Не просто «Щелк!» — Как работает камера смартфона

Когда говорят о камерах в смартфонах, чаще всего речь идет только о мегапикселях. О диафрагме, размере пикселей, фокусном расстоянии вспоминают очень редко. При этом, больше мегапикселей — не значит лучше, иногда даже наоборот. В Android Authority разобрались, как работают смартфонные камеры, а мы перевели материал для вас.

Сейчас в сегменте любительской съемки конкурируют в основном производители телефонов. Flickr ведет статистику, с фотоаппаратов каких моделей чаще всего добавляются фотографии. ТОП-5 выглядит следующим образом:

1. Apple
2. Canon
3. Samsung
4. Nikon
5. Sony

Huawei P10

Но как понять, в каких смартфонах действительно хорошие камеры? Как эти крошечные модули работают и как выдают такие впечатляющие результаты?

Как работает камера

Процесс одинаков как для полноценных DSLR-камер, так и для камер в смартфонах. Исключение только в том, что в смартфонах диафрагма всегда фиксированная.

1. Фокусировка
2. Свет попадает в линзу
3. Определяется оптимальный размер диафрагмы — сколько света достигнет сенсора.
4. Определяется оптимальное значение выдержки (как долго открыт сенсор)
5. Сенсор «ловит» картинку
6. Обработка и сохранение изображения

У смартфонов большая часть проблем связана с пунктами 2-4. Линза, диафрагма и сенсор очень маленькие, поэтому света на них попадает меньше. Чтобы фотографии выглядели прилично, приходится идти на компромиссы.

Как фокусируется камера

У смартфонов обычно очень высокая глубина резкости, но все равно перед съемкой нужно навестись на нужный объект. Скорее всего, у вашего смартфона есть автофокус (если нет, то пора менять девайс!). Существуют три технологии, которые делают фокусировку легче.

На iPhone 7 Plus и другие современные смартфоны можно снимать в динамике — даже в таких ситуациях они успевают сфокусироваться

Dual Pixel

Технология делит каждый пиксель на два фотодиода и определяет, сколько света попадает на противоположные стороны сенсора. По этим данным рассчитывается, куда именно нужно навестись, чтобы объект был в резкости. Dual Pixel — самая эффективная на сегодняшний день технология.

Наглядно преимущество Dual Pixel в скорости над фазовым автофокусом показаны на видео:

Фазовая фокусировка

Здесь тоже используется расчет по фотодиодам, но по гораздо меньшему их количеству. Из-за этого страдают точность и скорость. Разница не огромная, но в фотографии ведь важна каждая доля секунды.

Контрастная фокусировка

Технология сравнивает контрастность изображения на разных участках пиксель к пикселю. Линза движется, пока не будет достигнут определенный уровень контраста. Контрастный фокус работает корректно, но медленно. Это самая старая технология из трех.

Оценить разницу в скорости между фазовой и контрастной фокусировкой нам снова поможет Samsung. На видео — Galaxy S4 против Galaxy S5:

Самые важные характеристики

У камер много характеристик, но самые важные из них — фокусное расстояние, размер диафрагмы и скорость затвора. Мы рассмотрим первые два параметра, потому что в смартфонах затвор электронный, а не механический. В мобильных устройствах физически нет лепестков, которые в нужный момент закрывают матрицу от падающего на него света.

Чем больше фокусное расстояние, тем более крупный план получается на фотографии. И, наоборот, чем оно меньше, тем больше попадает в кадр. Объективы с фокусным расстоянием до 35 миллиметров называются широкоугольными. Фокусное расстояние человеческого глаза составляет около 50 миллиметров — на фотографию в таком случае попадает столько же, сколько вы видите вживую.

iPhone 7 Plus: фокусное расстояние 28 мм

iPhone 7 Plus: фокусное расстояние 56 мм

Диафрагма определяет, сколько света попадет на линзу — другими словами, светосилу. От нее зависит, какая часть снимка будет в фокусе (глубина резкости), а какие объекты съёмки останутся размытыми. С минимально открытой диафрагмой в фокусе будет максимальное количество объектов: и лицо, и деревья за спиной и горы вдалеке. С максимально открытой «дыркой» получается эффект боке, когда в фокусе находится ключевой объект, а передний и задний планы замылены.

OnePlus 3T

Значение диафрагмы обозначается следующим образом f/x, где x — это отношение фокусного расстояния к размеру отверстия диафрагмы. Например, если фокусное расстояние составляет 50 миллиметров, а диафрагма открыта на 10 миллиметров, то светосила равна f/5. Это значение показывает, сколько света попадает на линзу.

В смартфонах значение диафрагмы не меняется, в отличие от фотоаппаратов. Если в характеристиках стоит f/1.8, значит так и будет в любых условиях.

Но количество света зависит не только от светосилы объектива. Не менее важен размер сенсора. При одинаковой светосиле больший по площади сенсор примет больше света. Например, на iPhone 6s с f/2.2 глубина резкости будет примерно такой же, как на полнокадровых фотоаппаратах с f/13 или f/14.

iPhone SE

Электронные затворы

Если затвор сработает медленно, то фотография получится смазанной. Если слишком быстро — она будет темной. В большинстве смартфонов затвор работает полностью автоматически. Время, в течение которого затвор будет открыт, именуется выдержкой.

