Царство иллюзорных мегапикселей

Логотип компании
Царство иллюзорных мегапикселей
За последнее время появилась масса смартфонов с камерами, оснащенными матрицами 48, 64 и даже 108 Мп. Но настоящие ли это пиксели?

Даже самые строгие скептики соглашаются, что для реализации фотопотребностей среднестатистического пользователя возможностей современного смартфона даже среднего уровня вполне достаточно. Тем не менее, гонка за мегапикселями продолжается: то и дело появляются анонсы новых сенсоров для смартфонов и аппаратов на базе оных.

Так, летом 2018 года японская компания Sony представила первый на тот момент в мире CMOS-сенсор для смартфонов с поддержкой эффективного разрешения 48 млн пикселей – IMX586. Гаджетов с ним вышло довольно много – в качестве примера достаточно вспомнить ASUS ZenFone 6, Honor View 20 (бренд Huawei) и Xiaomi Mi 9, и конце 2019-го был анонсирован скорый выход следующего поколения датчиков – для смартфонов IMX686. Ожидается, что новый модуль будет обладать разрешением 64 Мп, а первым смартфоном на его базе станет Redmi K30 (бренд Xiaomi).

Царство иллюзорных мегапикселей. Рис. 1

Параллельно с Sony новые фотомодули успела выпустить южнокорейская компания Samsung, предлагающая сенсоры с поддержкой 48 Мп (S5KGM2), 64 Мп (S5KGW1) и даже 108 Мп (S5KHMX). В частности, первые смартфоны с 48-Мп камерами появились еще в декабре 2018 года – интересно, что многие из них не были флагманами, а тянули скорее на увесистых середнячков. Сегодня таких смартфонов уже десятки. При этом цены на них даже снижаются, а технические характеристики (по крайней мере заявляемые на уровне маркетинговых отделов) растут не по дням, а по часам.

За счет каких технологий это стало возможным? Как прирост мегапикселей влияет на качество фотографий? Можно ли считать эти мегапиксели в полной мере настоящими? Какие достоинства и недостатки таят в себе смартфоны с новыми фотосенсорами? Попробуем разобраться.

Магия светофильтров

Уместить больше пикселей на сенсоре можно либо за счет уменьшения размеров самого пикселя, либо за счет увеличения площади сенсора. Так что количество эффективных мегапикселей – это всегда компромисс между этими показателями. В новых сенсорах Sony и Samsung для смартфонов чаще всего используются матрицы со стороной пикселя 0,8 мкм, хотя существуют варианты и с 0,7 и 0,9 мкм. На момент написания этих строк самый маленький пиксель (0,7 мкм) используется в матрице Samsung S5KGH1. При этом сами матрицы в самых современных модулях в среднем составляют 6-10 мм в диаметре. Максимальный размер сенсора ограничен требованиями со стороны производителей смартфонов, так что развернуться особо некуда: тренд на «лопаты» прошел, а для крупных сенсоров в обычных смартфонах места нет.

В новых матрицах действительно больше реальных (а не виртуальных, как некоторым кажется) пикселей, но маркетинг (и не только) кроется в деталях. Главный вопрос – как именно используются «избыточные» пиксели? И вот тут начинается самое интересное. Дело в том, что без использования светофильтров фотодиоды способны воспринимать лишь черно-белое изображение, поэтому и в старых, и в новых матрицах для получения полноценных цветных изображений каждый фотодиод покрывается соответствующим светофильтром, а уже позже с помощью программных алгоритмов происходит восстановление цветовой палитры изображения.

Царство иллюзорных мегапикселей. Рис. 2

В матрицах смартфонов используется так называемый фильтр Байера – массив цветных фильтров, где каждому пикселю соответствует один из трех основных цветов RGB-модели – красный, зеленый, синий. Цвета чередуются в определенном порядке, при этом зеленых элементов вдвое больше, чем остальных, ибо человеческий глаз наиболее чувствителен именно к зеленому свету. Таким образом, например, в обычной 12-мегапиксельной матрице можно насчитать 6 млн зеленых пикселей и по 3 млн красных и синих. Чтобы выяснить цветовой оттенок каждой ячейки необходимо обработать информацию как минимум от девяти соседних фотодиодов. Этот базовый подход был разработан инженером Брюсом Байером в 1976 году.

В новых CMOS-матрицах (2018-2019 гг.) инженеры решили немного доработали фильтр Байера. В Sony его называют Quad Bayer, а в Samsung – TetraCell (это одно и то же, только в первом слово «четыре» написано по-латински, а во втором – по-гречески): каждый покрывает сразу четыре физических пикселя в виде квадрата 2×2 (а не один, как в оригинале). При этом порядок чередования цветов и базовая структура не отличаются.

Достоинства

Особая, учетверенная структура расположения светофильтров увеличивает адаптационные возможности новых матриц при работе в различных сценариях. Но чем меньше пиксель, тем меньше света он способен собрать, следовательно, при съемке ночью это может привести к ухудшению качества фото. Поэтому в условиях плохой освещенности сенсоры с поддержкой Quad Bayer/TetraCell работают в режиме «больших пикселей»: так как фильтр одного цвета покрывает сразу четыре соседних ячейки-пикселя, то камера работает с подобным блоком как с одним большим пикселем.

