Почему смартфоны снимают лучше фотоаппаратов? Разбор | Портал о гаджетах и технологиях

Почему смартфоны снимают лучше фотоаппаратов? Разбор

Мы находимся в уникальной точке, когда трудно понять увидев два снимка — какой из них снят на смартфон, а какой на профессиональный фотоаппарат?

Почему смартфоны снимают лучше фотоаппаратов? Разбор

Угадайте — где снимок на смартфон, а где на фотоаппарат

Но как так получилось, что смартфоны стали снимать настолько хорошо? Сегодня мы разберем как работает цифровая фотография на глубоком уровне. Соберём ведро света и узнаем в чём суть квантовой эффективности!

Для начала давайте разберемся, как так происходит, что в объектив камеры попадает свет, а на выходе мы получаем красивенький цветастый снимок? И для простоты, сразу начнем с аналогии. Внутри любой цифровой камеры установлена матрица, которая состоит из миллионов пикселей. Так вот пиксели эти, по своей сути, похожи на ведра только собирают они не капельки дождя, а частички света.

Что я имею ввиду?

Главный элемент каждого пикселя — это фотодиод. Это такой кусочек кремния, обладающий чудесным свойством — когда на него попадает фотон света, он высвобождает электрон. Задача камеры собрать все эти электроны и подсчитать их. Но зачем подсчитывать электроны и как вообще это происходит?

Пока мы делаем фотографию — этот процесс называется экспонирование — каждый высвобожденный электрон скапливается в некой ловушке — потенциальной яме. А когда экспонирование закончено мы замеряем сколько электронов скопилось. Так мы понимаем сколько света попало на пиксель и насколько ярким он должен быть.

Почему смартфоны снимают лучше фотоаппаратов? Разбор

Если вернуться к аналогии с ведром. Если оно наполнено электронами доверху — значит пиксель будет белый, то есть иметь 100% яркость. А если ведро наполнилось наполовину, то яркость будет 50%. Так, подсчитав сколько электронов высвободил каждый пиксель, мы можем составить изображение.

Почему смартфоны снимают лучше фотоаппаратов? Разбор

Но чтобы изображение получилось качественным, нам важны две вещи. Первая — чтобы объем ведра был большим, то есть оно были глубоким. Потому что иначе оно будет быстро переполняться, электроны полезут через край и вместо полезной информации мы получим просто засвеченный пиксель.

Также для нас важно, чтобы в ведро поступало много света. Потому как даже в самых лучших матрицах, ведра собирающие электроны, скажем так, не очень чистые. Там всегда есть довольно солидный осадок паразитных электронов, которые на фотографии проявляются в виде шума. Откуда он берется?

Во-первых, сама матрица по умолчанию немного шумит. Поэтому, даже если никакого света на матрицу не поступает, в наших ведрах всегда будет сколько-то электронов.

Во-вторых, свет может просто переотразиться и прилететь к вам с соседнего пикселя. Это называется перекрестный ток.

Почему смартфоны снимают лучше фотоаппаратов? Разбор

Поэтому в случае, когда мы фотографируем днём и наши ведра заполнены светом, мы можем легко отделить сигнал от шума. Просто потому что сигнала намного больше чем шума.

А когда мы фотографируем в темноте и фотонов поступает очень мало, отделить сигнал от шума становится очень сложно.

Почему смартфоны снимают лучше фотоаппаратов? Разбор

Исходя из сказанного выше, мы можем сделать достаточно простые выводы. Для того чтобы у нас получились классные фотографии нам нужно:

  • Чтобы у пикселя была большая площадь. Тогда он сможет улавливать больше фотонов света.
  • Чтобы у пикселя была большая емкость. Тогда он сможет удерживать больше электронов и это повысит динамический диапазон, то есть будут детали и в светах, и в тенях.
  • Нам надо много пикселей, чтобы картинка была детализированной.

Как соблюсти все три условия? Ответ простой: нам нужна большая матрица с большими пикселями!

