Kvalita senzorov a optiky mobilných telefónov: kompletný sprievodca

Informatec Digital » Zdroje » Kvalita senzorov a optiky mobilných telefónov: kompletný sprievodca

V dnešnej dobe nosíme mobilné telefóny prilepené v rukách a používame ich ako hlavný fotoaparát prakticky na všetko: každodenné fotografie, prácu, sociálne médiá, cestovanie… Preto sa kvalita snímačov a objektívov smartfónu stala jedným z kľúčových faktorov pri výbere zariadenia, dokonca viac ako výkon procesora alebo kapacita pamäte.

Keď sa však začneme pozerať na technické špecifikácie, narazíme na more skratiek, megapixelov a zvláštnych názvov senzorov, ktoré môžu zmiasť kohokoľvek. Nestačí sa zamerať len na počet megapixelov : do hry vstupuje veľkosť senzora, kvalita objektívu, stabilizácia, obrazový procesor, nočné režimy, rôzne zadné fotoaparáty a dokonca aj to, ako softvér interpretuje údaje o scéne.

Ako naozaj funguje fotoaparát mobilného telefónu

Moderný fotoaparát smartfónu sa veľmi nelíši od tradičného fotoaparátu. V podstate má objektív, ktorý smeruje svetlo na snímač , a systém spracovania, ktorý premieňa tieto informácie na digitálny obraz. Trik (a výzva) spočíva v tom, ako to všetko vtesnať do minimálneho priestoru, ktorý zanecháva šasi telefónu.

Optická jednotka, teda šošovka alebo sada šošoviek, je zodpovedná za zachytávanie viditeľného svetla a jeho smerovanie k snímaču s čo najmenším skreslením . Ak šošovka spôsobuje príliš veľa chromatických aberácií alebo skreslení, nezáleží na tom, aký dobrý je snímač: fotografia je zničená ešte predtým, ako sa dostane k čipu.

Keď svetlo dopadne na senzor, do hry vstupuje elektronika. Táto súčiastka pozostáva z poľa miliónov fotocitlivých buniek (jeden fyzický pixel pre každý pixel vo výslednom obraze). Každá bunka prijíma fotóny a premieňa ich na elektrický signál úmerný množstvu prijatého svetla.

Nasleduje softvér telefónu: obrazový procesor a algoritmy značky interpretujú signál, upravujú farby, kontrast, redukciu šumu, HDR, zaostrenie a všetky ostatné úpravy . Tu môže byť rozdiel medzi špičkovým a lacným telefónom obrovský, a to aj pri použití podobných senzorov.

Najväčšou výzvou pre výrobcov je vtesnať toto všetko do veľmi tenkého tela. Čím je telefón tenší, tým menej miesta zostáva pre snímač a objektív , čo ich núti robiť konštrukčné rozhodnutia: uprednostňovať veľkosť snímača, clonu, stabilizáciu, hrúbku modulu fotoaparátu atď.

Typy snímačov: CCD, CMOS a vývoj smerom k BSI

Historicky sa v digitálnej fotografii používali dve hlavné skupiny snímačov: CCD (Charge-Coupled Devices) a CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductors) . CCD snímače boli roky považované za špičkové v kvalite obrazu, najmä vďaka ich dynamickému rozsahu a nízkej úrovni šumu.

CCD snímače ponúkali veľmi čistý obraz s dobrým spracovaním svetiel a tieňov a menším šumom , ale ich výroba bola drahá, generovali veľa tepla a vyžadovali zložité chladiace systémy – čo bolo v tenkom a ľahkom mobilnom telefóne úplne nepraktické. Navyše, pretože sú elektricky nabité, ľahšie priťahujú prach.

CMOS senzory sa na druhej strane v poslednom desaťročí enormne vyvinuli. Dnes prakticky všetky smartfóny určitej úrovne používajú CMOS senzory alebo ich pokročilé deriváty , pretože spotrebúvajú až o 75 % menej energie ako CCD, generujú oveľa menej tepla a sú lacnejšie a flexibilnejšie na výrobu.

