI senzorima, struktura ćelija je preuređena kako bi se omogućilo da više svjetla dopre do osjetljivog područja. To rezultira boljim snimanjem slike u okruženjima sa slabim osvjetljenjem , s manje šuma i više detalja, što je ključno za noćnu fotografiju pametnim telefonom.

Veličina senzora i svakog piksela: zašto je to toliko važno

Kada govorimo o kvaliteti slike, nije dovoljno jednostavno reći koliko megapiksela kamera ima. Ono što je zaista važno je fizička veličina senzora i svakog pojedinog piksela . Dva senzora mogu imati istu rezoluciju, ali ako je jedan veći, njegove ćelije će također biti veće i hvatat će više svjetla.

Svaka fotosenzitivna ćelija funkcionira poput mini "kocke" odgovorne za brojanje fotona koje prima . Što je veća površina ove kocke, to više fotona može pohraniti prije nego što postane zasićena. To se prevodi u bolji dinamički raspon i manje šuma, posebno pri slabom osvjetljenju.

Ako usporedimo dva senzora s istim brojem megapiksela, onaj s većim fizičkim pikselima obično nudi čišću sliku, s boljom teksturom i realističnijim detaljima . Kamera će moći "opisati" scenu s više korisnih informacija, bez potrebe za prekomjernom obradom slike.

Zato vidimo različite strategije među proizvođačima. Neki, poput HTC-a s Oneom ili Applea s određenim iPhoneima, odlučili su se za manje megapiksela, ali veće senzore , dajući prioritet kvaliteti svakog piksela nad ukupnom količinom. Drugi, poput Sonyja, Samsunga ili Nokije (s njihovim legendarnim PureView senzorima od 40+ MP), odlučili su se za vrlo visoke rezolucije, oslanjajući se na velike senzore i agresivnu obradu slike.

U praksi, veliki senzor s nižom rezolucijom može dati bolje rezultate od onog s puno megapiksela, ali s malim ćelijama . Ključ leži u ravnoteži između veličine čipa, veličine piksela i namjeravane upotrebe fotografija (zaslon, veliki ispisi, izrezivanje itd.).

Megapikseli: korisni, ali ne i čarobni štapić

Godinama se promovirala ideja da "više megapiksela znači bolju kameru", ali to je danas samo djelomično istina. Rezolucija je i dalje relevantna, ali sama po sebi ne određuje konačnu kvalitetu . Telefon od 12 MP može snimiti bolje fotografije od telefona od 48 ili 108 MP ako su senzor i objektiv superiorniji.

Megapikseli pokazuju koliko će točaka činiti konačnu sliku, što određuje maksimalnu veličinu ispisa ili koliko možete izrezati bez da to bude previše uočljivo. Ako je senzor malen ili loše kvalitete, ta dodatna rezolucija samo povećava "mrlju" i uvećava nedostatke (šum, nedostatak finih detalja, artefakte).

Veličina svakog pojedinog piksela također je važna: veći pikseli hvataju više svjetla i nude bolji signal, što omogućuje smanjenje šuma bez žrtvovanja detalja. To je podrijetlo tehnologija "pixel binninga", koje grupiraju nekoliko fizičkih piksela u veći virtualni piksel kako bi se poboljšala kvaliteta pri slabom osvjetljenju.

Kada ima smisla davanje prioriteta visokim megapikselima? Ako često ispisujete u velikom formatu, opsežno izrezujete fotografije ili vam je potreban dodatni prostor za uređivanje , dobro iskorištena visoka rezolucija može biti prednost. Ali ako se vaše fotografije prvenstveno dijele na telefonu, televizoru i društvenim mrežama, bit će dovoljan manji broj megapiksela i dobar senzor.

Pametna odluka uključuje procjenu koliko megapiksela vam je stvarno potrebno na temelju vaše upotrebe i, na temelju toga, davanje prioriteta fizičkoj veličini senzora, kvaliteti optike i obradi u odnosu na jednostavni broj rezolucije.

Optika: otvori blende, kvaliteta leće i njihov utjecaj na sliku

Drugi glavni stup fotoaparata je objektiv. Izvrstan senzor je od male koristi ako je uparen s osrednjim objektivom. Otvor blende mjeri se f-vrijednostima i pokazuje koliko svjetla može doprijeti do senzora : što je broj manji (f/1.6, f/1.8…), to više svjetla prolazi.

