Как работает камера телефона
Как работает камера под экраном телефона и какие у нее недостатки
В течение последних нескольких лет индустрия смартфонов верным курсом шла к полному покрытию передней панели экраном. То есть, чтобы вообще не было рамок, челок, вырезов, отверстий и прочих геометрических изысков. Главной проблемой на пути к полной победе является фронтальная камера. До недавнего времени ее невозможно было никуда спрятать так, чтобы она была не видна, но выполняла свои функции. И вот теперь, похоже, это свершилось. Производители научились прятать ее под экраном так, чтобы она была полностью скрыта. Осталось только понять, за счет какой магии они этого добились и на какие компромиссы им пришлось пойти на пути достижения цели.
Камера под экраном в ранних моделях выглядела так. Теперь все должно стать намного лучше.
Содержание
- 1 Телефон без передней камеры
- 2 Как работает камера под экраном
- 3 Видна ли камера под экраном
- 4 От чего зависит качество фотографий подэкранной камеры
- 5 Будут ли камеры под экраном во всех телефонах
Телефон без передней камеры
Сами компромиссы начались еще до появления подэкранной камеры самой по себе. Такие телефоны, как ASUS Zenfone 6, устраняют необходимость в отдельной фронталке, делая камеру откидной. Но тут возникают проблемы с габаритами устройства и сложностью его защиты от воды. Подвижный механизм довольно сложно загерметизировать так, чтобы в него не попадала ни вода, ни пыль.
Какую камеру наблюдения купить для дома.
Были и выезжающие камеры, но любой подобный механизм имеет больше минусов, чем плюсов. Поэтому все и стремились к камере под экраном (сокращенно UDC). Мы видели это на нескольких прототипах телефонов от различных производителей, а также в различных продуктах, таких, как ZTE Axon 30 5G. А с недавним выпуском Samsung Galaxy Z Fold 3 камеры под дисплеем становятся все более популярными и массовыми.
Камера Galaxy Z Fold 3 пока является лучшим представителем подэкранных камер.
Как работает камера под экраном
Суть такой камеры в том, что она смотрит как бы через экран. То есть перед ней будет находиться решетка пикселей, но между ними будут пробелы для попадания света на матрицу камеры.
Проблема создания такого экрана заключается в том, чтобы пиксели экрана были довольно плотными и не портили изображение, но при этом, чтобы между ними было расстояние, необходимое для работы камеры.
Если расширить расстояние между пикселями максимально, то мы получим то самое отверстие, от которого хотим уйти. Если наоборот, сжать их, то камера просто ничего не увидит. Остается только добавить, что такие фокусы возможны лишь с OLED-экранами. Если это IPS-матрица, то ее конструкция не позволит разместить нужным образом подсветку. С этим разобрались.
Камера и экран нового Samsung Galaxy S22. Что мы о нем знаем.
У разных производителей разные подходы к скрытым камерам. Во-первых, давайте посмотрим на Samsung в ее последнем складном телефоне. Большая часть дисплеев Galaxy Z Fold 3 использует круглые субпиксели в традиционном ромбовидном матричном шаблоне — с кластером красных, зеленых, синих, зеленых субпикселей (или R-G-B-G).
Это особенность технологии, которая требует размещения двух зеленых субпикселей для достаточного количества света этого спектра. Над отверстием для камеры Fold 3 пиксели сдваиваются, объединяя свою структуру в необычный узор B-R-G-G-G-G-R-B.
Вот так выглядит место, в котором установлена камера.
Видна ли камера под экраном
При этом плотность пикселей над камерой примерно вдвое меньше, чем в обычном месте экрана. Это видно на некоторых снимках даже без специального увеличения данной области. Но даже когда экран выключен, на камеру все равно не попадает свет. Поэтому и нужно сделать щель между пикселями, чтобы она видела мир как бы через сетку.
Чтобы было понятнее, если запустить на экране картинку с полосой шириной в один пиксель, то она будет видна, а если сместить ее на один пиксель в сторону, то в районе камеры она пропадет. Этот эксперимент даже поставили наши коллеги из издания Androidcentral.com.
Вот так полоска пикселей прерывается в районе камеры.
Если не ставить себе целью увидеть под микроскопом эту решетку, то вы ее не заметите. Мало того, что разрывы минимальны, так еще и мозг сам привык достраивать изображение. То есть, если в том месте будут буквы, мозг сам дорисует их и проблем с восприятием не будет, даже несмотря на примерно вдвое меньшую плотность пикселей. Если вы смотрите видео, то из-за мелькающего изображения проблем будет еще меньше.
