- Valokuvan laatu riippuu enemmän kennon koosta ja yksittäisistä pikselistä kuin megapikselien määrästä.
- CMOS- ja BSI-kennoilla on parannettu huomattavasti matkapuhelinten suorituskykyä hämärässä.
- Bayer-matriisi (RGGB tai RYYB) ja pikselien pakkaaminen vaikuttavat siihen, miten valo kaapataan ja käsitellään.
- Kameralla varustettua matkapuhelinta valittaessa on parasta asettaa etusijalle suuri kenno, suuret pikselit ja hyvä optiikka liioiteltujen resoluutiolukujen sijaan.
Jos puhelimesi on nykyään käytännössä pääkamerasi , se ei ole taikaiskusta. Vielä jokin aika sitten puhelinten kamerat olivat vain pikaratkaisu: sumean kuvan ottaminen dokumentista, ruman kuvan lähettäminen multimediaviestinä, eikä juuri muuta. Nykyään monet ihmiset jättävät kompaktikameransa kotiin, koska älypuhelimet toimivat niin hyvin, että ne voivat kilpailla erillisten keskitason kameroiden ja jopa joidenkin keski- ja huippuluokan kameroiden kanssa.
Ongelmana on, että markkinointi on johtanut meidät keskittymään vääriin asioihin. Vuosien ajan meille on kerrottu, että megapikseleillä ja kameroiden lukumäärällä on väliä , ja monet ihmiset valitsevat edelleen matkapuhelimen pelkästään näiden kahden luvun perusteella. Järjestelmän todellinen ydin on kuitenkin toinen komponentti, johon lähes kukaan ei kiinnitä huomiota: kuvakenno. Sen toiminnan, koon ja sen ratkaisevan koon ymmärtäminen ratkaisee, ostatko mainonnan perusteella vai ostatko selkeällä mielellä.
Miksi megapikselit eivät ole todellinen laadun mittari
Vuosien ajan olemme tottuneet keskittymään ensisijaisesti kameran megapikselimäärään : mitä suurempi, sen parempi… tai siltä ainakin vaikutti. Mainoksissa väitettiin, että mitä enemmän megapikseleitä on, sitä laadukkaampia kuvia saa, sitä enemmän megapikseleitä, ja monet valmistajat lisäsivät määrää puuttumatta siihen, millä todella on väliä: kennon kokoon ja kunkin pikselin kokoon.
Anturi koostuu miljoonista pienistä piipuolijohteista, joita kutsutaan fotositeiksi tai fotodiodeiksi. Jokainen niistä muuntaa vastaanottamansa valon (fotonit) sähköiseksi signaaliksi. Käytännössä jokainen fotosite vastaa yhtä pikseliä lopullisessa kuvassa. Megapikseleillä tarkoitetaan yksinkertaisesti näiden pikseleiden kokonaismäärää, emme niiden laatua.
Resoluutio (esimerkiksi 5472 x 3648 pikseliä 20 megapikselin kamerassa) kertoo meille yksityiskohtien enimmäistason ja suurimman koon, jonka voimme tulostaa tai rajata ilman, että kuva vääristyy. Mutta se ei kerro meille mitään kohinasta, dynamiikasta, hämäräkuvauksesta tai värien tarkkuudesta. Kaikki tämä riippuu pitkälti kennon fyysisestä koosta ja kunkin pikselin koosta.
Yleissääntönä saman sukupolven teknologioita vertailtaessa on, että mitä suurempi kenno, sitä parempi kuvanlaatu . Miksi siis ei kaikkiin laitteisiin asenneta mahdollisimman suurta kennoa? Tämä johtuu puhtaasti teknisistä syistä: suuret kennot ovat kalliimpia, vievät enemmän tilaa ja vaativat suurempia linssejä, mikä on ristiriidassa ultraohuiden puhelimien ja tiukkojen hintakatteiden kanssa.
Resoluution lisäksi on tärkeää ymmärtää kaksi keskeistä käsitettä: pikselitiheys (kuinka monta megapikseliä on kennoa kohti neliösenttimetriä kohden) ja pikselikoko (kunkin kuva-alueen koko, yleensä mitattuna mikroneina). Samalla kennokoolla vähemmän megapikseleitä tarkoittaa suurempia pikseleitä, jotka pystyvät vangitsemaan enemmän valoa ja siten tarjoamaan paremman kuvanlaadun.