Široki otvor blende omogućuje bolje performanse pri slabom osvjetljenju i izraženije zamućenje pozadine (taj bokeh toliko tražen u portretima). Suprotno tome, manji otvori blende (f/2.8 ili više) propuštaju manje svjetla, što otežava noćne snimke i prisiljava vas da povećate ISO ili smanjite brzinu zatvarača, s posljedičnim rizikom od šuma i mutnih fotografija.

Osim f-broja, tu je i stvarna kvaliteta objektiva ili sklopa objektiva. Loš optički dizajn može uzrokovati geometrijska izobličenja, haloe, bljeskove i kromatske aberacije koje uništavaju fotografiju koja je na papiru imala sve sastojke za spektakularan izgled.

Kada se raspravlja o telefonima s objektivima ekvivalentnim 35 mm f/1.6 ili sličnim za senzore blizu 1 inča (kao što se šuška kod određenih Nubia telefona ili modela s velikim objektivima), važno je shvatiti da brzi objektiv za veliki senzor zauzima prostor . Zato sve više vidimo module kamera u vodećim telefonima.

Kod telefona s više kamera (širokokutne, telefoto, makro itd.), svaki glavni objektiv obično prati vlastiti senzor . To povećava troškove, ali ne toliko koliko se možda čini jer proizvođači ponovno koriste mnogo tehnologije i senzora iz sličnih serija u različitim modelima.

Obrada slika i umjetna inteligencija: magija koju ne možete vidjeti

Druga polovica jednadžbe leži u procesoru slike (ISP) i algoritmima. Čak i ako je hardver kamere vrlo sličan, vrhunski mobilni telefon obično daje puno bolje rezultate jer ima veću procesorsku snagu i sofisticiranije algoritme za obradu svake fotografije i svakog video kadra.

Procesor slike obavlja zadatke poput interpretacije signala senzora, podešavanja balansa bijele, ekspozicije, boje, oštrine i HDR-a . Također sudjeluje u fokusiranju, smanjenju šuma i cijelom video procesu, gdje su zahtjevi ogromni.

Mnogi moderni uređaji također uključuju namjenske AI module za kameru . Oni detektiraju scene (krajolik, portret, hrana, noć, pozadinsko osvjetljenje itd.), identificiraju lica i oči te automatski prilagođavaju parametre kako bi se dobila "lijepa" fotografija bez ikakvog korisničkog unosa.

Ključna je stvar da sva ta „magija“ čini veliku razliku samo kada je scena komplicirana : slabo osvjetljenje, visoki dinamički raspon, pokretni subjekti, mješavina umjetne rasvjete… U dobro osvijetljenim i statičnim situacijama, gotovo svi moderni mobilni telefoni oslanjaju se na senzor koji radi u svojoj optimalnoj zoni i pružaju prilično sličnu kvalitetu.

Zato nije uvijek točno reći da vrhunski telefon "ima bolju kameru" zbog svog senzora ili leće (ponekad su vrlo slični onima na telefonu srednje do visoke klase). Prava superiornost obično leži u procesorskom procesu, naprednoj stabilizaciji i računalnim načinima rada poput noćnog ili portretnog načina rada.

Noćni način rada i fotografiranje pri slabom osvjetljenju

Noćne fotografije tradicionalno su Ahilova peta mobilnih telefona. Pri vrlo slabom osvjetljenju senzor prima malo fotona; ako to kompenzirate povećanjem ISO vrijednosti, šum se povećava i gube se detalji . Nadalje, kameri je potrebno dulje vrijeme ekspozicije, što znači da će svaki mali pokret uništiti snimku.

Kako bi riješili ovaj problem, gotovo svi proizvođači uveli su neku vrstu noćnog načina rada . Osnovna ideja je snimiti nekoliko fotografija s različitim postavkama (ISO, vrijeme ekspozicije itd.) i kombinirati ih kako bi se dobila jedna, bolje osvijetljena slika s više detalja u sjeni i manje šuma.

Ovaj proces oslanja se na računalne tehnike fotografije i umjetnu inteligenciju. Telefon poravnava različite snimke, odabire najkorisnije dijelove svake , ispravlja podrhtavanje kamere i koristi obučene modele za čišćenje šuma bez brisanja važne teksture.

U praksi, ovo vam omogućuje snimanje "čudesnih" noćnih fotografija telefonom koje su prije nekoliko godina bile moguće samo s puno većim fotoaparatima i stativom. Unatoč tome, važno je zapamtiti da noćni način rada ne zamjenjuje dobar hardver : veliki senzor s velikodušnim pikselima i dobrim otvorom blende i dalje će imati prednost.