Телефоны Samsung получат самую прочную камеру в истории.
От чего зависит качество фотографий подэкранной камеры
Пока все технологии сводятся именно к такому компромиссу, а итоговое качество фотографий зависит от того, кто найдет более правильный баланс. Пока качество фотографий всех производителей примерно одинаковое. Дальше начнут появляться другие факторы, которые будут влиять на снимки. Например, важен будет фактический размер сенсора камеры, уровень программной обработки и даже стекло экрана.
Последнее важнее, чем кажется.
Чем более прозрачным будет стекло, тем лучше будут снимки. В качестве примера можно вспомнить нашу атмосферу. Вспомните, рядом с большими городами даже ночью небо само немного светится. А если вы оказывались на расстоянии пары сотен километров от крупных населенных пунктов, то вспомните, сколько там звезд и какое темное небо. Так и с экраном. На глаз эта мутность не видна, но при свечении остальных пикселей она может сама немного светиться. Это тоже окажет негативное влияние на качество снимков. Этот эффект есть и сейчас, поэтому интерфейс приложения камеры зачастую выдержан в темных тонах.
Согласитесь, что так телефон выглядит намного приятнее, чем с вырезом
Будут ли камеры под экраном во всех телефонах
На ближайшее время можно сказать, что какой бы подход не выбрали для камеры под дисплеем, пока качество снимков будет уступать привычным камерам. В отверстии или тем более в челке. Даже увеличение размера пикселя не сыграет решающей роли.
Присоединяйтесь к нам в Telegram!
Сейчас большой вклад в улучшение фотографий с нового типа фронтальных камер делает искусственный интеллект. Системы получают изображение с сенсора и обрабатывают его. Это и называется вычислительной фотографией, на которую делается упор в современных гаджетах.
Нет сомнений в том, что камера под экраном будет становится все лучше и лучше. Особенно по мере развития OLED-технологий и алгоритмов улучшения изображений. Через некоторое время мы еще вернемся к этому разговору, а пока остается порадоваться тому, что подэкранные камеры постепенно становятся массовыми.
Как работает камера в телефоне, устройство камеры смартфона
Что такое хорошая камера в смартфоне? Разумеется, камера смартфона не сравнится с зеркальным фотоаппаратом по качеству снимков. Хотя есть пользователи, которые утверждают обратное, но там скорее подразумевается удобство использования. И все-таки хорошая камера в телефоне может заменить фотоаппарат во многих случаях.
Обычно пользователи хотят получить качественные снимки в кругу друзей, родственников, на каких-то праздниках, на улице, отдыхе, в семейном кругу. Да, для таких целей телефонной камеры может хватить, особенно если учесть, что многие снимки выкладываются в соцсети и просматриваются также на мобильных устройствах с маленьким размером экрана.
В приведенных ситуациях обычно много света, гости готовы к съемке.
Но для получения качественных снимков, например, портретов, макросъемки, движущихся объектов (гонки, водопады), фото в условиях плохой освещенности (ночью, в помещении) все же смартфона и не хватает. Вот здесь фотографы с зеркалкой и получают заметное преимущество.
Фотокамера имеет преимущество в самых важных двух узлах, это матрица и объектив. Технологически получается, что качественно эти два модуля можно сделать при больших физических размерах.
Так и проигрывают смартфоны, ведь их размеры не позволяют увеличить и камеры.
А зеркалки имеют больши́е физические размеры, поэтому и в качестве они выигрывают.
И все же, в последние годы технологии шагнули так далеко, что даже при маленьких размерах производители смартфонов умудряются установить качественные камеры, которыми можно уже снимать даже художественные фото. Применяются различные датчики фокусировки, лазерные дальномеры, оптический зум, стабилизация и др.
Матрица
Сразу можно сказать, что количество пикселей в камере не говорит о ее качестве. Пиксели стоят в матрице и собирают входящий свет для формирования снимков. Так вот, чем больше размер пикселя, тем больше света он соберет, и тем меньше цифровые шумы. Но чем больше размер пикселя, тем меньше их количество на одной матрице. Так должно быть в качественной матрице.
А большое количество мегапикселей дает большую детализацию, четкость. Это нужно для обработки снимков на компьютере при многократном увеличении фото на экране.
И если в зеркальном фотоаппарате размеры матрицы около дюйма, то и количество мегапикселей большое.
Но в смартфоне маленькие матрицы и как там работает столько пикселей? Но и тут производители нашли решение, увеличив количество самих камер на смартфоне до двух, а то и до трех.