Но в смартфонах большую матрицу разместить невозможно, поэтому даже самые крупные матрицы в смартфонах проигрывают по размерам полнокадровым фотоаппаратом в десятки раз.

Почему смартфоны снимают лучше фотоаппаратов? Разбор

  • Galaxy S20 Ultra 108MP 0.8µm. 1/1.33″. ~69.5mm²
  • Pixel 4, iPhone 11 12MP 1.4µm. 1/2.55″. ~23.9mm².
  • Full Frame, 30.1MP 5.36 µm 36×24 mm, 864mm2

Получается безоговорочная победа фотоаппаратов. Но почему же мы не видим в больших фотоаппаратах в десятки раз выше светочувствительность, в десятки раз меньше шума и выше динамический диапазон?

Квантовая эффективность

И вот тут начинается самое интересное. Как и в других сферах жизни, кроме размера есть масса иных важных факторов. И тут я имеею ввиду такую штуку как квантовая эффективность пикселя. Что это такое?

Дело в том, что фотодиоды не идеальны. По хорошему, на один поглощенный фотон должен высвобождаться один электрон. Но такое происходит далеко не всегда. Может быть ситуация, что прилетело 10 фотонов, а высвободилось всего 5 электронов. Это значит, что половину фотонов мы вообще никак не использовали и квантовая эффективность в этом случае равна 50%.

В современных полнокадровых беззеркальных камерах Sony, таких как A7S II, A7S III, A7R IV квантовая эффективность колеблется в районе 55-64%. И эти камеры считаются чемпионами по светочувительности и идеально подходят для съемки при низком освещении, астрофотографии и прочего. Владельцы Sony не дадут соврать — классные камеры. Примерно такая же ситуация с камерами Nikon.

Почему смартфоны снимают лучше фотоаппаратов? Разбор

Квантовая эффективность камер Nikon

60 процентов — звучит неплохо, да? Но по меркам смартфонов такая эффективность — это детский лепет.

Еще пару лет назад квантовая эффективность в смартфонах была 90-100%. А в новых сенсорах ISOCELL от Samsung она достигает 120%! Это значит, что на один поглощенный фотон свет высвобождается в среднем больше 1 электрона! WOW! Этот показатель в 2 раза выше чем современных полнокадровых камерах! То есть матрицы в смартфонах в 2 раза более эффективные!

Почему смартфоны снимают лучше фотоаппаратов? Разбор

Ёмкость

Но это только половина дела. Вы заметили, что в прошлом году разрешение камер смартфонов резко скакнуло вверх? Со стандартных 12 Мп до 48, 64 и даже 108 МП. При этом размер пикселей сильно уменьшился с 1,4 мкм (Sony IMX 363), которые до сих пор ставят в смартфоны Pixel, до 0.8 мкм (ISOCELL Bright HM1).

По идее уменьшение размера пикселя должно негативно отразиться на светочувствительности и на динамическом диапазоне. Но этого не произошло. Почему?

Дело в том, что несмотря на то что фотодиоды стали уже, они стали существенно выше и больше по своему объёму.

Почему смартфоны снимают лучше фотоаппаратов? Разбор

Поэтому, несмотря на уменьшение размера пикселя, емкость потенциальной ямы для каждого пикселя стала больше. Например, в последних сенсорах Samsung, которые стоят в Galaxy S20 и S21 ёмкость потенциальной ямы 6000 электронов.

Почему смартфоны снимают лучше фотоаппаратов? Разбор

А в режиме пиксель биннига, то есть объединения пикселей, емкость увеличивается до 12000 электронов. Для сравнения в больших камерах эта емкость колеблется в районе 25-30 тысяч электронов, то есть разница всего в 2 раза, а не в десятки раз.

Почему смартфоны снимают лучше фотоаппаратов? Разбор

Подробнее о том как работает пиксель биннинг мы рассказывали в ролике про 108 МП сенсор в Xiaomi Note 10, посмотрите.

При этом также сильно улучшилось соотношение сигнал/шум. Теперь каждый пиксель стал отгорожен стеной и это позволило избавиться от перекрестных помех.

