Kvalita senzorov a optiky mobilných telefónov: kompletný sprievodca

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

Dnes nosíme mobilné telefóny pripevnený k ruke a používame ho ako hlavný fotoaparát Prakticky na všetko: každodenné fotografie, prácu, sociálne médiá, cestovanie… Preto sa kvalita snímačov a objektívov smartfónov stala jedným z kľúčových faktorov pri výbere zariadenia, dokonca viac ako… výkon procesora alebo množstvo pamäte.

Keď sme však začali hľadať technické listy Ocitáme sa v mori skratiek, megapixelov a zvláštnych názvov senzorov, ktoré môžu zmiasť kohokoľvek. Nestačí sa len pozrieť na počet megapixelovPatria sem veľkosť snímača, kvalita objektívu, stabilizácia, obrazový procesor, nočné režimy, rôzne zadné kamery… a dokonca aj to, ako softvér interpretuje údaje o scéne.

Ako naozaj funguje fotoaparát mobilného telefónu

Moderný fotoaparát smartfónu sa až tak nelíši od tradičného fotoaparátu. V podstate máme optika, ktorá smeruje svetlo k senzoru a systém spracovania, ktorý tieto informácie prevedie do digitálneho obrazu. Výzva (a ťažkosť) spočíva v tom, ako to všetko umiestniť do minimálneho priestoru, ktorý zaberá šasi telefónu.

Optický blok, teda šošovka alebo sada šošoviek, je zodpovedný za zachytiť viditeľné svetlo a priviesť ho k senzoru s čo najmenším skreslenímAk objektív spôsobí priveľa 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 sa zapojí elektronika. Táto súčiastka pozostáva z matrica miliónov fotosenzitívnych buniek (jeden fyzický pixel pre každý pixel výsledného obrazu). Každá bunka prijíma fotóny a premieňa ich na elektrický signál úmerný množstvu svetla, ktoré prijala.

Nasleduje softvér telefónu: obrazový procesor a algoritmy značky sa starajú o... interpretovať tento signál, upraviť farby, kontrast, redukciu šumu, HDR, zaostrenie a všetky „dokončovacie úpravy“Tu môže byť rozdiel medzi špičkovým mobilným telefónom a lacným obrovský, a to aj pri použití podobných senzorov.

Veľkou výzvou pre výrobcov je, že toto všetko sa musí zmestiť do veľmi tenkého tela. Čím je telefón tenší, tým menej miesta zostáva pre snímač a optiku.A to vás núti robiť konštrukčné rozhodnutia: uprednostňovať veľkosť snímača, clonu, stabilizáciu, hrúbku modulu kamery atď.

Typy snímačov: CCD, CMOS a vývoj smerom k BSI

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

CCD snímače ponúkali veľmi čistý obraz s... Dobré spracovanie svetla a tieňov a menej šumuIch výroba však bola drahá, generovala veľa tepla a vyžadovala 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 za posledné desaťročie enormne vyvinuli. Dnes ich používajú prakticky všetky smartfóny určitej úrovne. CMOS senzory alebo ich pokročilé derivátypretože spotrebujú až o 75 % menej energie ako CCD, zahrievajú sa oveľa menej a sú lacnejšie a flexibilnejšie na výrobu.

Hlavnou výhodou CMOS technológií je, že ich možno navrhnúť tak, aby integrovali funkcie spracovania v samotnom senzore a urobiť ich programovateľnými, čím sa ich fungovanie priblíži k fungovaniu univerzálneho čipu. To viedlo k riešeniam zameraným najmä na mobilné zariadenia, ako sú napríklad podsvietené senzory (BSI).

V senzoroch BSI je bunková štruktúra reorganizovaná, aby sa do snímacej oblasti dostalo viac svetla. Výsledkom je vylepšené snímanie v prostredí so slabým osvetleníms menším šumom a väčším počtom detailov, čo je pri nočnej fotografii so smartfónom kľúčové.

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 pixeluDva senzory 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 spočítajte fotóny, ktoré ho dosiahnuČím väčší je povrch 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 Väčšie fyzické pixely vo všeobecnosti ponúkajú čistejší obraz s lepšou textúrou a realistickými detailmi.Fotoaparát bude schopný „opísať“ scénu pomocou užitočnejších informácií bez toho, aby musel spracovanie až tak silno vynucovať.