Hlavnou výhodou CMOS snímačov je, že ich možno navrhnúť tak, aby integrovali funkcie spracovania priamo do snímača a umožnili im programovanie, čím sa ich fungovanie priblíži k fungovaniu univerzálneho čipu. To viedlo k riešeniam zameraným najmä na mobilné zariadenia, ako sú napríklad snímače s podsvietením (BSI).

V BSI senzoroch je bunková štruktúra preusporiadaná tak, aby sa do citlivej oblasti dostalo viac svetla. Výsledkom je lepšie snímanie obrazu v prostredí so slabým osvetlením s menším šumom a väčším počtom detailov, čo je kľúčové pre nočné fotografovanie smartfónmi.

Veľkosť snímača a každého pixelu: prečo je na tom taká dôležitá

Keď hovoríme o kvalite obrazu, nestačí len povedať, koľko megapixelov má fotoaparát. Skutočne dôležitá je fyzická veľkosť snímača a každého jednotlivého pixelu . Dva snímače môžu mať rovnaké rozlíšenie, ale ak je jeden väčší, jeho bunky budú tiež väčšie a zachytia viac svetla.

Každá fotocitlivá bunka funguje ako mini „kocka“ zodpovedná za počítanie fotónov, ktoré prijíma . Čím väčší je povrch tejto kocky, tým viac fotónov dokáže uložiť predtým, ako sa nasýti. To sa premieta do lepšieho dynamického rozsahu a menšieho šumu, najmä pri slabom osvetlení.

Ak porovnáme dva senzory s rovnakým počtom megapixelov, ten s väčšími fyzickými pixelmi zvyčajne ponúka čistejší obraz s lepšou textúrou a realistickejšími detailmi . Fotoaparát bude schopný „opísať“ scénu pomocou užitočnejších informácií bez toho, aby musel obraz nadmerne spracovávať.

Preto vidíme u výrobcov rôzne stratégie. Niektorí, ako napríklad HTC s One alebo Apple s niektorými iPhonmi, sa rozhodli pre menej megapixelov, ale väčšie snímače , pričom uprednostňovali kvalitu každého pixelu pred celkovým množstvom. Iní, ako napríklad Sony, Samsung alebo Nokia (s ich legendárnymi 40+ MP snímačmi PureView), sa rozhodli pre veľmi vysoké rozlíšenia, spoliehajúc sa na veľké snímače a agresívne spracovanie obrazu.

V praxi môže veľký snímač s nižším rozlíšením priniesť lepšie výsledky ako snímač s množstvom megapixelov, ale s malými bunkami . Kľúčom je rovnováha medzi veľkosťou čipu, veľkosťou pixelov a zamýšľaným použitím fotografií (obrazovka, veľké výtlačky, orezávanie atď.).

Megapixely: užitočné, ale nie zázračné riešenie

Roky sa propagovala myšlienka, že „viac megapixelov znamená lepší fotoaparát“, ale dnes je to pravda len čiastočne. Rozlíšenie je stále relevantné, ale samo o sebe neurčuje konečnú kvalitu . 12 MP telefón dokáže robiť lepšie fotografie ako 48 alebo 108 MP telefón, ak je snímač a objektív lepší.

Megapixely udávajú, koľko bodov bude tvoriť výsledný obrázok, čo určuje maximálnu veľkosť tlače alebo koľko môžete orezať bez toho, aby to bolo príliš viditeľné. Ak je snímač malý alebo má nízku kvalitu, toto dodatočné rozlíšenie iba zväčší „škvrnu“ a zväčší nedostatky (šum, nedostatok jemných detailov, artefakty).

Veľkosť každého jednotlivého pixelu tiež záleží: väčšie pixely zachytávajú viac svetla a ponúkajú lepší signál, čo umožňuje redukciu šumu bez straty detailov. Toto je pôvod technológií „pixel binning“, ktoré zoskupujú niekoľko fyzických pixelov do väčšieho virtuálneho pixelu, aby sa zlepšila kvalita obrazu pri slabom osvetlení.