Stoga, ako snimate puno fotografija koncerata, interijera ili slabo osvijetljenih scena, trebali biste potražiti telefone s velikim senzorima (idealno 1/1.3”, 1/1.28” ili čak 1”) i dobrim otvorom blende , kao i pouzdanim noćnim načinom rada koji je dobro ocijenjen u stvarnim recenzijama.

Stabilizacija: OIS, EIS i upotrebljiv video

Stabilizacija slike jedna je od onih značajki koje vam nedostaju samo kada je nemate. Njena je funkcija kompenzirati pokrete vaše ruke ili samog telefona kako bi se spriječile mutne fotografije i podrhtavanje videozapisa.

Postoje dvije glavne vrste: optička stabilizacija slike (OIS) i elektronička stabilizacija slike (EIS). OIS koristi fizičke mehanizme za lagano pomicanje objektiva ili samog senzora kako bi se suzbilo podrhtavanje kamere; učinkovitija je kod fotografija i videozapisa pri slabom osvjetljenju jer omogućuje nešto sporije brzine zatvarača.

S druge strane, EIS radi putem softvera, lagano izrezujući sliku i prilagođavajući kadrove za glatko kretanje . Koristan je i često nadopunjuje OIS, ali sam po sebi ne doseže istu razinu, posebno u zahtjevnim uvjetima osvjetljenja.

Za dnevnu fotografiju sa statičkim scenama možete se snaći bez OIS-a, ali ako snimate puno fotografija pri slabom osvjetljenju ili puno videa, optička stabilizacija slike čini ogromnu razliku u oštrini i profesionalnim rezultatima . U današnjim vrhunskim fotoaparatima, gotovo svi glavni senzori je već uključuju.

U videu, osim OIS-a i EIS-a, u obzir dolaze i drugi parametri, poput rezolucije (1080p, 4K), brzine sličica u sekundi (30/60 fps ili više) i HDR-a u stvarnom vremenu . Dobar senzor sa slabom obradom videa može dati osrednje rezultate, dok snažan ISP izvlači puno bolje performanse iz hardvera.

Više stražnjih kamera: što svaka od njih doprinosi

Prešli smo s jedne stražnje kamere na telefone s tri, četiri ili više modula. Nije riječ samo o marketingu: kada se dobro implementiraju, ovi dodatni objektivi uvelike proširuju kreativne mogućnosti.

Obično ćete pronaći glavnu kameru (najizbalansiraniju po kvaliteti, obično onu s najboljim senzorom), širokokutni objektiv za snimanje pejzaža ili velikih grupa i teleobjektiv za približavanje udaljenih subjekata optičkim ili hibridnim zumom s manjim gubitkom.

Ponekad se dodaje i makro kamera za detalje izbliza, zajedno s ToF ili sličnim senzorima koji pomažu u mjerenju udaljenosti i poboljšanju efekata poput zamućenja pozadine u portretima. Međutim, ne nude svi dodatni objektivi iste prednosti: mnogi osnovni makro i dubinski senzori više služe kao popunjavanje nego išta drugo.

U većini trenutnih dizajna, svaki veći fotoaparat ima svoj specifični senzor prilagođen žarišnoj duljini i namjeni . Ne radi se o jednom senzoru s više leća ispred njega, jer bi to ozbiljno ograničilo optički dizajn i vidno polje svakog modula.

Ovaj "zoološki vrt" kamera utječe na cijenu, ali omogućuje modernom telefonu da se lako nosi s gotovo svakom situacijom: od selfija i videopoziva do širokih pejzaža, dugih zumiranja ili ekstremnih krupnih planova . Ključno je pogledati koje od tih kamera imaju dobar hardver, stabilizaciju i obradu, a koje su samo za prikaz.

Specifični senzori koji čine razliku

U svijetu senzora, određena imena se stalno pojavljuju kada govorimo o telefonima s ozbiljnim kamerama. Neki su postali popularni zbog curenja informacija, a drugi zato što ih proizvođači koriste kao prodajni argument u svojim vodećim modelima.

Huaweijeva strana spektra uključuje senzore poput SC5AOCS (SmartSens) , povezane s linijama proizvoda koje su očito usmjerene na čistu fotografiju. Iako potpune specifikacije nisu uvijek javno dostupne, temeljna poruka je jasna: predanost velikim senzorima, poboljšanim performansama u uvjetima slabog osvjetljenja i dobrom dinamičkom rasponu , smanjujući ovisnost o tehnologiji trećih strana.