При съемке в темноте выдержка повышается, чтобы на сенсор попало больше света. Но тогда появляется другая проблема — дрожащие руки. Если затвор быстро открылся и закрылся, то небольшая тряска практически не влияет на снимок. Но если он открыт долго, то снимки без штатива получаются смазанными. Отчасти решает ситуацию оптическая стабилизация. Также вместо значительного повышения выдержки увеличивают чувствительность сенсора (ISO).

Что такое чувствительность?

ISO — чувствительность матрицы к свету. Чем это значение выше, тем больше света захватывает сенсор за единицу времени. Высокое ISO «вытягивает» снимки при недостатке света ценой шумов на фотографии.

Яркость фотографии зависит от количества фотонов, а если света недостаточно, то эти фотоны создаются искусственно. Именно из этих «ненатуральных» фотонов состоит цифровой шум.

Чтобы смартфоны лучше снимали в темноте без повышения ISO, нужен сенсор большего размера. Но все упирается в форм-фактор, и производителям приходится создавать алгоритмы подавления шумов. Они не идеальны, но ценой некоторого снижения детализации делают снимки более «гладкими». Впрочем, совсем безнадежные случаи шумодавы исправить не могут.

Больше мегапикселей — больше проблем

Ключевой момент в рекламе смартфонов — это количество мегапикселей его камеры. Многие считают, что чем больше мегапикселей, тем лучше качество снимков. Но на самом деле количество мегапикселей не так важно, как их размер.

Между количеством пикселей и их размером обратная зависимость: хотите вместить больше мегапикселей — придется уменьшать их размер и, как следствие, количество света, которое принимает каждый из них. Площадь сенсора полнокадрового фотоаппарата составляет 860 квадратных миллиметров — естественно, он собирает гораздо больше света, чем 17-миллиметровый сенсор iPhone 7 при одинаковом разрешении. Просто потому, что у фотоаппарата 72-микрометровые пиксели, а у смартфона — 1,25-микрометровые.

OnePlus 2

Получается, чем меньше разрешение камеры, тем больше сами пиксели при одинаковом размере сенсора. В таком случае, скольких мегапикселей будет достаточно? Не так много, как вы думаете. Например, разрешение 4K — это всего лишь около 8 Мпикселей, а Full HD — около 2 Мпикселей.

Для печати фотографии стандартного размера (5 x 7 дюймов) в качестве 300 DPI нужно разрешение 12 Мпикселей. Многие производители остановились на этом значении: Samsung, Apple, Google. Его хватает для всех необходимых форматов, но при этом оно достаточно низкое, а пиксели, как следствие, большие.

Пост-обработка

После съемки смартфон должен обработать все то, что запечатлел. Процессору нужно буквально собрать мозаику из полученной информации и получить в итоге то, что мы называем фотографией. Все не сводится к тому, чтобы просто записать интенсивность света на каждом пикселе — процесс несколько сложнее.

Samsung Galaxy S6 Edge

Сначала вся информация действительно просто собирается воедино. Вы знали, что картинка изначально перевернута, отзеркалена и поделена на красные, зеленые и синие области? Цвета обрабатываются с помощью фильтра Байера: по длине волны света определяется финальный цвет. Если на каком-то участке информации недостает, то ее берут на основе соседних пикселей.

Сенсор камеры — это не человеческий глаз, поэтому ему сложно воспроизвести картинку в точности так, как мы ее видим. Сразу после съемки фотографии совсем некрасивые: приглушенные цвета, недостаточная резкость и огромный размер файла — точно не то, что вы хотели бы запостить в Инстаграм. Поэтому автоматически повышается насыщенность и контрастность, а файл конвертируется в легковесный формат — например, в JPEG.

А двойные камеры, они лучше?

Иногда!

Двойные камеры бывают разными. Например, в iPhone 7 Plus две камеры с разными фокусными расстояниями: одна делает широкоугольные снимки, а другая — телефото.

В Huawei P10 система более сложная. Он не переключается между двумя модулями, а использует оба, цветной и черно-белый, одновременно. Это решение проблемы маленького сенсора в смартфоне: не можешь увеличить — поставь второй!

Но часто двойная камера в смартфоне абсолютно бесполезна. Кажется, что в бюджетных моделях второй модуль ставят исключительно в маркетинговых целях. Они будто делают обычные снимки с пост-обработкой, часто кривой. С таким же успехом размытие заднего фона можно сделать на обычном смартфоне через какой-нибудь фоторедактор.

Как работает двойная камера в Xiaomi Redmi Pro. Части бревна и мухи почему-то на заднем плане.

Краткий конспект

1. Залог хорошей фотографии — правильная экспозиция
2. Фокусировка Dual-Pixel — самая быстрая и точная в смартфонах
3. Самые важные характеристики смартфонной камеры — фокусное расстояние и светосила
4. Фокусное расстояние определяет угол обзора объектива
5. Светосила определяет количество света, которое попадает на сенсор
6. С повышением чувствительности снимок становится ярче ценой появления электронного шума
7. Много мегапикселей — это скорее плохо, чем хорошо. Чем больше разрешение, тем меньше отдельные пиксели и тем меньше света на них попадает. Достаточно 12 Мпикселей.
8. Двойные камеры — это хорошо, но пока только в топовых смартфонах: LG G6, Huawei P10, iPhone 7 Plus.

Наш уютный Telegram