Preto vidíme u výrobcov rôzne stratégie. Niektorí, ako napríklad HTC s One alebo Apple s určitými iPhonmi, sa rozhodli pre Menej megapixelov, ale väčšie snímačesnažia sa uprednostniť kvalitu každého bodu pred celkovou kvantitou. Iní, ako napríklad Sony, Samsung alebo Nokia (s ich legendárnymi 40+ MP fotoaparátmi PureView), sa rozhodli pre veľmi vysoké rozlíšenia, spoliehajúc sa na veľké snímače a agresívne spracovanie.

V praxi môže senzor s veľkou plochou povrchu a nižším rozlíšením poskytnúť lepší výsledok ako iný, nabitý megapixelmi, ale s malými bunkamiKľúčom je rovnováha medzi veľkosťou čipu, veľkosťou pixelov a typom použitia, ktoré budete fotografie používať (obrazovka, veľká tlač, orezanie atď.).

Megapixely: užitočné, ale nie zázračné riešenie

Roky sa propagovala myšlienka, že „viac megapixelov znamená lepší fotoaparát“, a dnes je to pravda len čiastočne. Rozlíšenie je stále relevantné, ale samo o sebe neurčuje konečnú kvalitu12 MP telefón dokáže robiť lepšie fotografie ako 48 alebo 108 MP telefón, ak je snímač a optika kvalitnejšie.

Megapixely označujú, 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 len zväčší „šmuhu“. a zväčšuje nedostatky (šum, nedostatok jemných detailov, artefakty).

Veľkosť každého jednotlivého pixelu tiež záleží: väčšie pixely zachytávajú viac svetla 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 vysoký počet megapixelov? Ak zvyčajne Tlačte vo veľkom formáte, veľa orezávajte fotografie alebo potrebujete okraje na úpravu.Vysoké rozlíšenie, ak sa používa efektívne, môže byť výhodou. Ak však vaše fotografie ukladáte prevažne do telefónu, televízora a na sociálnych sieťach, menej megapixelov a dobrý snímač budú viac než postačujúce.

Inteligentné rozhodnutie zahŕňa posúdenie toho, koľko megapixelov skutočne potrebujete na základe vášho používania a na základe toho uprednostniť fyzickú veľkosť senzora, kvalitu optiky a spracovanie oproti jednoduchému číslu rozlíšenia.

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 hovorí nám... koľko svetla môže vniknúť do senzoraČím nižšie číslo (f/1.6, f/1.8…), tým viac svetla prechádza.

Široký otvor umožňuje vylepšený výkon pri slabom osvetlení a výraznejšie rozmazanie pozadia (ten bokeh, ktorý je taký vyhľadávaný pri portrétoch). Naproti tomu 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 viesť k... geometrické skreslenia, haló, odlesky a chromatické aberácie ktoré zničia fotografiu, ktorá na papieri mala všetky ingrediencie na to, aby bola veľkolepá.

Keď hovoríme o mobilných telefónoch s objektívmi ekvivalentnými 35 mm f/1.6 alebo podobnými pre snímače blízke 1” (ako sa hovorí o niektorých telefónoch Nubia alebo modeloch s veľkými objektívmi), treba si uvedomiť, že Rýchly objektív pre veľký snímač zaberá miesto.Preto v vlajkových telefónoch vidíme čoraz výraznejšie moduly fotoaparátov.

V mobilných telefónoch s viacerými fotoaparátmi (širokouhlý, teleobjektív, makro...) zvyčajne každý dôležitý objektív Zvyčajne je sprevádzaný vlastným senzoromTo zvyšuje náklady, ale nie až tak, ako by sa mohlo zdať, pretože výrobcovia v rôznych modeloch opätovne používajú veľa technológií a senzorov 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 ponúka oveľa lepšie výsledky, pretože Má väčší výpočtový výkon a prepracovanejšie algoritmy spracovať každú fotografiu a každý záber videa.

Obrazový procesor zvláda úlohy ako napríklad Interpretácia signálu snímača, úprava vyváženia bielej, expozície, farieb, ostrosti a HDRPodieľa sa tiež na ostrení, redukcii šumu a celom video pipeline, kde sú nároky enormné.

V mnohých súčasných zariadeniach sa používajú aj moduly Umelá inteligencia venovaná fotoaparátuTieto detekujú scény (krajina, portrét, jedlo, noc, protisvetlo...), identifikujú tváre a oči a automaticky upravujú parametre tak, aby sa vytvorila „skvelá“ fotografia bez toho, aby sa používateľ čohokoľvek dotkol.

