איכות חיישנים ואופטיקה של טלפונים ניידים: מדריך מלא

אינפורמטק דיגיטל » Recursos » איכות חיישנים ואופטיקה של טלפונים ניידים: מדריך מלא

היום אנחנו נושאים איתנו את הטלפונים הניידים שלנו. מחובר ליד ואנחנו משתמשים בו כמצלמה הראשית כמעט לכל דבר: תמונות יומיומיות, עבודה, מדיה חברתית, נסיעות... זו הסיבה שאיכות חיישני ועדשות הסמארטפונים הפכה לאחד הגורמים המרכזיים בבחירת מכשיר, אפילו יותר מ... כוחו של המעבד או כמות הזיכרון.

עם זאת, כאשר התחלנו לחפש גיליונות טכניים אנו מוצאים את עצמנו בים של ראשי תיבות, מגה פיקסל ושמות חיישנים מוזרים שיכולים לבלבל כל אחד. לא מספיק רק להסתכל על מספר המגה-פיקסליםזה כולל גודל חיישן, איכות עדשה, ייצוב, מעבד תמונה, מצבי לילה, מצלמות אחוריות שונות... ואפילו כיצד התוכנה מפרשת נתוני סצנה.

איך באמת עובדת מצלמת טלפון נייד

מצלמת סמארטפון מודרנית אינה שונה כל כך ממצלמה מסורתית. בעיקרון, יש לנו אופטיקה שמכוונת אור אל חיישן ומערכת עיבוד שממירה את המידע הזה לתמונה דיגיטלית. האתגר (והקושי) טמון בהתאמת כל זה לשטח המינימלי שמותיר שלדת הטלפון.

הבלוק האופטי, כלומר, העדשה או קבוצת העדשות, אחראי על כדי ללכוד אור נראה ולהביא אותו לחיישן עם העיוות המינימלי האפשריאם העדשה גורמת ליותר מדי סטיות כרומטיות או עיוותים, לא משנה כמה טוב החיישן: התמונה נהרסת עוד לפני שהיא מגיעה לשבב.

ברגע שהאור פוגע בחיישן, האלקטרוניקה נכנסת לפעולה. רכיב זה מורכב מ- מטריצה ​​של מיליוני תאים רגישים לאור (פיקסל פיזי אחד לכל פיקסל בתמונה הסופית). כל תא מקבל פוטונים וממיר אותם לאות חשמלי ביחס לכמות האור שקיבל.

לאחר מכן מגיעה תוכנת הטלפון: מעבד התמונה והאלגוריתמים של המותג דואגים לכך לפרש את האות, להתאים צבע, ניגודיות, הפחתת רעשים, HDR, מיקוד וכל "הנגיעות האחרונות"כאן ההבדל בין טלפון סלולרי יוקרתי לטלפון זול יכול להיות עצום, אפילו כאשר משתמשים בחיישנים דומים.

האתגר הגדול עבור היצרנים הוא שכל זה צריך להתאים לגוף דק מאוד. ככל שהטלפון דק יותר, כך יש פחות מקום לחיישן ולאופטיקה.וזה מאלץ אותך לקבל החלטות עיצוב: מתן עדיפות לגודל החיישן, צמצם, ייצוב, עובי מודול המצלמה וכו'.

סוגי חיישנים: CCD, CMOS, וההתפתחות לכיוון BSI

מבחינה היסטורית, שתי משפחות עיקריות של חיישנים שימשו בצילום דיגיטלי: CCD (התקן מצומד מטען) ו-CMOS (מוליך למחצה משלים של תחמוצת מתכת)במשך שנים, מצלמות CCD נחשבו לטובות יותר באיכות התמונה, בעיקר בזכות הטווח הדינמי ורמת הרעש הנמוכה שלהן.

חיישני ה-CCD הציעו תמונות נקיות מאוד, עם טיפול טוב באור וצללים ופחות רעשעם זאת, הם היו יקרים לייצור, ייצרו חום רב ודרשו מערכות קירור מורכבות - דבר שאינו מעשי כלל בטלפון נייד דק וקל. יתר על כן, מכיוון שהם טעונים חשמלית, הם מושכים אבק ביתר קלות.