Kedy má zmysel uprednostniť vysoké megapixely? Ak často tlačíte vo veľkom formáte, výrazne orezujete fotografie alebo potrebujete viac miesta na úpravu , dobre využité vysoké rozlíšenie môže byť výhodou. Ak však svoje fotografie zdieľate predovšetkým v telefóne, televízore a na sociálnych sieťach, postačí menej megapixelov a dobrý snímač.

Inteligentné rozhodnutie zahŕňa posúdenie toho, koľko megapixelov skutočne potrebujete na základe vášho používania, a na základe toho uprednostnenie fyzickej veľkosti snímača, kvality optiky a spracovania pred jednoduchým rozlíšením.

Optika: clony, kvalita objektívu a ich vplyv na obraz

Ďalším dôležitým pilierom fotoaparátu je objektív. Vynikajúci snímač je málo užitočný, ak je spárovaný s priemerným objektívom. Clona sa meria hodnotami f-stop a udáva, koľko svetla môže dosiahnuť snímač : čím nižšie číslo (f/1.6, f/1.8…), tým viac svetla prechádza.

Široká clona umožňuje lepší výkon pri slabom osvetlení a výraznejšie rozmazanie pozadia (bokeh, ktorý je tak vyhľadávaný pri portrétoch). Naopak, menšie clony (f/2.8 alebo vyššie) prepúšťajú menej svetla, čo sťažuje nočné zábery a núti vás zvýšiť ISO alebo znížiť rýchlosť uzávierky, s následným rizikom šumu a rozmazaných fotografií.

Okrem clonového čísla je tu aj skutočná kvalita objektívu alebo zostavy objektívu. Zlý optický dizajn môže spôsobiť geometrické skreslenie, halo efekty, odlesky a chromatické aberácie , ktoré zničia fotografiu, ktorá na papieri mala všetky predpoklady na to, aby bola veľkolepá.

Pri diskusii o telefónoch s objektívmi ekvivalentnými 35 mm f/1.6 alebo podobnými pre snímače blízke 1 palcu (ako sa hovorí o niektorých telefónoch Nubia alebo modeloch s veľkými objektívmi), je dôležité pochopiť, že rýchly objektív pre veľký snímač zaberá miesto . Preto v vlajkových telefónoch vidíme čoraz výraznejšie moduly fotoaparátov.

V telefónoch s viacerými fotoaparátmi (širokouhlý, teleobjektív, makro atď.) je každý hlavný objektív zvyčajne sprevádzaný vlastným snímačom . To zvyšuje náklady, ale nie až tak, ako by sa mohlo zdať, pretože výrobcovia v rôznych modeloch opätovne používajú veľa technológií a snímačov z podobných radov.

Spracovanie obrazu a umelá inteligencia: kúzlo, ktoré nevidíte

Druhá polovica rovnice spočíva v obrazovom procesore (ISP) a algoritmoch. Aj keď je hardvér fotoaparátu veľmi podobný, špičkový mobilný telefón zvyčajne poskytuje oveľa lepšie výsledky, pretože má väčší výpočtový výkon a prepracovanejšie algoritmy na spracovanie každej fotografie a každého videozáznamu.

Obrazový procesor sa zaoberá úlohami, ako je interpretácia signálu zo snímača, úprava vyváženia bielej, expozície, farieb, ostrosti a HDR . Podieľa sa tiež na zaostrovaní, redukcii šumu a celom video procese, kde sú nároky enormné.

Mnohé moderné zariadenia tiež obsahujú špecializované moduly umelej inteligencie pre fotoaparát . Tieto detekujú scény (krajina, portrét, jedlo, noc, protisvetlo atď.), identifikujú tváre a oči a automaticky upravujú parametre tak, aby vytvorili „dobre vyzerajúcu“ fotografiu bez akéhokoľvek zásahu používateľa.