Näin mobiilikameran anturi todellisuudessa toimii
Matkapuhelimesi kamerassa on sama perusteknologia kuin perinteisessä digikamerassa . Toisaalta on optinen yksikkö (linssisarja), joka vastaa valon "järjestämisestä" ja ohjaamisesta aiheuttamatta liikaa vääristymiä tai kromaattista aberraatiota. Tämä valo kulkee linssin läpi, kun järjestelmä avaa aukon, ja menee suoraan kennolle.
Analogisissa kameroissa valo tallentui hopeasuoloja sisältävälle kemialliselle kalvolle. Matkapuhelimessa valo osuu digitaaliseen anturiin eli valoherkkien kennojen ryhmään . Jokainen kenno laskee valotusaikana saapuneiden fotonien määrän ja tuottaa valon määrään verrannollisen jännitteen. Tämä tieto muunnetaan sitten pikseli pikseliltä digitaaliseksi dataksi, jonka puhelimen kuvaprosessori (ISP) tulkitsee ja käsittelee.
Matkapuhelimissa ja kameroissa käytetyt anturit jakautuvat pääasiassa kahteen ryhmään: vanhempiin CCD-kennoihin (Charge-Coupled Device) ja yleisempiin CMOS-kennoihin (Complementary Metal Oxide Semiconductor). CCD-kennot tarjosivat pitkään erinomaisen kuvanlaadun, mutta ne olivat kalliita, tuottivat paljon lämpöä ja vaativat monimutkaisia ja tilaa vieviä jäähdytysjärjestelmiä – mikä oli epäkäytännöllistä ohuessa älypuhelimessa.
CMOS-anturit, jotka kehitettiin ja hiottiin suurelta osin NASAn miniatyrisointipyrkimysten ansiosta, mullistivat markkinat. Ne integroivat luku- ja digitointipiirit itse siruun, mikä tekee niiden valmistuksesta halvempaa, energiatehokkaampaa ja tuottavat vähemmän lämpöä. Lisäksi ne mahdollistavat prosessointilogiikan lisäämisen anturin sisään ja ovat ohjelmoitavia, mikä tekee niistä ihanteellisia mobiililaitteille, joissa tila ja energiatehokkuus ovat kriittisiä.
Tämän perusteella on syntynyt muunnelmia, kuten BSI (Back-Illuminated Sensor) -anturit , joita käytetään laajalti nykyaikaisissa älypuhelimissa. Näissä rakenne on järjestetty uudelleen siten, että valo saavuttaa fotodiodit vähemmillä esteillä, mikä parantaa selvästi suorituskykyä hämärässä. Tuloksena: selkeämmät kuvat, joissa on vähemmän kohinaa hämärässä.
Myös solujen järjestely matriisissa on tärkeää. Antureita on lineaarisilla, trilineaarisilla ja monimatriisijakaumilla... mutta mobiililaitteissa yleisin on Bayer-matriisi , joka yhdistää kunkin valotuskohdan päälle sijoitetut värisuodattimet erottaakseen valkoisen valon kolmeen komponenttiin.
Bayer Matrix: RGGB, RYYB ja taistelu valon kaappaamisesta
Anturiin tuleva valo on valkoista, mutta meidän on eroteltava se värillisiksi komponenteiksi kuvan rekonstruoimiseksi. Tätä varten jokainen valotuskohta päällystetään pienellä värisuodattimella , joka päästää läpi vain osan spektristä. Tyypillisesti tämä tehdään erottamalla valo punaiseksi, vihreäksi ja siniseksi (RGB) tai muunnelmiksi, kuten punaiseksi, keltaiseksi ja siniseksi (RYB), ja yhdistämällä tiedot useista valotuskohdista jokaista lopullista pikseliä varten.
Klassinen Bayer-matriisi on RGGB: neljän kuvapisteen lohkossa on yksi punainen, yksi sininen ja kaksi vihreää. Tämä vihreän päällekkäisyys ei ole sattumaa. Ihmissilmä on herkempi vihreälle kanavalle, ja sen kaksinkertaistaminen mahdollistaa suuremman yksityiskohdan ja vähemmän kohinaa lopullisessa kuvassa. Kamera yhdistää prosessoinnin avulla näiden neljän kuvapisteen tiedot luodakseen yhden, täydellisen väripikselin.