חיישני CMOS, לעומת זאת, התפתחו בצורה אדירה בעשור האחרון. כיום, כמעט כל הסמארטפונים ברמה מסוימת משתמשים בהם. חיישני CMOS או נגזרות מתקדמותמכיוון שהם צורכים עד 75% פחות אנרגיה מאשר CCD, מתחממים הרבה פחות, והם זולים וגמישים יותר לייצור.

יתרון עיקרי של CMOS הוא שניתן לתכנן אותם לשילוב פונקציות עיבוד בתוך החיישן עצמו ולהפוך אותם לניתנים לתכנות, מה שמקרב את פעולתם לזו של שבב לשימוש כללי. זה הוביל לפתרונות המכוונים במיוחד למכשירים ניידים, כגון חיישנים בעלי תאורה אחורית (BSI).

בחיישני BSI, מבנה התא מאורגן מחדש כדי לאפשר ליותר אור להגיע לאזור החישה. התוצאה היא לכידה משופרת בסביבות עם תאורה נמוכהעם פחות רעש ויותר פרטים, משהו קריטי בצילום לילה עם סמארטפון.

גודל החיישן וכל פיקסל: למה זה כל כך חשוב

כשאנחנו מדברים על איכות תמונה, לא מספיק רק לומר כמה מגה פיקסל יש למצלמה. מה שבאמת חשוב הוא הגודל הפיזי של החיישן וכל פיקסל.שני חיישנים יכולים להיות בעלי אותה רזולוציה, אך אם אחד גדול יותר, גם התאים שלו יהיו גדולים יותר וילכוד יותר אור.

כל תא רגיש לאור מתפקד כמו "קובייה" מיניאטורית האחראית על ספרו את הפוטונים שמגיעים אליוככל ששטח הפנים של הקובייה גדולה יותר, כך היא יכולה לאחסן יותר פוטונים לפני שהיא רוויה. משמעות הדבר היא טווח דינמי טוב יותר ופחות רעש, במיוחד בתאורה חלשה.

אם נשווה שני חיישנים בעלי אותו מספר מגה פיקסל, זה עם פיקסלים פיזיים גדולים יותר מציעים בדרך כלל תמונה נקייה יותר, עם מרקם טוב יותר ופרטים מציאותיים.המצלמה תוכל "לתאר" את הסצנה עם מידע שימושי יותר, מבלי שתצטרך לאלץ את העיבוד כל כך הרבה.

זו הסיבה שאנו רואים אסטרטגיות שונות בין יצרנים. חלקם, כמו HTC עם ה-One או Apple עם מכשירי אייפון מסוימים, בחרו ב... פחות מגה פיקסל אבל חיישנים גדולים יותרהמבקשים לתעדף את האיכות של כל נקודה על פני הכמות הכוללת. אחרים, כמו סוני, סמסונג או נוקיה (עם מצלמות ה-PureView האגדיות שלהן עם 40+ מגה פיקסל), בחרו ברזולוציות גבוהות מאוד, תוך הסתמכות על חיישנים גדולים ועיבוד אגרסיבי.

בפועל, חיישן בעל שטח פנים גדול ורזולוציה נמוכה יותר יכול לתת תוצאה טובה יותר מאחרת עמוסה במגה פיקסל אבל עם תאים זעיריםהמפתח הוא האיזון בין גודל השבב, גודל הפיקסל וסוג השימוש שתתנו לתמונות (מסך, דפוס גדול, חיתוך וכו').

מגה פיקסל: שימושי, אבל לא פתרון קסם

במשך שנים, הרעיון ש"יותר מגה פיקסל שווה מצלמה טובה יותר" קודם, וזה נכון רק באופן חלקי כיום. רזולוציה עדיין רלוונטית, אבל לא קובע בפני עצמו את האיכות הסופיתטלפון עם ברזולוציה של 12 מגה פיקסל יכול לצלם תמונות טובות יותר מטלפון עם ברזולוציה של 48 או 108 מגה פיקסל אם החיישן והאופטיקה טובים יותר.

מגה-פיקסלים מציינים כמה נקודות מרכיבות את התמונה הסופית, מה שקובע את גודל ההדפסה המקסימלי או כמה ניתן לחתוך מבלי שזה יהיה מורגש מדי. אם החיישן קטן או באיכות ירודה, הרזולוציה הנוספת הזו רק מגדילה את ה"כתם". ומגדיל את הפגמים (רעש, חוסר פרטים עדינים, ארטיפקטים).