Kľúčovým bodom je, že všetka táto „mágia“ má veľký vplyv iba vtedy, keď je scéna zložitá : slabé osvetlenie, vysoký dynamický rozsah, pohybujúce sa objekty, kombinácia umelého osvetlenia… V dobre osvetlených a statických situáciách sa takmer všetky moderné mobilné telefóny spoliehajú na to, že snímač pracuje v optimálnej zóne a poskytuje pomerne podobnú kvalitu.

Preto nie je vždy presné tvrdiť, že špičkový telefón „má lepší fotoaparát“ kvôli svojmu snímaču alebo objektívu (niekedy sú veľmi podobné tým, ktoré má telefón strednej až vyššej triedy). Skutočná nadradenosť zvyčajne spočíva v spracovaní obrazu, pokročilej stabilizácii a výpočtových režimoch, ako je nočný režim alebo režim na výšku.

Nočný režim a fotografovanie pri slabom osvetlení

Nočné fotografie boli tradične Achillovou pätou mobilných telefónov. Pri veľmi slabom osvetlení snímač prijíma málo fotónov; ak to kompenzujete zvýšením ISO, zvýši sa šum a stratia sa detaily . Okrem toho fotoaparát potrebuje dlhší expozičný čas, čo znamená, že akýkoľvek malý pohyb pokazí záber.

Na riešenie tohto problému takmer všetci výrobcovia zaviedli nejaký typ nočného režimu . Základnou myšlienkou je nasnímať niekoľko fotografií s rôznymi nastaveniami (ISO, expozičný čas atď.) a skombinovať ich, aby sa získal jeden, lepšie osvetlený obrázok s väčším množstvom detailov v tieňoch a menším šumom.

Tento proces sa spolieha na výpočtové techniky fotografovania a umelú inteligenciu. Telefón zarovnáva rôzne zábery, vyberá najpoužiteľnejšie časti každého z nich , koriguje roztrasené pohyby fotoaparátu a používa natrénované modely na odstránenie šumu bez vymazania dôležitej textúry.

V praxi vám to umožňuje robiť s telefónom „zázračné“ nočné fotografie, ktoré boli pred pár rokmi možné len s oveľa väčšími fotoaparátmi a statívom. Napriek tomu je dôležité pamätať na to, že nočný režim nenahrádza dobrý hardvér : veľký snímač s veľkorysým počtom pixelov a dobrou clonou bude mať stále výhodu.

Preto, ak veľa fotíte koncerty, interiéry alebo slabo osvetlené scény, mali by ste hľadať telefóny s veľkými snímačmi (ideálne 1/1.3”, 1/1.28” alebo dokonca 1”) a dobrou clonou , ako aj spoľahlivým nočným režimom, ktorý je v reálnych recenziách dobre hodnotený.

Stabilizácia: OIS, EIS a použiteľné video

Stabilizácia obrazu je jednou z tých funkcií, ktoré vám chýbajú iba vtedy, keď ju nemáte. Jej funkciou je kompenzovať pohyb vašej ruky alebo samotného telefónu, aby sa predišlo rozmazaným fotografiám a roztraseným videám.

Existujú dva hlavné typy: optická stabilizácia obrazu (OIS) a elektronická stabilizácia obrazu (EIS). OIS využíva fyzické mechanizmy na mierny pohyb objektívu alebo samotného snímača , aby sa potlačilo chvenie fotoaparátu; je účinnejšia pri fotografiách a videách pri slabom osvetlení, pretože umožňuje mierne pomalšie časy uzávierky.

EIS na druhej strane funguje softvérovo, mierne oreže obraz a upraví snímky pre plynulý pohyb . Je užitočná a často dopĺňa optickú stabilizáciu obrazu (OIS), ale sama o sebe nedosahuje rovnakú úroveň, najmä v náročných svetelných podmienkach.