Huawei päätti yhteistyössä Leican kanssa rikkoa tämän perinteen joissakin malleissaan ottamalla käyttöön RYYB Super Spectrum -anturit . Tässä tapauksessa anturiryhmässä on yksi punainen, yksi sininen ja kaksi keltaista valopistettä, jotka korvaavat redundantin vihreän kanavan keltaisella, joka päästää läpi toisen, laajemman osan spektristä.
Mitä tämä tarkoittaa? Se tarkoittaa, että keltaiset valopisteet keräävät enemmän valoa kuin vihreät, joten paperilla oleva anturi kerää enemmän valoinformaatiota . Järjestelmä toimii sitten enemmän CMYK-tulostuksen (jossa väri on subtraktiivinen) kuin pelkästään additiivisen RGB-mallin tavoin. Luotettavan kuvan rekonstruoimiseksi prosessoinnin on suoritettava enemmän laskelmia: punainen ja sininen data yhdistetään keltaisen kanssa lopullisten kanavien johtamiseksi, mikä vaatii enemmän prosessointitehoa ja paljon laskennallista valokuvausta.
Tämä muutos osoittaa selvästi alan trendin: kennojen pinta-alasta halutaan hyödyntää jokainen millimetri valon ja yksityiskohtien lisäämiseksi. Mutta kuten lähes aina, helppoja ihmeitä ei ole. Nämä anturit tarvitsevat tehokkaita prosessoreita ja edistyneitä algoritmeja hyödyntääkseen käytettävissä olevaa valoa täysimääräisesti pilaamatta värejä tai lisäämättä kohinaa.
Anturin koko ja pikselikoko: tässä on avainasemassa
Jos otamme tästä pois yhden keskeisen opin, se on tämä: kaikkien muiden tekijöiden pysyessä samoina, mitä suurempi kenno on, sitä enemmän tietoa se pystyy tallentamaan . Ja mitä suurempi kennon pikselien (eli kuvauspaikkojen) määrä on, sitä paremmin kamera toimii, erityisesti hämärässä.
Pikselin "laskemien" fotonien määrä on verrannollinen sen pinta-alaan. Suuri pikseli voi kerätä enemmän varausta ennen saturaatiota kuin pieni, mikä johtaa suurempaan dynaamiseen alueeseen (parempiin yksityiskohtiin kirkkaissa ja varjoissa), vähemmän kohinaa ja vakaampaan värintoistoon. Ei ole sattumaa, että vakavasti otettavissa teknisissä tiedoissa pikselin koko ilmoitetaan mikroneina : 1,22 μm, 1,4 μm, 1,8 μm, 2 μm… mitä suurempi luku, sitä parempi, edellyttäen, että vertaamme saman sukupolven antureita.
Valmistajat työskentelevät hyvin rajoitetussa fyysisessä tilassa: kameramoduulin on mahduttava puhelimen rungon sisään, se ei saa työntyä liikaa ulos ja sen on toimittava rinnakkain akun, emolevyn, kaiuttimien ja muiden komponenttien kanssa. Siksi markkinointitarkoituksiin usein uhrataan kennon tai pikselin kokoa resoluution parantamiseksi. Tuloksena voi olla 64 tai 108 megapikselin kamera, jossa on hyvin pienet pikselit ja joka ilman ohjelmistoparannuksia toimii yöllä huonommin kuin 12 megapikselin kamera, jossa on suuremmat pikselit.
Tämän ongelman lieventämiseksi monet korkean resoluution anturit käyttävät pikselien pakkaamista tai pikselifuusiotekniikoita. Tuotenimillä, kuten Quad Bayer, Tetracell tai Light Fusion, anturi yhdistää neljä fyysistä pikseliä yhdeksi "virtuaaliseksi" pikseliksi kuvaa luodessaan. Tällä tavoin 48 megapikselin anturi tuottaa 12 megapikselin valokuvia, joissa on parempi valon talteenotto ja vähemmän kohinaa, hyödyntäen useita kuvauspaikkoja jokaista viimeistä pikseliä kohden.
Tämä yhdistäminen tehdään laitteisto- ja/tai ohjelmistotasolla, ja se voidaan yleensä ottaa käyttöön tai poistaa käytöstä kamerasovelluksesta. Täyden 48 tai 64 megapikselin tilan aktivointi tarjoaa enemmän yksityiskohtia rajausta varten , mutta heikentää suorituskykyä hämärässä. Puhelimen resoluution pienentäminen neljännekseen pikselien pakkaamisen avulla parantaa kuvanlaatua yleisesti, erityisesti yöllä.