В качестве примера стоит рассмотреть довольно распространенный чип Sony IMX586. Сторона пикселя в нем составляет 0,8 мкм, однако в режиме Quad Bayer камера работает с аналогами пикселей со стороной 1,6 мкм, а значит разрешение матрицы падает с 48 Мп до 12 Мп. Тогда как у наиболее распространенных чипов Sony на 12 Мп размер пикселя обычно меньше – 1,2–1,4 мкм (например, у Sony IMX363 – - 1,4 мкм), поэтому камера с пикселем в 1,6 мкм при плохом свете способна выдать более качественные ночные снимки, чем на «обычных» 12-Мп сенсорах.

Царство иллюзорных мегапикселей. Рис. 3

Другой сценарий – съемка в солнечный день. В таком случае на первый план выходит максимальное разрешение, достигаемое за счет минимально возможного размера пикселя: матрица переключается (автоматически или вручную) в режим работы с пикселем 0,8 мкм и после соответствующей цифровой обработки сигнала способна получить заявленные 48 Мп. Будут ли такие снимки в четыре раза более четкими и детализированными, чем сделанные на 12-Мп сенсоры? Да, будут лучше, но точно не в четыре раза. Чтобы качество фото выросло прямо пропорционально росту мегапикселей, необходимо соответствующее увеличение размеров сенсора, но в реальности они увеличиваются незначительно либо остаются такими же. А ведь есть еще разрешающая способность оптики и множество других параметров, про которые производители совсем «позабыли».

Третий очевидный сценарий для матрицы с поддержкой Quad Bayer/TetraCell –ъемка HDR за один кадр. Такую матрицу можно условно разделить на две части: одна снимает фото с короткой выдержкой, а другая в тот же момент времени – с длинной. Напомню: обычно, чтобы получить простейший HDR-кадр, необходимо снять две фотографии с разной выдержкой и объединить их. В случае с Quad Bayer это можно делать быстрее и менее затратно с точки зрения ресурсов смартфона. Однако HDR-съемка не будет доступна в максимальном для матрицы разрешении, так как основана на использовании режима Quad Bayer/TetraCell.

Недостатки

Частично о них мы уже поговорили в предыдущих разделах. В частности, нужно понимать, что эффективность работы сенсоров для смартфонов во многом зависит от ограничений, обойти которые сегодня не в состоянии никто и никак. Помимо упомянутых ранее размеров пикселя и матрицы, стоит отметить невозможность установки на смартфоны нормальной оптики. Именно поэтому на рынке появляются технологии типа Quad Bayer/TetraCell, с помощью которых инженеры и программисты пытаются выжать максимум полезной информации из данных, получаемых сенсором на пределе технических возможностей.

Царство иллюзорных мегапикселей. Рис. 4

Безусловно, физически меньший размер пикселей, благодаря которому удалось повысить качество дневных снимков, в целом скорее является недостатком, ведь от этого страдает общая светочувствительность матрицы, растет влияние взаимных шумов и прочих негативных артефактов. Да, пиксели настоящие, и чисто номинально мы действительно можем говорить о реальных 48 и более мегапикселях, однако способ работы с ними вынуждает делать оговорки в каждом предложении. В частности, учетверенный вариант фильтра Байера значительно усложняет работу с цветовой палитрой кадра на уровне алгоритмов обработки снимка. Это касается как дневных, так и ночных режимов. В режиме крупнопиксельной 12-Мп камеры (ночной режим) матрица как бы обманывает систему за счет Quad Bayer/TetraCell, а в дневном режиме с маленьким пикселем, для того чтобы извлечь всю нужную информацию с матрицы и правильно интерпретировать ее, придется потратить больше вычислительных ресурсов смартфона, что увеличивает время получения кадраНе стоит также забывать, что в ночном режиме мы имеем дело не с цельным крупным пикселем, а с трансформером, собирающимся из четырех отдельных. Именно поэтому в некоторых смартфонах с поддержкой 48 Мп по умолчанию активирован режим 12 Мп, так как по сути на данный момент он более универсальный.

Выводы

Удалось ли производителям и маркетологам убить двух зайцев одним выстрелом? Отчасти. Факт остается фактом: новые матрицы позволяют делать более детализированные снимки при дневном освещении и при этом не потерять в качестве снимков, сделанных в условиях низкой освещенности. Этого удалось добиться за счет технологии Quad Bayer/TetraCell, которая позволяет варьировать рабочий размер пикселя. При этом в конечном счете работа с кадрами на уровне алгоритмов обработки изображений явно усложнилась. Многое будет зависеть от конкретной программной реализации работы с новыми матрицами в зависимости от модели смартфона.

Дополнительные программные фильтры помогут выжать из этой технологии максимум, после чего мы будем вынуждены вновь вернуться к риторическому вопросу о степени натуральности кадров, снятых камерами современных смартфонов. Проблема заключается в том, что производители смартфонов и фотосенсоров для них приблизились к той черте, когда улучшить качество фотографии за счет технических доработок матрицы не представляется возможным. Почти все современные нововведения в этой области в большей степени касаются программных алгоритмов обработки изображения, а не «железа». Поэтому при выборе смартфона с новым или старым сенсором, лучше всего ориентироваться на свой бюджет. Если вопрос цены не слишком критичен, советую взять устройство на базе новых сенсоров – безусловно, с точки зрения пользователя кадры будут лучше, чем у предыдущих поколений, хотя бы за счет новых алгоритмов обработки. Если разница в деньгах существенна, спокойно берите гаджет с «честными» 12 мегапикселями (без поддержки Quad Bayer/TetraCell) – скорее всего, ваши снимки будут не хуже. В гонке за смартфонными пикселями смысла мало.

Опубликовано 07.02.2020

Похожие статьи