Samsung, sa svoje strane, ima poznate obitelji poput ISOCELL-a . ISOCELL GNV, na primjer, je velikodušno dimenzionirani 50MP senzor dizajniran da pruži čvrstu osnovu u detaljima, HDR-u i noćnom vidu bez prisiljavanja softvera da čini čuda. To je tipična komponenta koja se uklapa u telefone s "pouzdanom fotografijom": usmjerite, snimate i obično ispadne dobro.

Tu su i opcije poput OmniVision OV50X50 , senzora od 50 MP u optičkom formatu od 1 inča s pikselima od 1,6 μm, dizajniranog da doista razlikuje vodeće telefone: ogromne mogućnosti snimanja u uvjetima slabog osvjetljenja, napredni HDR (s tehnologijama poput LOFIC-a) i brzi autofokus. U kombinaciji sa zaštitnim znakovima poput Light Fusiona i velikih leća, izvrstan je u noćnim, zatvorenim i zahtjevnim video situacijama.

Sa Sonyjeve strane, imena poput LYT-900 postala su gotovo sinonim za "kameru mobitela koja izgleda kao ozbiljna kamera". Riječ je o velikom senzoru (u mobilnom kontekstu), 50 MP i 1,6 μm piksela, snažno usmjerenom na pružanje boljih noćnih performansi, pravog dinamičkog raspona i prirodnog i impresivnog izgleda u konačnoj slici.

Drugi, poput Sony IMX903, stekli su istaknutost zbog svoje povezanosti s iPhoneom "Pro". Apple ne prodaje senzor; prodaje iskustvo: konzistentnost, boju, video i stabilan HDR. Dodana vrijednost dolazi od kompletnog procesa (ISP, obrada, stabilizacija, softver), ali senzor je fizički temelj koji sve to omogućuje.

Također se spominje Sony LYT-828 , moderni senzor od 50 MP dizajniran za izvrsnost u scenama visokog kontrasta i "always-on" HDR-u, čak i u pregledu, s veličinom od 1/1.28" što je vrlo tipično za vrhunske uređaje kada ne idu odmah do 1". Fokus je ovdje na kombiniranju dobre veličine senzora s moćnim i energetski učinkovitim HDR-om.

Osim tehničkih specifikacija: kako procijeniti kameru mobilnog telefona

S toliko specifikacija lako se izgubiti. U konačnici, najvažnije je kako se telefon ponaša u stvarnim situacijama. Nemojte se usredotočiti samo na broj megapiksela, otvor blende ili nazive senzora.

Idealno bi bilo testirati (ili pronaći pouzdane primjere testiranja) u ovim scenarijima: scene sa slabim osvjetljenjem, fotografije s visokim dinamičkim rasponom (pozadinsko osvjetljenje, zalasci sunca), portreti s bokeh efektom i pokretni subjekti . Tu marketing odvaja kameru od njezine stvarne kvalitete.

Također vrijedi provjeriti kako se telefon ponaša u videu: rezolucija, broj sličica u sekundi (FPS), stabilnost i HDR performanse. Mnogi modeli izvrsno funkcioniraju u fotografijama, ali zaostaju u videu zbog slabe obrade, loše stabilizacije ili problema s kontinuiranim fokusom.

Konačno, ne smijemo zaboraviti brendove koji su se tradicionalno fokusirali na mobilnu fotografiju. Apple se ističe svojom ukupnom dosljednošću i video mogućnostima; Google svojim performansama u uvjetima slabog osvjetljenja i umjetnom inteligencijom; Samsung svojim ISOCELL senzorima i ambicioznim mogućnostima zumiranja; a Xiaomi po ponudi vrlo moćnih vrhunskih konfiguracija po konkurentnim cijenama . Ali čak i unutar svakog brenda postoje značajne razlike između linija proizvoda.

U konačnici, razumijevanje kako svaka komponenta (senzor, optika, procesor, stabilizacija i softver) utječe na sliku omogućuje vam da odaberete pametni telefon čija kamera zaista odgovara vašem stilu fotografiranja, izbjegavajući zamku pretjeranih megapiksela ili napuhanih tehničkih specifikacija koje se ne prevode u bolje fotografije u vašem svakodnevnom životu.