גם גודלו של כל פיקסל בודד משנה: פיקסלים גדולים יותר לוכדים יותר אור הם מציעים אות טוב יותר, המאפשר הפחתת רעש מבלי להתפשר על פרטים. זהו מקורן של טכנולוגיות "pixel binning", אשר מקבצות מספר פיקסלים פיזיים לפיקסל וירטואלי גדול יותר כדי לשפר את איכות התאורה החלשה.

מתי הגיוני לתת עדיפות למספר מגה פיקסל גבוה? אם אתם בדרך כלל הדפיסו בפורמט גדול, חתכו את התמונות שלכם הרבה, או צריכים שוליים לעריכה.רזולוציה גבוהה, כאשר משתמשים בה ביעילות, יכולה להיות יתרון. אבל אם התמונות שלכם נמצאות בעיקר בטלפון, בטלוויזיה וברשתות החברתיות, פחות מגה פיקסל וחיישן טוב יספיקו בהחלט.

ההחלטה החכמה כרוכה בהערכת מספר המגה-פיקסלים שאתם באמת צריכים בהתבסס על השימוש שלכם, ומשם, לתעדף את הגודל הפיזי של החיישן, את איכות האופטיקה ואת העיבוד לעומת מספר הרזולוציה הפשוט.

אופטיקה: צמצמים, איכות עדשה והשפעתם על התמונה

עמוד התווך השני של המצלמה הוא העדשה. חיישן מצוין אינו מועיל במיוחד אם הוא משולב עם עדשה בינונית. צמצם נמדד בערכי צמצם ואומר לנו... כמה אור יכול להיכנס לחיישןככל שהמספר נמוך יותר (f/1.6, f/1.8…), כך עובר דרכו יותר אור.

פתח רחב מאפשר ביצועים משופרים בתאורה חלשה וטשטוש רקע בולט יותר (אותו בוקה שכל כך מבוקש בתמונות פורטרט). לעומת זאת, צמצמים קטנים יותר (f/2.8 ומעלה) מכניסים פחות אור, מה שמקשה על צילומי לילה ומכריח אותך להגדיל את ה-ISO או להקטין את מהירות התריס, עם הסיכון שנוצר כתוצאה מכך לרעש ותמונות מטושטשות.

מעבר למספר ה-f, ישנה האיכות עצמה של העדשה או מכלול העדשה. תכנון אופטי לקוי יכול להכניס עיוותים גיאומטריים, הילות, התלקחויות וסטיות כרומטיות שהורסות תמונה שעל הנייר, היו לה את כל המרכיבים להיות מרהיבה.

כאשר מדברים על טלפונים ניידים עם עדשות שוות ערך ל-35 מ"מ f/1.6 או דומות עבור חיישנים קרובים ל-1 אינץ' (כפי שמועות לגבי טלפונים מסוימים של נוביה או דגמים עם עדשות גדולות), יש להבין ש עדשה מהירה לחיישן גדול תופסת מקום.זו הסיבה שאנו רואים מודולי מצלמה בולטים יותר ויותר בטלפונים דגל.

בטלפונים ניידים עם מספר מצלמות (זווית רחבה, טלפוטו, מאקרו...), בדרך כלל כל עדשה חשובה זה בדרך כלל מלווה בחיישן משלוזה מגדיל את העלויות, אבל לא כפי שזה אולי נראה, מכיוון שיצרנים עושים שימוש חוזר בטכנולוגיה ובחיישנים רבים מדגמים דומים בדגמים שונים.

עיבוד תמונה ובינה מלאכותית: הקסם שלא ניתן לראות

החצי השני של המשוואה טמון במעבד התמונה (ISP) ובאלגוריתמים. גם אם חומרת המצלמה דומה מאוד, טלפון נייד מתקדם בדרך כלל מציע תוצאות טובות בהרבה מכיוון ש... יש לו כוח מחשוב גדול יותר ואלגוריתמים משוכללים יותר כדי לעבד כל תמונה וכל פריים של וידאו.

מעבד התמונה מטפל במשימות כגון פירוש אות החיישן, כוונון איזון לבן, חשיפה, צבע, חדות ו-HDRהוא גם משתתף בחידוד, הפחתת רעשים וכל תהליך הווידאו, שם הדרישות עצומות.