Основные игроки на рынке, производящие сегодня большинство матриц для смартфонов — OmniVision, Sony и Samsung. Определить, матрица какой фирмы установлена в вашем гаджете, можно по характерным буквам в начале названия этого компонента — OVxxxx, IMXxxx и S5Kxxx соответственно. Одни из лучших матриц, которые обычно используются в дорогих смартфонах, на данный момент выпускают Sony и Samsung, хотя есть неплохие сенсоры и у OmniVision.
Основные параметры матрицы, которые вы можете встретить в описании:
- ISO, может принимать значение в несколько тысяч. Чувствительность матрицы (ISO) отвечает за яркость фотоснимка, нужно добиться такого результата, чтобы было полное совпадение с реальностью по освещенности. ISO в камерах смартфона обычно не регулируется, но современные дорогие телефоны дают такую возможность.
Лучше работать при минимальном ISO, а увеличивать его при плохой освещенности. Большие значения чувстительности приводят к появлению цифровых шумов на снимке. - Площадь всей матрицы. Чем больше размеры матрицы, тем лучше. Очень важный показатель. При большой матрице меньше цифровых шумов, больший диапазон регулировки ISO.
- Диагональ матрицы в дюймах. Обычно размер диагонали характеризует и размер всей матрицы.
Что касается ISO, так это часть настройки экспозиции. Экспозиция один из самых важных параметров для фотографа. Умение ее настраивать — это признак профессионализма. Еще там участвует диафрагма (характеристика объектива) и выдержка. В общем, это целая наука, хорошо, что в смартфоне все это устанавливается в автоматическом режиме. Поэтому мы и не будем дальше разбираться в теории по этим вопросам.
Объектив
Объектив в камере отвечает за угол обзора, за четкость, фокусировку, фокусное расстояние.
От объектива в большой степени зависит качество снимка. Объективы в камере имеют несколько линз, обычно они пластмассовые, реже из стекла. От качества линз зависит и качество фоток.
Объектив формирует ту картинку, которая подается на матрицу. Нужно добиться как можно меньше искажений при максимальном качестве снимка.
Самые важные характеристики объективов — это фокусное расстояние и диафрагма.
Что касается фокусного расстояния, так сегодня в телефонных камерах используется фиксированное фокусное расстояние. Только некоторые модели имеют оптический зум, для изменения фокусного расстояния. Но этот оптический зум небольшой, около 2—3.
Зум в основном используют для приближения объекта съемки, не подходя к нему. Цифровой зум использует кадр, который есть на матрице. Регулируя размеры кадра (движение пальцев навстречу или в разные стороны по экрану смартфона), мы можем увеличить нужный объект при включенной камере. Для хорошей работы цифрового зума нужна матрица с большим количеством пикселей и хорошая программная реализация.
Все это доступно на дорогих моделях телефонов.
При фиксированном фокусном расстоянии используются широкоугольные объективы из-за маленькой по размерам матрицы. Тогда в кадр попадает много объектов. Из-за желания вместить много в кадр, на фронтальные камеры часто ставят сверхширокоугольные объективы, из-за чего образуются геометрические искажения на селфи.
Диафрагма характеризует размер отверстия, через которое свет попадает на матрицу. Чем больше это отверстие, тем лучше для снимков. Обозначается диафрагма как буква f и рядом число. Например, f1.8 или f/1.8, это равнозначные записи. Так вот, чем меньше это число, тем больше отверстие и тем лучше.
Ниже на рисунке вы видите, как обозначение диафрагмы соответствует реальному размеру диафрагмы в объективе.
Это объектив фотоаппарата, но такая картина справедлива и для смартфонов
Большинство современных телефонных камер имеют диафрагму f/2 и f/2.2, в хороших камерах — f/1.
8 и f/1.7.
От диафрагмы, размера матрицы и фокусного расстояния зависит, насколько возможно размыть фон (эффект «боке») при съемке объекта, особенно это используют при съемке портретов. Так вот в смартфоне из-за маленьких размеров реализовать этот эффект невозможно. На некоторых телефонах этого достигают программным путем с помощью применения второй камеры.
Вот в итоге мы и получили, что количество мегапикселей не совсем тот параметр, который влияет на качество снимков. Намного важнее знать модель матрицы, насколько качественна оптика, есть ли ручные настройки. Если вручную установить ISO на значение 100 и установить смартфон на штатив, то могут и ночью получиться хорошие фотоснимки.
Дополнительно: рейтинг телефонов с хорошей камерой (начало 2019 года).
Автофокус
Автофокус настраивает камеру так, чтобы изображение на снимке было четким и с хорошей резкостью. Если камера без автофокуса, то снимать можно только с расстояния и навестись на объект вблизи не получится.