Markkinoiden ylemmässä hintaluokassa näemme jo 1-tuumaisia antureita joissakin edistyneissä malleissa esimerkiksi Xiaomilta ja Huaweilta. Nämä anturit eivät ole ainoastaan fyysisesti suurempia, vaan ne pystyvät myös tallentamaan suurempia pikseleitä , mikä parantaa selvästi valonkeräyskykyä. Tämä ei automaattisesti tarkoita, että ne ottavat markkinoiden parhaita kuvia, mutta niillä on objektiivinen etu raaka-aineen, fotonien, suhteen.
Anturit, optiikka ja prosessointi: kolmikko, joka määrittää lopullisen laadun
Valokuvan laatu ei riipu pelkästään kennosta. Vaikka se on kriittisin osa, kahdella muullakin pilarilla on merkittävä painoarvo: objektiivin laadulla ja kuvankäsittelyllä. Huonolaatuinen, huonosti kiillotettu tai huonosti suunniteltu objektiivi voi aiheuttaa kromaattisia poikkeamia, reunojen terävyyden heikkenemistä ja geometrisia vääristymiä, jotka voivat pilata kuvan, olipa kenno kuinka hyvä tahansa.
Kuvan ottamisen jälkeen alkaa prosessointi, joka nykyaikaisissa matkapuhelimissa liittyy läheisesti laskennalliseen valokuvaukseen . Internet-palveluntarjoaja ja valmistajan ohjelmisto yhdistävät useita kuvia, korjaavat kohinaa, nostavat varjoja, pakkaavat kirkkaita kohtia, korjaavat värit ja käyttävät valikoivaa terävöittämistä. Jokaisella tuotemerkillä on oma tyylinsä: jotkut priorisoivat kylläisempiä värejä ja suurta kontrastia, kun taas toiset pyrkivät luonnollisempaan ja pehmeämpään ulkonäköön.
Kennon fyysinen koko on kuitenkin edelleen tärkeämpää kuin pelkkä resoluutio. Suurempi kenno, jopa vähemmällä megapikselillä, voi tarjota laadukkaampia kuvia (etenkin hämärässä) kuin pienempi, täynnä pieniä kennoja oleva kenno. Tämä on johtanut suunnittelupäätöksiin, jotka ovat olleet ristiriidassa megapikselikisan kanssa, kuten HTC One M7, jossa on 4 megapikseliä ja valtavat pikselit, tai iPhonet, jotka vuosia "jumiutuivat" 8 tai 12 megapikseliin, mutta yhä suuremmilla kennoilla.
Spektrin toisessa ääripäässä meillä on puhelimia, joissa on 40, 50 tai enemmän megapikseleitä ja jopa 41 megapikselin kennoja, kuten legendaarinen Nokia 808 PureView tai Lumia 1020:n 40,1 megapikselin kenno, jotka luottivat riittävään resoluutioon häviöttömän zoomauksen ja aggressiivisen rajauksen mahdollistamiseksi . Jokaisella lähestymistavalla on omat etunsa, mutta sinun tulee aina ottaa huomioon kennokoko ja pikselimäärä, jotta todella ymmärrät, mitä olet ostamassa.
Anturityypit ja niiden rooli nykyaikaisessa mobiilivalokuvauksessa
Nykyaikaisessa matkapuhelimessa ei tyypillisesti ole vain yhtä kennoa, vaan useita, joista jokainen on erikoistunut tiettyyn käyttötarkoitukseen. Pääkenno on yleensä laadukkain (ja usein suurin), koska se käsittelee suurimman osan käyttäjän valokuvista ja videoista. Sen hämäräkuvauskyky, resoluutio ja dynaaminen alue määrittelevät yleisen valokuvauskokemuksen.
Sen rinnalla on laajakulmakenno , joka laajentaa kuva-alaa. Se on ihanteellinen maisemien, arkkitehtuurin tai ryhmäkuvien kuvaamiseen, mutta se uhraa jonkin verran reunojen terävyyttä ja joskus myös valoa tallentaakseen enemmän kohtausta. Huippuluokan malleissa tällä kennolla on myös hyvä optiikka ja kohtuullinen koko, joten se on edelleen hyödyllinen haastavissa tilanteissa.