במכשירים רבים כיום, מודולים נכנסים לתמונה גם כן בינה מלאכותית ייעודית למצלמהאלה מזהים סצנות (נוף, דיוקן, אוכל, לילה, תאורת רקע...), מזהים פנים ועיניים, ומתאימים אוטומטית את הפרמטרים כדי לצלם תמונה "נהדרת" מבלי שהמשתמש ייגע בשום דבר.

נקודה מרכזית היא שכל ה"קסם" הזה עושה רק הבדל גדול כאשר הסצנה מורכבתתאורה חלשה, טווח דינמי גבוה, נושאים בתנועה, ערבוב של אורות מלאכותיים... במצבים מוארים היטב וסטטיים, כמעט כל הטלפונים הניידים המודרניים מסתמכים על החיישן הפועל באזור האופטימלי שלו ומספקים איכות דומה למדי.

זו הסיבה שלא תמיד נכון לומר שלטלפון יוקרתי "יש מצלמה טובה יותר" בגלל החיישן או האופטיקה שלו (לפעמים הם דומים מאוד לאלה של טלפון בינוני-יוקרתי). העליונות האמיתית בדרך כלל טמונה ב... צינור עיבוד, ייצוב מתקדם ומצבים חישוביים כגון מצב לילה או מצב דיוקן.

מצב לילה וצילום בתאורה חלשה

תמונות לילה היו באופן מסורתי עקב אכילס של טלפונים ניידים. בתאורה חלשה מאוד, החיישן מקבל מעט פוטונים; אם מפצים על ידי העלאת ה-ISO, הרעש גובר והפרטים הולכים לאיבודבנוסף, המצלמה זקוקה לזמן חשיפה ארוך יותר, מה שאומר שכל תזוזה קטנה תהרוס את הצילום.

כדי לטפל בבעיה זו, כמעט כל היצרנים הציגו סוג כלשהו של מצב לילההרעיון הבסיסי הוא לצלם מספר תמונות עם הגדרות שונות (ISO, זמן חשיפה וכו') ולשלב אותן כדי לקבל תמונה אחת, מוארת טוב יותר, עם יותר פרטים בצללים ופחות רעש.

תהליך זה מסתמך על טכניקות צילום חישוביות ובינה מלאכותית. הנייד יישרו את הצילומים השונים, בחרו את החלקים השימושיים ביותר מכל אחד מהםהוא מתקן את תנועת הדופק ומשתמש במודלים מאומנים כדי לנקות רעשים מבלי למחוק מרקם חשוב.

בפועל, זה מאפשר לך לצלם תמונות לילה "מופלאות" עם הטלפון שלך, שלפני מספר שנים היו אפשריות רק עם מצלמות גדולות בהרבה וחצובה. למרות זאת, חשוב לזכור שמצב לילה... זה לא מחליף חומרה טובה.חיישן גדול עם פיקסלים נדיבים וצמצם טוב עדיין יהיה יתרון.

לכן, אם אתם מצלמים הרבה תמונות של קונצרטים, פנים או סצנות בתאורה עמומה, כדאי לכם לחפש טלפונים עם חיישנים גדולים (באופן אידיאלי 1/1.3 אינץ', 1/1.28 אינץ' או אפילו 1 אינץ') וצמצם טוב, בנוסף למצב לילה אמין שזכה לדירוג גבוה בביקורות מהעולם האמיתי.

ייצוב: OIS, EIS ווידאו שמיש

ייצוב הוא אחד מאותם גורמים שפספסים רק כשאין אותו. תפקידו הוא לפצות על תנועת הדופק או של הטלפון עצמו. כדי להימנע מתמונות מטושטשות וסרטונים "דמויי רעידות אדמה".

ישנם שני סוגים עיקריים: ייצוב תמונה אופטי (OIS) וייצוב תמונה אלקטרוני (EIS). שימושים של OIS מנגנונים פיזיים להזזה קלה של העדשה או החיישן עצמו ולנטרל רעידות; זה יעיל יותר בתמונות ובסרטונים בתאורה חלשה, משום שזה מאפשר שימוש במהירויות תריס מעט איטיות יותר.