Схема работы автофокуса при любом методе
Дополнительно: как устроена система автофокуса.
Фокусировка по контрасту
Фокусировка для хорошего результата должна знать расстояние до объекта, и тогда используются специальные датчики для замера расстояния. Без таких датчиков фокусировка работает по контрасту на изображении, она так и называется «контрастной». Из-за своей дешевизны именно контрастная фокусировка и используется в большинстве камер смартфонов.
Недостатками контрастной фокусировки являются:
- Для получения контраста линзы двигаются в объективе, давая разные результаты для сравнения. Это занимает время.
- Лучше, чтобы объекты съемки были неподвижны.
- Если нет контрастных объектов (плохое освещение, плохая погода) может выдавать ошибки.
График работы контрастного автофокуса
Фазовая фокусировка
А вот активная фокусировка определяет расстояние до объекта, используя датчики, что позволяет быстрее и точнее настроить резкость.
Один из видов активной фокусировки: фазовая система фокусировки. Для работы этой системы на матрице по краям есть дополнительные датчики, встроенные в ячейки пикселей. Изображение с этих датчиков анализируется процессором и он подстраивает фокус пока картинки от этих датчиков не совпадут, то есть фаза будет одинаковой.
Эта система работает быстро, способна фокусироваться на быстро движущихся объектах. Но нужна хорошая видимость.
Передовые производители усовершенствовали данную систему. Apple создали технологию Focus Pixels, которая основана на фазовой фокусировке и может использовать на матрице до 10% пикселей в качестве датчиков.
А в Samsung используют Dual Pixel, эта система может уже использовать все пиксели на матрице для автофокуса. Вслед за Samsung технологию Dual Pixel стали использовать и другие производители смартфонов, например, HTC, Honor и Google Pixel.
Как вы поняли, улучшение фазовой системы автофокуса происходит за счет увеличения датчиков на матрице.
Лазерная фокусировка
Лазерная фокусировка использует лазер от специального излучателя, расположенного рядом с объективом. Отраженный луч фиксируется датчиком и высчитывается расстояние до объекта. Очень точная фокусировка, но ограничена расстоянием до 3—5 метров, лазерный луч дальше уже очень рассеивается и система дает ошибки. На больших расстояниях включаются системы фазового или контрастного автофокуса.
До 2015 года основным методом автофокуса был контрастный. Уже с моделей Galaxy S5 и iPhone 6 был использован метод определения фазы.
Стабилизация изображения
Как при фотосъемке так и при съемке видео, камера должна быть неподвижной для получения четкого снимка. Но незначительные колебания камеры всегда присутствуют, если нет штатива. Держа телефон в руках, всегда будет присутствовать тряска, на глаз не очень заметная, а на фото будут смазаны края объектов.
Для устранения этих ошибок в камеру встраивают стабилизаторы изображения или оптические или цифровые (программные).
Оптическая стабилизация (OIS) работает с линзами объектива, смещая их в противоположную сторону от движения камеры при тряске. Оптическая стабилизация считается лучшей, но она и дороже.
Программные методы борьбы с тряской рук используют матрицу. Вернее, часть матрицы, съемка ведется только центральной частью матрицы, а края зарезервированы цифровой системой стабилизации (EIS). Если, например, происходит небольшая тряска рук и изображение объекта смещается на сенсоре, то электроника смещает весь кадр по матрице относительно центра и создается впечатление, что изображение неподвижно.
Цифровая стабилизация используется часто для фотосъемки и всегда для видеосъемки. Она показывает неплохие результаты.
Стабилизация с помощью OIS или EIS дает приемлемые результаты только при небольшой тряске, в пределах нескольких миллиметров.
Ниже на рисунке показан принцип работы оптической стабилизации методом сдвига линзы в объективе или матрицы.
Когда говорят о 4-х осевой стабилизации, то подразумевается смещение блока линз по осям вверх-вниз, влево-вправо, и двум осям вращения: вертикальной и горизонтальной.
4-осевая оптическая стабилизация
Как работает двойная камера
В последние 2-3 года для расширения возможностей фотокамеры на смартфоне стали применять двойные и тройные камеры. Этим достигаются различные эффекты, нет единого предназначения для дополнительной камеры, каждый производитель использует ее по-своему.
Создать фотокамеру, ограниченную размерами смартфона и способную изменять диафрагму и фокусное расстояние (ФР) не получается. А изменять ФР и диафрагму нужно для получения художественных фотографий, да просто эти параметры расширяют возможности съемки.
