Ранее мы обсуждали разницу между мыльницами и зеркалками, и одной из отличительных особенностей зеркалок был большой размер сенсора.
Именно большой сенсор позволяет получать качественное изображение, и сейчас мы разберёмся, почему.
Предыдущие части: Почему зеркалки круче мыльниц, Влияние размера кадра на выбор объектива, 8 параметров качества объектива, Объективы и зум, Линзовый фокус и гиперфокал, Фокус, Гистограмма, Экспокоррекция, P-A-S-M, Три кита экспозиции, Экспозиция, Как начать разбираться
Со временем камеры в телефонах становились лучше, и многие стали считать, что если есть хороший смартфон, то отдельная камера вроде как и не нужна – можно фотографировать смартфоном и получать качественные фотографии.
Особенно это мнение подпитывалось рекламой новых айфонов. Например, можно было встретить огромные биллборды с фотографиями, подписанными "снято на айфон".
Действительно, качество камер современных смартфонов не сравнить с ранними моделями – они позволяют получать вполне себе достойные снимки. Но становятся ли ненужными обычные фотокамеры? Давайте разбираться.
Главное отличие между камерой смартфона и нормальной фотокамерой –размер сенсора.
В современных камерах наиболее часто встречаемые размеры сенсора это 36*24 мм (фуллфрейм), 22*15 мм (стандарт APS-C, кроп 1.6) и 18*12 мм (стандарт micro 4/3, кроп 2).
- Читайте также: Что такое фуллфрейм и кроп
В смартфонах же размер сенсора составляет приблизительно 6*4 мм, а бывает даже меньше! Это в 3-6 раз меньше, чем сенсоры нормальных камер.
Так какие же недостатки у маленького сенсора?
Ёмкость пиксела
Цифровой сенсор – матрица, состоящая из пикселов. Каждый пиксел – светочувствительный элемент, который улавливает фотоны света.
При этом наблюдается интересная закономерность: физическая площадь пиксела прямо соотносится с количеством фотонов, которое он может накопить.
Почему это важно?
Фотоснимок делается так:
- Все пикселы сенсора обнуляются
- Затвор открывается, и на сенсор попадает свет
- Каждый пиксел начинает улавливать ту часть света, которая попадает на него. В пикселах накапливаются фотоны (то есть электрический заряд).
- Затвор закрывается, и мы подсчитываем, сколько фотонов уловил каждый пиксел.
Очевидно, что на каждый пиксел попадает разное количество света. Ведь мы видим изображение как набор светлых и тёмных пятен. Пикселы, которые оказались в тёмных зонах, накопят меньше фотонов, а в светлых – больше.
Самое интересное начинается тогда, когда в изображении встречаются большие перепады яркости. Например, в один пиксел прилетает 1000 фотонов, а в другой 1 фотон. Это разница в 1000 раз.
Допустим, ёмкость одного пиксела это 1000 фотонов. Значит, можно задать такую экспозицию (время, пока открыт затвор), чтобы в пиксел прилетело максимум 1000 фотонов от самого яркого участка изображения. А больше не имеет смысла.
Тогда в самых тёмных местах пикселы получат по 1 фотону... Или по 2, или вообще ничего. Это диктуется хаотической природой квантов света. Существует лишь некоторая вероятность, но не гарантия, что мы получим ровно 1 фотон.
Шум
Пикселы матрицы случайным образом генерируют свой собственный заряд. Это связано с температурными и электромагнитными флуктуациями в электронных схемах. То есть, обнаружив в пикселе некий маленький заряд, мы не можем точно сказать – он пришёл извне, или самозародился.
Так получается цифровой шум. Все эти цветные точки – не словленные фотоны изображения, а самозародившиеся заряды:
Когда шум сенсора складывается с фотонами, прилетевшими извне, мы получаем изображение, смешанное с шумом:
Чтобы улучшить качество изображения, нужно повысить отношение сигнал/шум. Сигнал – это реальные фотоны. Шум всегда одинаковый, то есть сенсор не может шуметь сильнее, чем он уже шумит. А вот величину сигнала можно повысить. Тогда в общей картинке доля сигнала станет больше, чем доля шума.