EIS, לעומת זאת, עובד באמצעות תוכנה, חותך מעט את התמונה ו... כוונון המסגרות כדי להחליק את התנועהזה שימושי ולעתים קרובות משלים OIS, אבל בפני עצמו זה לא מגיע לאותה רמה, במיוחד כאשר התאורה מסובכת.

לצילום ביום עם סצנות סטטיות, אפשר לחיות בלי OIS, אבל אם מצלמים הרבה תמונות בתאורה חלשה או מצלמים הרבה וידאו, ייצוב תמונה אופטי הוא חיוני. זה עושה הבדל עצום בחדות ובגימור המקצועיבטווח היוקרתי של היום, כמעט כל החיישנים העיקריים כבר משלבים אותו.

בוידאו, בנוסף ל-OIS ול-EIS, נכנסים לתמונה פרמטרים נוספים כמו הרזולוציה (1080p, 4K), קצב הפריימים (30/60 fps או יותר) ו-HDR בזמן אמתחיישן טוב עם עיבוד וידאו גרוע יכול להניב תוצאות בינוניות, בעוד שספק אינטרנט חזק מפיק ביצועים טובים בהרבה מהחומרה.

מצלמות אחוריות מרובות: מה כל אחת מהן תורמת

עברנו ממצלמה אחורית אחת לטלפונים עם שלושה, ארבעה או יותר מודולים. זה לא רק שיווק: כאשר מיושמים היטב, עדשות נוספות אלו יכולות להיות יעילות מאוד. הם מרחיבים מאוד את האפשרויות היצירתיות.

זה מקובל למצוא אחד כזה מצלמה ראשית (המאוזן ביותר באיכות, בדרך כלל זה עם החיישן הטוב ביותר), א זווית רחבה כדי לכלול נופים או קבוצות גדולות, ו-a טלה לקרב נושאים רחוקים בעזרת זום אופטי או היברידי עם פחות אובדן.

לפעמים א מצלמת מאקרו לפרטים מקרוב מאוד, וחיישנים מסוג ToF או חיישנים דומים המסייעים במדידת מרחקים ומשפרים אפקטים כמו טשטוש רקע בתמונות פורטרט. עם זאת, לא כל עדשות הנוספות מציעות את אותם יתרונות: עדשות מאקרו רבות וחיישני עומק בסיסיים ממלאים יותר מכל דבר אחר.

ברוב העיצובים הנוכחיים, כל מצלמה עיקרית כוללת חיישן ספציפי משלו המותאם לאורך המוקד ולשימוש המיועדזה לא חיישן יחיד עם מספר עדשות מלפנים, כי זה יגביל מאוד את העיצוב האופטי ואת שדה הראייה של כל מודול.

"גן החיות" הזה של מצלמות משפיע על המחיר, אבל הוא מאפשר לטלפון נייד מודרני להתמודד בקלות כמעט עם כל סיטואציה: מסלפי ושיחות וידאו ועד נופים רחבים, זום מרחוק או תקריבים קיצונייםהמפתח הוא לבדוק אילו מהמצלמות הללו יש חומרה, ייצוב ועיבוד טובים, ואילו הן אך ורק לתצוגה.

חיישנים ספציפיים שעושים את ההבדל

בעולם החיישנים, שמות מסוימים עולים שוב ושוב כשמדברים על טלפונים עם מצלמות רציניות. חלקם הפכו פופולריים בגלל דליפות, ואחרים משום שיצרנים משתמשים בהם כנקודת מכירה בדגמי הדגל שלהם.

וואווי מדברת על חיישנים כמו SC5AOCS (חשמל חכם)קשור לטווחים המתמקדים בבירור בצילום טהור. למרות שגיליון מפרט מלא לציבור אינו תמיד זמין, המסר הבסיסי ברור: בחרו ב חיישנים גדולים, ביצועי לילה טובים יותר וטווח דינמי טובצמצום התלות בצדדים שלישיים.

לסמסונג, מצידה, יש משפחות המכונות ISOCELLה-ISOCELL GNV, לדוגמה, הוא חיישן 50MP בגודל נדיב שנועד לספק בסיס איתן בפרטים, HDR וראיית לילה מבלי לאלץ את התוכנה לבצע ניסים. זהו הרכיב הטיפוסי שמתאים בצורה מושלמת לטלפונים עם "צילום אמין": כוון, ירה, ובדרך כלל זה יוצא טוב.