Вот тогда и пришли к такому решению, как использование второй камеры для съемки. Разрешение в пикселях для дополнительной камеры может быть небольшим для получения хороших результатов. У первых смартфонов, использующих вторую камеру для изменения фокусного расстояния и диафрагмы, ее разрешение было 2 Мп.
С помощью дополнительной камеры можно сделать размытый фон на фото, улучшить резкость на снимке, получить разный зум (телеобъектив или широкоугольный).
Плохо, что одна вспомогательная камера может делать только один из этих эффектов.
Дополнительно: смартфон с четырьмя камерами.
Создаем размытый фон
Работают две камеры в таких системах на принципе стереоэффекта, они делают снимки с разной глубиной резкости (фокус на объектах с разным расстоянием до камеры) и затем идет постобработка, где объединяются эти снимки и получается фотка с размытым фоном.
Монохром и резкость
Всегда на монохромных снимках резкость объектов получалась лучше, это происходит за счет отсутствия цветного фильтра. Когда ставят на смартфон одну цветную камеру, а другую — монохромную, то добиваются большей резкости на цветных снимках. Это также позволяет сделать художественные фото с размытым фоном в черно-белом качестве.
Другие возможности
Вторую камеру на смартфоне можно использовать для получения широкоугольных снимков. При такой съемке много объектов попадает в кадр, например, это нужно при фотографировании большой компании людей или пейзажа.
Для реализации этого эффекта в телефон ставят одну обычную камеру с нормальным фокусным расстоянием и вторую широкоугольную с малым фокусным расстоянием.
Противоположный эффект от второй камеры реализовала компания Apple в своем iPhone 7 Plus. Здесь наоборот, вторая камера имеет большее фокусное расстояние от основной. Это уже получается телеобъектив. Но зато можно легко реализовать двукратный зум без потери разрешения снимка.
Если в фотовспышке используется два светодиода, то у них разная цветовая температура и в результате можно получить естественный цветовой баланс.
Выводы
Для получения разных возможностей блока камер на смартфоне нужно дополнять основную камеру разными дополнительными. Получается, что покупателю нужно разбираться в том, какие эффекты дают разные камеры, в каких моделях смартфонов это реализовано. Производители идут навстречу покупателям и объединяют разные эффекты в одном телефоне. Для этого уже есть смартфоны с тремя камерами.
Что в итоге останется с этих двойных камер, а что уйдет с рынка, еще предстоит выяснить, покупатель сделает свой выбор, нужно только подождать.
Дополнительно: чем лучше камера смартфона, и что хорошего в фотоаппарате.
Как работают камеры смартфонов?
С тех пор, как в 2002 году на берега Америки приземлился первый мобильный телефон с камерой, OEM-производители борются за производство более качественных мобильных камер. На заре эры смартфонов в 2008 году в сочетании с ростом социальных сетей наличие хорошей камеры телефона стало обязательным для всех, кто не отставал от семьи Джонсов. Но до того, как мобильные камеры начали делать большую часть фотографий в мире, снимки делались с помощью устройств, которые были больше, чем почти все мобильные устройства, пришедшие им на смену. Как это возможно? Что происходит внутри нашего телефона, который позволяет делать 100-мегапиксельные фотографии?
Все камеры смартфонов состоят из трех основных частей.
Первый — это линза, которая направляет свет в камеру. Второй — датчик, преобразующий сфокусированные фотоны света в электрический сигнал. И третье — это программное обеспечение, которое преобразует эти электрические сигналы в фотографию, готовую для Instagram. Рассмотрим подробнее каждую из этих частей.
Линзы
Прежде чем любой свет попадет на датчик изображения, он должен пройти через объектив. А перед этим проходит через небольшое отверстие в корпусе телефона. Размер этого отверстия называется апертурой, и он определяет, сколько света попадает на сенсор камеры. В общем, для мобильных камер большая апертура — это хорошо, потому что это означает, что камера имеет больше света для работы.
Диафрагма измеряется в шагах диафрагмы, что представляет собой отношение фокусного расстояния камеры к физическому диаметру апертуры, поэтому апертура f/1,7 шире, чем апертура f/2.
Как только свет попадает в модуль камеры, объектив собирает входящий свет от вашего снимка и направляет его на датчик.
Камеры смартфонов состоят из множества пластиковых линз, называемых элементами. Из-за природы света световые волны различной длины (цвета) преломляются (изгибаются) под разными углами при прохождении через линзу. Это означает, что цвета вашей сцены будут проецироваться на датчик вашей камеры с нарушением выравнивания. Чтобы скорректировать этот и другие подобные эффекты, всем камерам требуется несколько объективов для передачи четкого изображения на сенсор.