Допустим, уровень шума сенсора находится в пределах 0..2 фотона. Тогда, чтобы точно отличить сигнал от шума, нам нужно заполнить пиксел минимум 3 фотонами. Имея уровень в 3 фотона, мы будем точно знать, что поймали как минимум 1 фотон. А лучше поймать ещё больше фотонов, скажем, 10. Тогда сигнал будет в 5 раз сильнее шума.
Значит, чтобы самые тёмные пикселы получили сигнал, отличимый от шума, нужно увеличить экспозицию хотя бы в 3 раза. Это увеличит количество пойманных фотонов в 3 раза. Но...
Наша экспозиция была рассчитана на то, что самый яркий пиксел поймает 1000 фотонов. А увеличив экспозицию в 3 раза, мы направим в этот пиксел уже не 1000, а 3000 фотонов. И все более тёмные пикселы, которые должны были получить 999, 998, 997 и т.д. вплоть до 334 фотонов, тоже получат в 3 раза больше. И теперь их уже никак не отличить друг от друга.
Мы получили пересвет. Ёмкость пикселов была превышена во многих местах из-за увеличения экспозиции, и мы потеряли детали изображения:
Мы столкнулись с неразрешимой проблемой: увеличивая сигнал в тёмных местах, мы теряем его в светлых из-за переполнения. Уменьшая его в светлых, мы практически обнуляем его в тёмных и там остаётся лишь шум.
При этом часто встречаются ситуации, когда мы не можем сохранить сигнал ни в тёмных, ни в светлых областях. Например, на этом фото одновременно пересвеченное небо и чёрная тень:
Светочувствительность пиксела
В нашем примере один пиксел способен накопить 1000 фотонов. Но если мы увеличим его размеры в 2 раза, то его площадь увеличится в 4 раза. Теперь один пиксел занимает площадь как 4 пиксела, и может накопить уже не 1000, а 4000 фотонов.
Одновременно с этим вероятность того, что пиксел словит 1 фотон, повышается в 4 раза.
Это значит, что светочувствительность пиксела выросла в 4 раза.
При той же самой экспозиции там, где ловилось 1000 фотонов, теперь будет ловиться 4000, а там, где ловился 1, будет ловиться 4.
При этом уровень шума у такого пиксела остаётся тем же (или меньше). То есть отношение сигнал/шум выросло в 4 раза.
Очевидно, это пойдёт на пользу качеству картинки:
Проблема смартфонов
На отношение сигнал/шум влияет размер пиксела, но не размер сенсора. Если сделать на маленьком сенсоре достаточно большие пикселы, то можно получить изображение сколь угодно высокого качества.
Но проблема именно в том, что "больших семь шапок из овцы не выкроишь никак".
Мы можем снимать на обычную камеру с сенсором, который содержит 12 миллионов пикселов (мегапикселов). Мы также можем снимать на смартфон с сенсором, который содержит 12 мегапикселов.
Но так как сенсор смартфона меньше в 6 раз, то каждый пиксел тоже меньше в 6 раз, иначе они просто не поместятся на сенсоре. Отсюда и следствие – маленькие пикселы, плохое качество.
Можно было бы отказаться от 12 мегапикселов на смартфоне и оставить, допустим, только 3 мегапиксела. Тогда пикселы стали бы больше, и качество картинки улучшилось бы. Но в наше время никто не купит смартфон с камерой 3 мегапиксела – потому что всем потребителям промыли мозги количеством мегапикселов, но не их качеством.
Заключение
У меня осталось ещё два пункта по этой теме.
Кроме светочувствительности, есть ещё чисто оптическая проблема глубины резкости.
Также нужно пояснить, к каким уловкам прибегают смартфоны, чтобы сделать изображение лучше. Об этом напишу в двух следующих материалах:
- Как смартфоны борются за качество изображения
Ссылки на них, как всегда, появятся в общем списке по факту готовности.