Teleobjektiivi tulee mukaan kuvaan , kun käytämme optista zoomia. Toisin kuin digitaalinen zoom (joka rajaa ja venyttää kuvaa), telezoom antaa meille mahdollisuuden päästä lähemmäs menettämättä todellisia yksityiskohtia, koska suurennus saavutetaan tietyllä optiikalla. Tässäkin kenno ja pikselikoko ovat avainasemassa: erittäin pitkä teleobjektiivi, jossa on pieni kenno, voi toimia huonosti hämärässä, riippumatta siitä, kuinka suuria suurennuslukuja mainostetaan.
Monissa puhelimissa näitä kolmea täydentävät lisäominaisuudet, kuten syvyysanturi (muotokuvatilan epäterävyyden parantamiseksi), värilämpötila-anturit (valkotasapainon parantamiseksi) tai jopa erilliset makroanturit. Niiden tehtävänä on täydentää pääanturia, vaikka usein joitakin näistä rooleista voidaan simuloida ohjelmistolla käyttämällä itse pääanturia.
Kuvanvakautus, olipa se sitten optinen (OIS) tai elektroninen (EIS), on myös tärkeä. Vaikka se ei ole osa kennoa, se toimii yhdessä sen kanssa vähentääkseen kameran tärinää ja tärinää , mikä on olennaista selkeiden kuvien ottamiseen hämärässä ja sujuvan videon tallentamiseen.
Kuinka valita kameralla varustettu matkapuhelin todellisten tarpeidesi mukaan
Kun ostat puhelinta valokuvausta ajatellen, kyse ei ole megapikseleiden sivuuttamisesta, vaan niiden asettamisesta kontekstiin. Jos yleensä nautit kuvistasi puhelimesi näytöllä, sosiaalisessa mediassa tai Full HD -televisiossa, muutama tehokkaasti hyödynnetty megapikseliä ja suuri kenno ovat enemmän kuin tarpeeksi. Näissä tapauksissa suuri 12 tai 16 megapikselin kenno voi antaa parempia tuloksia jokapäiväisessä käytössä kuin 64 megapikselin puhelin, jossa on pieni kenno.
Toisaalta, jos tulostat usein suurikokoiselle paperille, rajaat paljon aggressiivisesti tai työskentelet puoliammattimaisesti, korkearesoluutioinen kenno on ehdottomasti hintansa arvoinen , edellyttäen, että koko budjettia ei ole käytetty pienten pikselien ahtamiseen naurettavan pieneen kennoon. Näissä tapauksissa 40, 50 tai suuremman megapikselin kennot, hyvä fyysinen koko ja vankat prosessointiominaisuudet ovat järkeviä.
Olipa tilanteesi mikä tahansa, kannattaa kysyä itseltäsi kolme yksinkertaista kysymystä: Millaisissa valaistusolosuhteissa kuvaan useimmiten? Mitä teen kuvilleni jälkikäteen? Ja onko kookkampi kameramoduuli lisälaadun arvoinen? Näihin kysymyksiin vastaaminen auttaa sinua priorisoimaan suuren kennon ja suuret pikselit tähtitieteellisiin resoluutioihin nähden, joita et käytännössä hyödynnä täydellä potentiaalilla.
Lopuksi, älä unohda, että todellinen suorituskyky riippuu myös kennon ja prosessorin sukupolvesta. On turhaa verrata suoraan modernia, huippuluokan BSI-kennoa vanhempaan, monta vuotta sitten rakennettuun, vaikka ne olisivat saman kokoisia. Kun vertailet malleja, yritä tehdä se saman aikakauden ja hintaluokan laitteiden välillä ja kiinnitä aina huomiota kennon kokoon, pikselikokoon, objektiivin aukkoon ja siihen, onko siinä optinen kuvanvakautus.
Viime kädessä jokaisen puhelimella otetun hyvän kuvan takana on herkkä tasapaino optiikan, kennon ja ohjelmiston välillä. Megapikselit kertovat, kuinka monta pikseliä kuvassa on, mutta kenno määrää, kuinka paljon valoa, yksityiskohtia ja dynaamista aluetta voit tallentaa. Sen tärkeyden ymmärtäminen auttaa sinua katsomaan mainoshypetyksen yli ja tekemään tietoon perustuvan valinnan seuraavasta älypuhelimesta, jonka laitat taskuusi.