Источник: OnePlus
Фокус
Одной из основных функций линз, которая традиционно была абстрагирована от пользователя, является фокусировка. Хотя некоторые приложения для камеры позволяют вам вручную управлять фокусировкой камеры, большинство из них управляют ею с помощью программного обеспечения с использованием датчика, дополнительного оборудования, такого как лазерный дальномер, или их комбинации.
Программная или пассивная автофокусировка использует данные датчика изображения, чтобы определить, находится ли изображение в фокусе, и регулирует линзы для компенсации.
Наиболее распространенный метод пассивной автофокусировки основан на определении контраста изображения и настройке фокуса до тех пор, пока он не станет максимальным. Немного более быстрый метод называется фазовой автофокусировкой. Он работает, следя за тем, чтобы одинаковое количество света достигало двух близко расположенных датчиков на фотодатчике.
Активный автофокус использует дополнительные аппаратные средства для определения расстояния от телефона до цели. Первые системы активной автофокусировки использовали сонар, аналогичный Soli в Google Pixel 4. Изменения в системах активной автофокусировки добавили маломощный инфракрасный лазер для оценки расстояния, но его можно обмануть другими источниками ИК-излучения, такими как огонь или другие смартфоны.
Датчик
Датчик представляет собой тонкую кремниевую пластину, единственной задачей которой является превращение фотонов (света) в электроны (электрические сигналы). Это фотогальваническое преобразование происходит на миллионах фотосайтов на крошечной поверхности сенсора.
Если фотоны не достигают фотосайта, датчик регистрирует этот пиксель как черный. Если на фотосайт попадает много фотонов, этот пиксель белый. Количество оттенков серого, которые может зарегистрировать датчик, называется его битовой глубиной.
Источник: Samsung
Итак, как ваш телефон делает цветные фотографии? Поверх каждого фотосайта наложен цветной фильтр, который пропускает только красный, зеленый или синий свет. Это создает изображение, состоящее из красных, зеленых и синих пикселей различной яркости, которое должно быть преобразовано в полноцветное изображение с помощью сложных алгоритмов.
Следует обратить внимание на две метрики сенсора: размер и размер пикселей. Размеры сенсора измеряются в долях дюйма. Датчик Google Pixel 4a оценивается как 1/2,55 дюйма (хотя на самом деле это около 16,5/2,55 мм по диагонали, это слишком запутанно, чтобы объяснить, почему). Вообще говоря, сенсор большего размера (например, сенсор 1/1,33 дюйма на Samsung Galaxy S22 Ultra) дает более качественные снимки, потому что у них больше и больше фотосайтов.
Фотосайты (количество которых составляет количество мегапикселей камеры) измеряются в микрометрах. Большие фотосайты лучше собирают свет, что делает их более подходящими для условий низкой освещенности. Меньшие фотосайты не обязательно означают более низкое качество фотографий. Тем не менее, это показатель, который вы можете учитывать, если планируете использовать камеру телефона в условиях низкой освещенности.
Стабилизация изображения
Одним из важнейших компонентов при попытке сделать хороший снимок является устойчивая платформа. Производители смартфонов знают, что у вас вряд ли будет штатив в кармане, поэтому они оснащают свои телефоны технологиями, максимально уменьшающими движение камеры. Стабилизация изображения бывает двух основных видов: оптическая и электронная.
Оптическая стабилизация изображения (OIS) основана на гироскопе для обнаружения движения телефона и крошечных двигателях или электромагнитах для перемещения линз и сенсора для компенсации.
OIS идеально подходит для условий слабого освещения, когда датчику изображения требуется больше времени для сбора света.
Электронная стабилизация изображения (EIS) опирается на акселерометр телефона, который определяет любые движения, и вместо перемещения частей камеры он перемещает кадры изображения или экспозицию. Поскольку экспозиции выравниваются на основе содержимого изображения, а не кадра датчика изображения, конечное изображение или видео имеет уменьшенное разрешение.
Многие новые модели телефонов используют комбинацию обеих систем, иногда называемую гибридной стабилизацией изображения. Совместное использование обеих систем дает вам лучшее из обоих миров, особенно для видеоматериалов.
Программное обеспечение
После того, как датчик изображения выполнил свою работу и преобразовал свет, поступающий на него от объективов, в электрический сигнал, задача процессора сигналов изображения (ISP) состоит в том, чтобы преобразовать эти единицы и нули в изображение, достойное Snapchat.
