Сейчас в продаже всё реже и реже встречаются цифровые фотоаппараты. Разумеется, что купить их можно без проблем, но такого разнообразия и спроса, как это было раньше, уже нет. Конечно, основная заслуга принадлежит смартфонам с их крошечными камерами.
Сейчас качество мобильной фотографии выросло настолько, что превосходит качество некоторых зеркальных фотоаппаратов. Частично этот рывок можно объяснить улучшением программных алгоритмов обработки изображения, а частично — улучшением конструкции камеры. Разберёмся, как же конструкторам это удалось.
История
Главной предпосылкой появления камерофонов (было раньше в ходу такое название), то есть мобильных телефонов с возможностью съёмки качественных фото и видео, стало изобретение цифровых камер. Первый прототип такой камеры был представлен общественности ещё в далёком 1975 году. Сегодня её технические характеристики могут вызвать улыбку. Однако, на тот момент это была вершина конструкторской мысли.
Разрешение сенсора составляло 0,01 мегапикселя. Для хранения фото использовались аудиокассеты. На одну кассету можно было записать 30 фото.
Однако, сам процесс получения снимка не претерпел существенных изменений вплоть до нашего времени.
Конструкция
Современная цифровая камера имеет в своей конструкции две части: сенсор и линзы.
Свет улавливается системой линз и фокусируется на сенсоре, который преобразует его в электрические сигналы.
Мы знаем, что в современных смартфонах устанавливают несколько камер. Однако, качество каждого снимка будет напрямую зависеть не от количества камер, а от того, сколько света будет попадать на сенсор. Чем меньше сенсор, тем, соответственно, меньше света попадает на него, а значит, и хуже качество фото.
Однако, это верно только в теории, на практике всё немного иначе. Ведь мы уже знаем, что качество мобильного фото зачастую не уступает, а иногда даже превосходит качество профессиональных фотоаппаратов. Как же это им удаётся?
Особенности мобильной фотографии
Для этого за последние годы было разработано множество ухищрений. Разберём их более подробно.
Как уже известно, основная составляющая сенсора — это светочувствительная матрица. Она состоит из миллионов светочувствительных ячеек — мегапикселей.
Запуская на смартфоне приложение для съёмки, мы включаем камеру, и её ячейки начинают собирать фотоны света. Итогом работы всей системы является изображение, которое мы видим на экране смартфона.
Фото, снятое на iPhone 14 Pro Max
Разумеется, есть различия, и они зависят от типа матрицы. Всего различают два типа матриц:
- CCD
- CMOS
Разберёмся в чём между ним разница.
В матрицах CCD при воздействии света на ячейку образуется электрический сигнал, который, затем поступает в специальный преобразователь. На сегодняшний момент такие матрицы применяются только в дорогих камерах. Зачастую в видеокамерах или в специализированных приборах, например, для астрономии.
В матрицах CMOS все преобразования происходят непосредственно в самой ячейке. Это позволило увеличить скорость работы, снизить габариты и стоимость. Благодаря своим качествам, матрицы CMOS получили широкое распространение. Именно такие матрицы устанавливаются в большинстве смартфонов.
Фильтры
Однако, используя описанные технологии, можно только получить чёрно-белое изображение. Но как же сделать цветную фотографию?
Наиболее очевидный шаг — разместить светофильтры поверх ячеек. Самые распространённые это фильтры красного, синего и зелёного цветов. Они могут называться RGB-фильтры или фильтр Байера.
В процентном соотношении в них имеется 25% фильтров красного цвета, 25% фильтров синего цвета и 50% фильтров зелёного цвета. Такой дисбаланс вызван тем, что глаз человека лучше воспринимает зелёные оттенки.
Таким образом, для получения полноценного цветного изображения потребуется 4 пикселя, а точный оттенок будет вычислен по соседним цветам.
Однако фильтр RGB совсем не является единственным фильтром, кроме него, есть и другие разновидности.
Отдельно следует отметить фильтр RYYB, который стали использовать в смартфонах в 2019 году. В нём зелёный цвет был заменён жёлтым.
Идея была любопытной — фильтр жёлтого цвета пропускает больше света, чем фильтр зелёного цвета. Предполагалось, что можно получить больше информации и улучшить качество фото. Однако, идея так и не прижилась, так как возникали артефакты и проблемы с определением зелёного цвета.
Размер матрицы
Как известно, размер матриц, которые используются в смартфонах, намного меньше матриц, которые установлены в цифровых фотоаппаратах. Следовательно, должен меняться и размер светофильтров, что сделать непросто.
Для решения проблемы была разработана технология Quad Byer, которая используется во многих современных смартфонах. Её особенность в том, что при увеличении разрешения матрицы, например, до 48 МП, размер светофильтра не меняется и остаётся таким же, как и для матрицы в 12 МП.
Это означает, что светофильтр покрывает не 1 пиксель, как было показано на рисунке выше, а покрывает уже 4 пикселя. Такая технология значительно повышает динамический диапазон получаемого изображения.
Повысить динамический диапазон можно двумя способами — увеличить размер сенсора или увеличить выдержку. Разумеется, что первое не подходит из-за малого размера камер, применяемых в мобильных устройствах.
Второй вариант более предпочтителен для смартфонов. Однако, при увеличении времени выдержки, возможно ухудшение качества изображения.
Проблему решили следующим образом. Первая половина фотоэлементов работает с короткой выдержкой, а вторая — с длинной выдержкой. Это даёт возможность только увеличивать общее время выдержки на небольшую величину.