Kľúčovým bodom je, že všetka táto „mágia“ robí veľký rozdiel keď je scéna komplikovanáSlabé osvetlenie, vysoký dynamický rozsah, pohybujúce sa objekty, miešanie 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 správne tvrdiť, že špičkový telefón „má lepší fotoaparát“ kvôli svojmu snímaču alebo optike (niekedy sú veľmi podobné fotoaparátom stredne až vyššej triedy telefónov). Skutočná nadradenosť zvyčajne spočíva v... spracovateľský kanál, pokročilá stabilizácia a výpočtové režimy napríklad 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, Zvyšuje sa šum a strácajú sa detailyOkrem toho fotoaparát potrebuje dlhší expozičný čas, čo znamená, že akýkoľvek malý pohyb pokazí záber.

Na riešenie tohto problému takmer všetci výrobcovia zaviedli nejaký typ nočný režimZákladnou 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. Mobilný telefón Zarovnajte rôzne zábery a vyberte najpoužiteľnejšie časti každého z nichKoriguje pohyb pulzov a používa trénované modely na čistenie 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... Nenahradí 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... veľké snímače (ideálne 1/1.3”, 1/1.28” alebo dokonca 1”) a dobrá clona, okrem spoľahlivého nočného režimu, ktorý bol v reálnych recenziách dobre hodnotený.

Stabilizácia: OIS, EIS a použiteľné video

Stabilizácia je jeden z tých faktorov, ktoré vám chýbajú iba vtedy, keď ju nemáte. Jej funkciou je kompenzovať pohyb impulzu alebo samotného telefónu. aby sa predišlo rozmazaným fotografiám a videám „podobným zemetraseniu“.

Existujú dva hlavné typy: optická stabilizácia obrazu (OIS) a elektronická stabilizácia obrazu (EIS). OIS používa fyzické mechanizmy na mierny pohyb objektívu alebo samotného snímača a pôsobí proti chveniu; je účinnejší pri fotografiách a videách pri slabom osvetlení, pretože umožňuje použitie o niečo pomalších časov uzávierky.

EIS na druhej strane funguje softvérovo, mierne oreže obrázok a úprava rámov pre plynulejší pohybJe to užitočné a často dopĺňa optickú stabilizáciu obrazu (OIS), ale samostatne to nedosahuje rovnakú úroveň, najmä pri komplikovanom osvetlení.

Pri dennom fotografovaní so statickými scénami sa zaobídete bez OIS, ale ak fotíte veľa pri slabom osvetlení alebo natáčate veľa videa, optická stabilizácia obrazu je nevyhnutná. Robí to obrovský rozdiel v ostrosti a profesionálnom prevedeníV dnešnom špičkovom rade ho už prakticky všetky hlavné senzory obsahujú.

Vo videu okrem OIS a EIS vstupujú do hry aj ďalšie parametre, ako napríklad rozlíšenie (1080p, 4K), snímková frekvencia (30/60 fps alebo viac) a HDR v reálnom časeDobrý senzor so slabým spracovaním videa môže priniesť priemerné výsledky, zatiaľ čo výkonný poskytovateľ internetových služieb dosahuje z hardvéru oveľa lepší výkon.

Viacero zadných kamier: čo každá z nich prispieva

Prešli sme od telefónov s jedným zadným fotoaparátom k telefónom s tromi, štyrmi alebo viacerými modulmi. Nie je to len marketing: pri dobrej implementácii môžu byť tieto dodatočné šošovky veľmi efektívne. Výrazne rozširujú tvorivé možnosti.

Je bežné nájsť jeden hlavný fotoaparát (najvyváženejšia kvalita, zvyčajne tá s najlepším snímačom), a široký uhol zahŕňať krajiny alebo veľké skupiny a teleobjektív priblížiť vzdialené objekty pomocou optického alebo hybridného zoomu s menšími stratami.

Niekedy makro kamera Pre veľmi detailné zábery a ToF alebo podobné senzory, ktoré pomáhajú merať vzdialenosti a vylepšovať efekty, ako je rozmazanie pozadia v portrétoch. Nie všetky doplnkové objektívy však ponúkajú rovnaké výhody: mnohé makro objektívy a základné hĺbkové senzory sú skôr výplňou ako čímkoľvek iným.