Данные, отправляемые интернет-провайдеру, по сути представляют собой черно-белое изображение, по сути, RAW-изображение для вас, жуков-любителей. Первая задача ISP — вернуть данные о цвете на основе известного расположения матрицы цветового фильтра, о котором мы говорили ранее. Теперь у нас есть изображение, но все его пиксели имеют разную интенсивность красного, зеленого или синего цвета.
Следующим шагом является процесс, называемый демозаикой. Именно здесь интернет-провайдер изменяет цвета пикселей на основе цветов своих соседей. Если, например, в области много зеленых и красных пикселей, но мало синих, то алгоритм демозаики преобразует их в желтые.
4 изображения
Наконец-то у нас есть фото! Большинство интернет-провайдеров применяют шумоподавление и повышение резкости после демозаики. Тем не менее, у каждого OEM есть свой конвейер и алгоритмы для создания конечного изображения. Google, в частности, известен тем, что использует алгоритмы, разработанные искусственным интеллектом, для создания одних из лучших фотографий смартфонов.
Готовы сделать несколько фотографий?
Теперь, когда вы лучше понимаете, как работает ваша камера, пришло время выйти и сделать больше снимков. И, говоря о большем количестве фотографий. Воспользуйтесь нашими советами и рекомендациями по работе с Google Фото, чтобы укротить свою коллекцию фотографий. И если вы ищете телефон с более красивой камерой, знание того, как работает камера телефона, поможет вам решить, какой телефон с камерой вам подходит.
Как работает камера смартфона? Подробная прогулка по
Линза
Линза обычно представляет собой круглый кусок прозрачного материала, такого как стекло или пластик, который фокусирует свет для формирования изображения.
Линзы имеют две полированные поверхности с каждой стороны , изогнутые внутрь или наружу в зависимости от типа линзы. Радиус кривизны почти всегда постоянен.
Простая линза, как следует из названия, представляет собой всего лишь один кусок стекла, используемый в таких вещах, как очки, увеличительные стекла, контактные линзы, видоискатели и т.
д.
С другой стороны, составная линза состоит из нескольких различных типов отдельных элементов линзы, каждый из которых служит уникальной цели – исправлять оптические проблемы и направлять свет на датчик. Это тип объектива, который можно найти в камерах смартфонов.
Как работает линза
Основное назначение линзы — искривлять свет. Как это работает, как упоминалось ранее, свет движется определенным образом в зависимости от среды, через которую он проходит.
Таким образом, когда лучи света переходят от прохождения через воздух к прохождению через стекло, они перестают двигаться по прямой линии и изгибаются. Это потому, что, подобно воде, свет проходит через стекло медленнее, чем через воздух.
Источник: britannica.com
Направление, в котором преломляется свет, зависит от формы линзы. Линзы, которые имеют выпуклость в центре, изгибающуюся наружу, известны как выпуклые линзы.
Они известны как собирающие линзы, потому что, когда свет проходит через них, он отклоняется внутрь к фокальной плоскости.
Источник: mammothmemory.net
Примером этого является увеличительное стекло. Если вы держите его определенным образом на открытом воздухе на солнце, вы можете увидеть, как свет проходит через линзу увеличительного стекла и сходится в одной точке.
Это фокальная плоскость, и она может сильно обжечь, потому что все солнечные лучи фокусируются в одной точке.
Еще один способ, которым линза может изменить направление света, — это рассеивание или распространение света наружу, а не внутрь. Известно, что вогнутые линзы преломляют свет таким образом. В отличие от выпуклых линз, вогнутые линзы изогнуты внутрь посередине.
Как a работает система составных линз
Изображение, полученное с использованием одного объектива, обычно недостаточно хорошо для фотографии. И именно поэтому объектив камеры смартфона состоит из нескольких объективов.
Блок линз содержит ряд выпуклых и вогнутых линз различной плотности, которые работают вместе, направляя свет на матрицу для создания изображения.
Объектив разработан таким образом, чтобы камера могла создавать максимально точное изображение. Вы хотите, чтобы ваши фотографии выглядели идеально резкими со всех сторон, даже по краям, а не только в одной области.
За тем, как это работает, стоит целая наука, но это выходит за рамки этой статьи. Проще говоря, световые лучи, проходящие через камеру, проходят серию расхождений и слияний, пока, наконец, не достигнут сенсора.
Качество и расположение этих элементов объектива имеют первостепенное значение, иначе полученные изображения могут просто страдать от таких проблем, как хроматическая аберрация, размытие и снижение контрастности.