Pri dennom fotografovaní so statickými scénami sa zaobídete bez OIS, ale ak fotíte veľa pri slabom osvetlení alebo natáčate veľa videa, optická stabilizácia obrazu má obrovský vplyv na ostrosť a profesionálne vyzerajúce výsledky . V dnešných špičkových fotoaparátoch ju už obsahujú prakticky všetky hlavné snímače.

Pri videu okrem optickej stabilizácie obrazu (OIS) a elektronickej stabilizácie obrazu (EIS) vstupujú do hry aj ďalšie parametre, ako napríklad rozlíšenie (1080p, 4K), snímková frekvencia (30/60 fps alebo vyššia) a HDR v reálnom čase . Dobrý snímač so slabým spracovaním videa môže priniesť priemerné výsledky, zatiaľ čo výkonný poskytovateľ internetových služieb (ISP) dosahuje z hardvéru oveľa lepší výkon.

Viacero zadných kamier: čo každá z nich prispieva

Prešli sme od jedného zadného fotoaparátu k telefónom s tromi, štyrmi alebo viacerými modulmi. Nie je to len marketing: pri dobrej implementácii tieto dodatočné objektívy výrazne rozširujú kreatívne možnosti.

Zvyčajne nájdete hlavný fotoaparát (najvyváženejší z hľadiska kvality, zvyčajne ten s najlepším snímačom), širokouhlý objektív na zachytávanie krajín alebo veľkých skupín a teleobjektív na priblíženie vzdialených objektov pomocou optického alebo hybridného zoomu s menšou stratou.

Niekedy sa na detailné zábery pridá aj makro fotoaparát spolu s ToF alebo podobnými senzormi, ktoré pomáhajú merať vzdialenosti a vylepšovať efekty, ako je rozmazanie pozadia v portrétoch. Nie všetky dodatočné objektívy však ponúkajú rovnaké výhody: mnohé základné makro a hĺbkové senzory sú skôr výplňou než čímkoľvek iným.

Vo väčšine súčasných dizajnov má každý hlavný fotoaparát svoj vlastný špecifický snímač prispôsobený ohniskovej vzdialenosti a zamýšľanému použitiu . Nejde o jeden snímač s viacerými objektívmi pred ním, pretože by to výrazne obmedzilo optický dizajn a zorné pole každého modulu.

Táto „zoo“ fotoaparátov ovplyvňuje cenu, ale umožňuje modernému telefónu ľahko zvládnuť takmer každú situáciu: od selfie a videohovorov až po širokouhlé krajinky, dlhé zoomy alebo extrémne detailné zábery . Kľúčom je pozrieť sa na to, ktoré z týchto fotoaparátov majú dobrý hardvér, stabilizáciu a spracovanie a ktoré sú čisto na parádu.

Špecifické senzory, ktoré robia rozdiel

Vo svete senzorov sa pri hovorení o telefónoch so serióznymi fotoaparátmi neustále objavujú určité mená. Niektoré sa stali populárnymi vďaka únikom informácií a iné preto, že ich výrobcovia používajú ako predajný argument vo svojich vlajkových modeloch.

Huaweiho strana spektra zahŕňa senzory ako SC5AOCS (SmartSens) , ktoré sú spojené s produktovými radmi jasne zameranými na čisto fotografiu. Hoci kompletné špecifikácie nie sú vždy verejne dostupné, základné posolstvo je jasné: záväzok k veľkým senzorom, vylepšený výkon pri slabom osvetlení a dobrý dynamický rozsah , čím sa znižuje závislosť od technológií tretích strán.

Spoločnosť Samsung má zas známe rodiny produktov ako ISOCELL . Napríklad ISOCELL GNV je veľkoryso dimenzovaný 50MP snímač navrhnutý tak, aby poskytoval solídny základ v oblasti detailov, HDR a nočného videnia bez toho, aby nútil softvér robiť zázraky. Je to typický komponent, ktorý sa hodí do telefónov so „spoľahlivou fotografiou“: namierite, nasnímate a zvyčajne to dopadne dobre.