Почему смартфоны снимают лучше фотоаппаратов? Разбор

Почему смартфоны снимают лучше фотоаппаратов? Разбор

Почему смартфоны снимают лучше фотоаппаратов? Разбор

Поэтому, несмотря на то, что пиксели технически становятся меньше, повышается их эффективность и емкость.

Алгоритмы

Но ключевой козырь мобильной фотографии — это конечно умные алгоритмы.

Google со линейкой своих смартфонов показал, что только за счёт совершенствования своего алгоритма HDR+ они могут из года в год уделывать всех конкурентов даже не меняя сенсор, они используют Sony IMX363, уже три года поряд.

Но в чём суть магии алгоритмов?

Алгоритмы типа HDR+ работают по принципу image stacking, то есть очень быстро делается несколько снимков и склеиваются в один.

За счёт этого получается сильно уменьшить количество шума, просто потому что значения шума усредняются, а также добиться потрясающего динамического диапазона. Благодаря этому преимущество в ёмкости потенциальной ямы у больших сенсоров практически полностью нивелируется.

К примеру, делая фотографию на Google Pixel в режиме Super Res Zoom склеиваются 15 снимков. Это позволяет добиться уровня шума эквивалентного матрице формата APS-C, то есть существенно большего размера.

Почему смартфоны снимают лучше фотоаппаратов? Разбор

А в режиме ночной съёмки, при склеивании 9-15 снимков с выдержкой ¼ секунды, мы получаем эквивалент 5-секундной выдержки с большого фотоаппарата. Но при этом на телефон мы снимаем с рук и ничего не смазывается. А на фотоаппарат такие снимки можно сделать только со штатива.

И это только малая часть технологий, которые сейчас применяются в смартфонах. Подробнее о вычислительной фотографии мы говорили в других материалах.

Почему в фотоаппаратах такого нет?

Всё понятно. Технологии в смартфонах продвинулись очень далеко. Но что мешает производителям добавить все эти технологии в большие фотоаппараты?

Например, та же Sony делает матрицы и для смартфонов, и для своих камер. Так в чем проблема? И тут есть несколько причин.

Во-первых, рынок смартфонов существенно более конкурентный и динамичный, чем рынок профессиональных камер. Тут сильно больше игроков, а смартфоны меняют гораздо чаще, чем камеры. Тут инновации происходят каждый год. Ну почти… А в больших фотокамерах, дай бог, раз в пять лет что-то новое покажут. И скорее всего, частично это будут те технологии, которые уже обкатали на смартфонах.

На рынке смартфонов всегда одновременно соревнуется несколько сенсоров, которые по-разному, с точки зрения софта, воплощает несколько компаний. Поэтому все инновации сначала подпадают в смартфоны, а уже потом в профессиональные камеры.

Почему смартфоны снимают лучше фотоаппаратов? Разбор

А во-вторых, вы не поверите, но к камерам смартфонов существенно более высокие требования. Потому как большие камеры покупают профессионалы, которые знают и привыкли возиться с постобработкой. А типичный юзер смартфона любит, чтобы нажал кнопку — и шедевр! Поэтому камеры смартфонов, со своими маленькими сенсорами и горе-фотографом просто нуждаются в инновациях. А продвинутые фотокамеры нет.

Итоги

Почему смартфоны снимают лучше фотоаппаратов? Разбор

Конечно, я не хочу сказать, что телефоны снимают лучше, чем фотоаппараты. Конечно это не так…

Какими бы ни были инновационными и эффективными матрицы в смартфонах, всё равно света на матрицу будет поступать очень мало, потому как в просто невозможно в смартфон установить большой сенсор и светосильный объектив. Поэтому более профессиональные камеры никуда не денуться. Им всегда найдется применение. Как и мобильным камерам, ведь большой фотик в карман не положишь. Камеры смартфонов очень хороши, но фотоаппараты все равно лучше. Особенно для профи. И про это у нас будет отдельное видео. Не пропустите.

Post Views:
303