ואז יש הימורים כמו ה- אומני ויז'ן OV50X50חיישן 50MP בפורמט אופטי של אינץ' אחד עם פיקסלים של 1,6 מיקרומטר, שנועד להבדיל באמת טלפוני דגל: יכולות אדירות בתאורה חלשה, HDR מתקדם (עם טכנולוגיות כמו LOFIC) ופוקוס אוטומטי מהיר. בשילוב עם סימנים מסחריים כמו Light Fusion ועדשות גדולות, הוא מצטיין בלילה, בתוך הבית ובווידאו תובעני.

בצד של סוני, שמות כמו LYT-900 הם הפכו כמעט לשם נרדף ל"מצלמת טלפון נייד שנראית כמו מצלמה רצינית". זהו חיישן גדול (בהקשר נייד), 50 מגה פיקסל ו-1,6 מיקרומטר פיקסלים, המתמקד במידה רבה במתן ביצועי לילה טובים יותר, טווח דינמי אמיתי, ומראה טבעי וסוחף יותר בתמונה הסופית.

אחרים כמו סוני IMX903 הם זכו לפופולריות בזכות הקשר שלהם עם האייפון "פרו". אפל לא מוכרת את החיישן; היא מוכרת את החוויה: עקביות, צבע, וידאו, HDR יציב. הערך המוסף מגיע מהצבר המלא שלה (ספק אינטרנט, עיבוד, ייצוב, תוכנה), אבל החיישן הוא הבסיס הפיזי שמאפשר את הכל.

זה גם נשמע כמו סוני LYT-828חיישן מודרני של 50 מגה פיקסל שנועד להצטיין בסצנות בעלות ניגודיות גבוהה ו-HDR תמידי, אפילו בתצוגה מקדימה, עם גודל של 1/1.28 אינץ', אופייני מאוד לטלפונים יוקרתיים כאשר הם לא עולים ישירות ל-1 אינץ'. הדגש כאן הוא על שלבו גודל חיישן טוב עם HDR עוצמתי ויעיל בצריכה.

מעבר למפרט הטכני: כיצד להעריך מצלמת טלפון נייד

עם כל כך הרבה מפרטים, קל ללכת לאיבוד. בסופו של דבר, מה שחשוב ביותר הוא איך הטלפון מתפקד במצבים אמיתיים. אל תתמקדו רק במספרים של מגה-פיקסל, צמצמים או שמות חיישנים.

באופן אידיאלי, כדאי לבדוק (או למצוא דוגמאות אמינות לבדיקות) בתרחישים הבאים: סצנות בתאורה חלשה, תמונות עם טווח דינמי גבוה (תאורה אחורית, שקיעות), פורטרטים עם בוקה ונושאים בתנועהזה המקום שבו שיווק נפרד מהאיכות האמיתית של המצלמה.

כדאי גם לבדוק את ביצועי הטלפון בוידאו: רזולוציה, צילום חלק (FPS), יציבות וביצועי HDR. דגמים רבים מתפארים בתמונות שלהם, אבל הם לא מצליחים לספק וידאו עקב עיבוד לקוי, ייצוב לקוי או בעיות מיקוד רציף.

לבסוף, אסור לנו לשכוח את המותגים שהתמקדו באופן מסורתי בצילום נייד. אפל בולטת בזכות העקביות הכוללת שלה ויכולות הווידאו שלה; גוגל בזכות הביצועים שלה בתאורה חלשה ובינה מלאכותית; סמסונג בזכות חיישני ה-ISOCELL שלה ויכולות הזום השאפתניות; ושיאומי בזכות הצעת... תצורות יוקרתיות חזקות מאוד במחירים תחרותייםאבל אפילו בתוך כל מותג ישנם הבדלים ניכרים בין הסדרות.

בסופו של דבר, הבנת האופן שבו כל רכיב (חיישן, אופטיקה, מעבד, ייצוב ותוכנה) משפיע על הביצועים מאפשרת לך... בחירת סמארטפון שהמצלמה שלה באמת מתאימה לסגנון הצילום שלך, תוך הימנעות ממלכודת המגה-פיקסלים המוגזמים או המפרט הטכני המנופח שלא מתורגם לתמונות טובות יותר בחיי היומיום שלך.