Другая проблема — уменьшение размера пикселей приводит к увеличению шумов. Эту проблему успешно решают увеличением производительности смартфона.
Стабилизация
Конечно, на матрицах соревнование за качество мобильной фотографии не останавливается. Инженеры применяют различные технологии, предназначенные для улучшения качества изображения. Одна из таких технологий — стабилизация.
Как известно, чем больше света попадает на матрицу, тем лучше качество изображения. Однако, при чём здесь стабилизация?
Всё взаимосвязано. Ведь при увеличении времени выдержки конечное изображение может смазаться, так как камера неизбежно будет двигаться. Стабилизация как раз, и помогает решить эту проблему.
Самый распространённый способ — оптическая стабилизация. Специальный механизм обеспечивает повышенную устойчивость камеры, двигаясь в направлении, которое противоположно тряске. Однако, совершенные механизмы стоят недёшево и производители применяют электронную стабилизацию (EIS).
При такой стабилизации компенсация движения камеры компенсируется обработкой изображения по специальным алгоритмам процессором. Разумеется, что в смартфонах применяются оба способа стабилизации.
Линзы
Больше всего места в модуле камеры занимает система линз. Ведь именно она позволяет получать качественные фото. Благодаря ей удалось снизить размер матрицы.
В любом модуле камеры имеется три основных типа линз:
- собирающая
- фокусирующая
- корректирующая.
Выпуклая собирающая линза является основной. Её назначение заключается в том, чтобы собрать пучок света в одну точку, сопоставимую с размером самого сенсора. В целом, её одной уже достаточно для получения изображения.
Однако, в этом случае качество полученного изображения будет неудовлетворительным. Ведь мы получаем расфокусировку, искажения и аберрации. Для устранения этих недостатков требуется фокусирующая линза.
Такая линза, в отличие от других, может перемещаться внутри объектива для достижения необходимой резкости.
Корректирующие линзы, также требуются для устранения недостатков изображения, например, эффекта хроматических аберраций. Он возникает из-за того, что каждый цвет имеет определённую длину волны. Следовательно, при фокусировке, отдельные цвета могут не собираться в одной точке, что понижает чёткость фото и приводит к появлению цветных контуров.
Несколько объективов
В классических больших фотоаппаратах всё довольно просто — можно сменить объектив на наиболее подходящий для данной задачи. Разумеется, что для смартфонов такой вариант не подходит, поэтому инженеры пошли другим путём — увеличение количества камер.
Начало популярности многокамерных смартфонов было положено с выходом в 2014 году, смартфона HTC One M8.
Это был первый смартфон с двумя камерами — основной на 5 Мп и сенсором глубины. Сейчас некоторые возможности смартфона, нам покажутся весьма забавными. Например, можно было заменить фон на дождь. Однако, эта модель дала старт самой настоящей гонке объективов.
Практически все производители современных смартфонов устанавливают несколько модулей камер. Для различных типов съёмки можно переключаться между несколькими модулями, каждый из которых предназначен для определённого угла обзора.
Главный объектив имеет средний угол обзора и высокую светочувствительность. Широкоугольный объектив имеет большой угол обзора и малое фокусное расстояние, что позволяет максимально широко захватывать сцену. Также может присутствовать третий модуль, который нужен для замера глубины фона или для отделения фона при портретной съёмке.
Для большего зума в смартфонах устанавливают телеобъектив. Фокусное расстояние у них, часто кратно фокусному расстоянию в основном модуле. Например, если у основного объектива, фокусное расстояние равно 24 мм, то у телеобъектива оно может быть равно 77 мм. Приблизительно это в три раза больше, то есть получаем трёхкратный оптический зум.
Алгоритмы
Все вышеперечисленные решения, безусловно, помогают получить качественные снимки. Однако, очень важную роль играют и алгоритмы обработки изображения. Мощность процессоров в современных смартфонах постоянно растёт и для обработки применяются нейронные ядра. Они убирают шумы, дорисовывают детали, подбирают баланс белого и склеивают несколько снимков.
Простая математика — недорогой зеркальный фотоаппарат может сделать только 3—4 фото в секунду, тогда как смартфон делает за это время от 10 до 15 фотографий. Затем смартфон склеивает полученные кадры, при этом алгоритм вытягивает детали. Такой метод склеивания называется stecking, и именно он позволяет получать снимки даже с более высоким качеством, чем у больших фотоаппаратов.
Другой способ улучшить изображение называется pixel shifting.
Суть этого способа в том, что камера смещается по вертикали и по горизонтали на один пиксель и делает один кадр. Может показаться, что изображение получается в четыре раза больше, однако это не совсем так. Просто процессор при обработке изображения использует полученные данные для определения точного значения каждого пикселя.
Тряска смартфона при съёмке, как ни странно, помогает улучшить изображение. В последних моделях iPhone или Google Pixel такие алгоритмы вшиты в процессор и включаются при необходимости, например, при зуме.
Заключение
Разумеется, прогресс остановить нельзя. Яркий пример — мобильная фотография. Ведь буквально лет 20 назад возможности мобильных телефонов по фотосъёмке были очень скромными.
Однако, за это время была проделана огромная работа, что позволило существенно улучшить качество мобильной фотографии. Не исключено, что в будущем возможности смартфонов в области фотографии будут превосходить возможности зеркальных фотоаппаратов.