Vo väčšine súčasných dizajnov má každý hlavný fotoaparát funkcie vlastný špecifický snímač prispôsobený ohniskovej vzdialenosti a zamýšľanému použitiuNejde o jeden senzor s niekoľkými šošovkami vpredu, pretože by to výrazne obmedzilo optickú konštrukciu a zorné pole každého modulu.

Táto „zoo“ fotoaparátov ovplyvňuje cenu, ale umožňuje modernému mobilnému telefónu ľahko zvládnuť takmer každú situáciu: Od selfie a videohovorov až po rozsiahle krajinky, vzdialené priblíženia alebo extrémne detailné záberyKľúčom 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.

Huawei hovorí o senzoroch, ako je SC5AOCS (SmartSens)spojené s radmi jasne zameranými na čistú fotografiu. Hoci kompletný verejný zoznam technických údajov nie je vždy k dispozícii, základné posolstvo je jasné: vyberte si Veľké senzory, lepší nočný výkon a dobrý dynamický rozsahzníženie závislosti od tretích strán.

Spoločnosť Samsung má zas rodiny známych ako ISOCELLNapríklad 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 perfektne zapadá do telefónov so „spoľahlivou fotografiou“: namierte, fotografujte a zvyčajne to dopadne dobre.

Potom sú tu stávky ako napríklad OmniVision OV50X5050MP snímač v 1-palcovom optickom formáte s 1,6μm pixelmi, navrhnutý tak, aby skutočne odlíšil vlajkové telefóny: ​​obrovské 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 noci, v interiéri a pri náročnom videu.

Na strane spoločnosti Sony, mená ako LYT-900 Stali sa takmer synonymom pre „fotoaparát mobilného telefónu, ktorý vyzerá ako seriózny fotoaparát“. Je to veľký snímač (v mobilnom kontexte), 50 MP a 1,6 μm pixelov, silne zameraný na poskytovanie lepšieho nočného výkonu, skutočného dynamického rozsahu a prirodzenejšieho a pohlcujúceho vzhľadu vo výslednom obraze.

iní ako Sony IMX903 Získali si popredné miesto vďaka spojeniu s iPhonom „Pro“. Apple nepredáva snímač, predáva zážitok: konzistenciu, farby, video, stabilný HDR. Pridaná hodnota pochádza z kompletného portfólia (ISP, spracovanie, stabilizácia, softvér), ale snímač je fyzický základ, ktorý to všetko umožňuje.

Znie to tiež ako Sony LYT-828Moderný 50MP snímač navrhnutý tak, aby vynikal vo vysokokontrastných scénach a vždy zapnutom HDR, a to aj v ukážke, s veľkosťou 1/1.28", čo je veľmi typické pre špičkové telefóny, keď nejdú rovno do 1". Dôraz sa tu kladie na... kombinujú dobrú veľkosť snímača s výkonným a efektívnym HDR v spotrebe.

Okrem technických špecifikácií: ako vyhodnotiť fotoaparát mobilného telefónu

Pri toľkých špecifikáciách je ľahké sa stratiť. V konečnom dôsledku je najdôležitejšie, ako sa telefón správa v reálnych situáciách. Nezameriavajte sa len na čísla megapixelov, clon alebo názvov snímačov.

V ideálnom prípade by ste mali testovať (alebo nájsť spoľahlivé príklady testovania) v týchto scenároch: Scény so slabým osvetlením, fotografie s vysokým dynamickým rozsahom (protisvetlo, západy slnka), portréty s bokehom a pohybujúce sa objektyTam sa marketing oddeľuje od skutočnej kvality fotoaparátu.

Za zmienku tiež stojí, ako si telefón vedie vo videu: rozlíšenie, plynulosť (FPS), stabilita a výkon HDR. Mnoho modelov sa chváli svojimi fotografiami, ale Nedokážu natáčať video kvôli zlému spracovaniu, slabej stabilizácii alebo problémom s nepretržitým zaostrovaním..

Napokon 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 svojou ponukou... veľmi výkonné špičkové konfigurácie za agresívne cenyAle aj v rámci každej značky existujú medzi radmi výrazné rozdiely.

Pochopenie toho, ako jednotlivé komponenty (senzor, optika, procesor, stabilizácia a softvér) ovplyvňujú výkon, vám v konečnom dôsledku umožní... výber smartfónu ktorého fotoaparát skutočne zodpovedá vášmu fotografickému štýlu a vyhýba sa pasci prehnaných megapixelov alebo nafúknutých technických špecifikácií, ktoré sa nepremietajú do lepších fotografií v každodennom živote.