Potom sú tu možnosti ako OmniVision OV50X50 , 50MP snímač v 1-palcovom optickom formáte s 1,6 μm pixelmi, ktorý je navrhnutý tak, aby skutočne odlíšil vlajkové lode telefónov: enormné možnosti pri slabom osvetlení, pokročilý HDR (s technológiami ako LOFIC) a rýchle automatické zaostrovanie. V kombinácii s charakteristickými znakmi ako Light Fusion a veľkými objektívmi vyniká v nočných, interiérových a náročných video situáciách.

Na strane spoločnosti Sony sa názvy ako LYT-900 stali takmer synonymom pre „mobilný fotoaparát, ktorý vyzerá ako seriózny fotoaparát“. Ide o veľký snímač (v mobilnom kontexte) s rozlíšením 50 MP a pixelmi veľkosti 1,6 μm, ktorý sa silne zameriava na poskytovanie lepšieho nočného výkonu, skutočného dynamického rozsahu a prirodzenejšieho a pohlcujúceho vzhľadu výsledného obrazu.

Iné, ako napríklad Sony IMX903, získali na význame vďaka spojeniu s iPhonom „Pro“. Apple nepredáva snímač; predáva zážitok: konzistenciu, farby, video a stabilný HDR. Pridaná hodnota pochádza z kompletného portfólia (ISP, spracovanie, stabilizácia, softvér), ale snímač je fyzickým základom, ktorý to všetko umožňuje.

Spomína sa aj Sony LYT-828 , moderný 50 MP snímač navrhnutý tak, aby vynikal vo vysokokontrastných scénach a „always-on“ HDR, a to aj v náhľade, s veľkosťou 1/1.28", čo je veľmi typické pre špičkové zariadenia, keď nejdú rovno na 1". Dôraz sa tu kladie na kombináciu dobrej veľkosti snímača s výkonným a energeticky úsporným HDR.

Okrem technických špecifikácií: ako vyhodnotiť fotoaparát mobilného telefónu

Pri toľkých špecifikáciách je ľahké sa stratiť. V konečnom dôsledku je najdôležitejšie, ako si telefón počína v reálnych situáciách. Nezameriavajte sa len na počet megapixelov, clony alebo názvy snímačov.

V ideálnom prípade by ste mali testovať (alebo nájsť spoľahlivé testovacie príklady) v týchto scenároch: scény so slabým osvetlením, fotografie s vysokým dynamickým rozsahom (protisvetlo, západy slnka), portréty s bokehom a pohybujúce sa objekty . Práve tu marketing oddeľuje fotoaparát od jeho skutočnej kvality.

Za zmienku tiež stojí, ako si telefón vedie vo videu: rozlíšenie, snímková frekvencia (FPS), stabilita a výkon HDR. Mnohé modely vynikajú vo fotografiách, ale vo videu zaostávajú kvôli slabému spracovaniu, slabej stabilizácii alebo problémom s nepretržitým zaostrovaním.

Nakoniec nesmieme zabudnúť na značky, ktoré sa tradične zameriavajú na mobilnú fotografiu. Apple vyniká svojou celkovou konzistentnosťou a možnosťami natáčania videa; Google svojím výkonom pri slabom osvetlení a umelou inteligenciou; Samsung svojimi senzormi ISOCELL a ambicióznymi možnosťami zoomu; a Xiaomi ponukou veľmi výkonných špičkových konfigurácií za agresívne ceny . Ale aj v rámci každej značky existujú medzi produktovými radmi znateľné rozdiely.

Pochopenie toho, ako jednotlivé komponenty (snímač, optika, procesor, stabilizácia a softvér) ovplyvňujú obraz, vám v konečnom dôsledku umožní vybrať si smartfón , ktorého fotoaparát skutočne vyhovuje vášmu štýlu fotografovania, a vyhnúť sa tak pasci prehnaných megapixelov alebo nafúknutých technických špecifikácií, ktoré sa nepremietajú do lepších fotografií vo vašom každodennom živote.