Фокусное расстояние объектива и угол обзора
В настоящее время мобильные телефоны обычно имеют более одной камеры. В большинстве случаев эти камеры имеют объективы с разным фокусным расстоянием. Это означает, что снимки, сделанные каждой камерой, отличаются друг от друга.
Фокусное расстояние, которое выражается в миллиметрах (мм), в основном является показателем того, какую часть сцены может охватить конкретный объектив.
Технические характеристики камеры Samsung Galaxy S10+ 5G. Источник: gsmarena.com
Если вы зайдете на такой сайт, как GSM Arena и посмотрите характеристики мобильных камер телефона с несколькими камерами, вы заметите, что в них указано фокусное расстояние объектива каждой камеры, например, 26 мм.
А затем в скобках вы увидите написанное, широкий, сверхширокий или телефото. Это относится к углу обзора каждого объектива.
Чем короче фокусное расстояние, тем шире угол обзора. Чем больше фокусное расстояние, тем больше увеличивается изображение и, следовательно, тем уже угол обзора.
Чтобы лучше понять взаимосвязь между фокусным расстоянием и углом обзора и то, как они влияют на ваши фотографии, я настоятельно рекомендую вам прочитать эту подробную статью о фокусном расстоянии.
При увеличении объекта с помощью цифровой зеркальной фотокамеры элементы объектива внутри тубуса объектива перемещаются, чтобы изменить фокусное расстояние объектива и увеличить объект.
Это называется оптическим зумом, потому что на самом деле движутся сами элементы объектива.
Цифровой зум
Долгое время смартфоны с одной камерой не могли оптически увеличивать масштаб. Это потому, что у них был объектив с фиксированным фокусным расстоянием.
Другими словами, у линз не было подвижных частей, которые могли бы приближать объект. Вместо этого мобильные камеры использовали цифровой зум, который был низшей формой зума.
При цифровом зуме чем больше вы увеличиваете, тем больше камера обрезает изображение и увеличивает его в цифровом виде, чтобы заполнить кадр. Это приводит к очень плохому качеству изображений.
Оптический зум
Когда несколько лет назад были представлены смартфоны с двумя камерами, производители смартфонов начали продавать свои камеры с 2-кратным оптическим зумом.
Это потому, что у двух камер были объективы с разным фокусным расстоянием.
У одного был широкоугольный объектив, а у другого телеобъектив.
При переключении между двумя камерами создается впечатление, будто вы дважды увеличили фокусное расстояние широкоугольного объектива без потери качества, как при цифровом увеличении. Однако в большинстве, если не во всех таких случаях, это не совсем оптический зум.
В большинстве случаев это работает так: при увеличении камера интерполирует или смешивает пиксели с сенсоров двух камер и создает гибридное изображение. Таким образом, по сути, в этом типе зума нет движущихся частей, как в цифровом зуме.
Единственное отличие состоит в том, что этот гибридный тип зума сохраняет лучшее качество изображения благодаря телеобъективу второй камеры.
Перископический зум
Перископический зум меняет правила игры, потому что он работает совершенно иначе, чем традиционный способ масштабирования мобильной камеры.
Из-за бокового расположения внутри корпуса телефона камера перископа имеет довольно большой зум-объектив, который не выступает из задней части телефона.
А поскольку зум-объектив относительно большой для камеры телефона, с его помощью можно фактически увеличить изображение. Другими словами, когда вы увеличиваете и уменьшаете масштаб, элементы объектива внутри зум-объектива перископа физически перемещаются.
Стоит отметить, что независимо от того, какой тип зума вы используете, вам нужно держать камеру неподвижно, чтобы избежать размытых снимков. Чем больше вы приближаетесь, тем более заметным становится дрожание камеры, что приводит к нежелательным фотографиям.
Расположение элементов объектива также влияет на фокусировку. Когда вы увеличиваете и уменьшаете масштаб, вам необходимо настроить фокус, если вы снимаете в ручном режиме. В противном случае ваш телефон может автоматически настроить фокус за вас. В камерах смартфонов используются различные методы автоматической фокусировки изображения.
Самый популярный метод на момент написания этой статьи — автофокус Dual Pixel. Но похоже, что новая технология под названием 2x2 OCL начинает набирать обороты.
Независимо от того, какой метод автофокусировки используется в телефонной камере, принципы работы элементов объектива для правильной фокусировки практически одинаковы.
После того, как вы выбрали, где хотите сфокусироваться в кадре, ISP камеры (о чем мы поговорим позже) выполняет некоторые расчеты и передает правильные данные фокусировки мотору фокусировки. Затем этот двигатель выравнивает элементы объектива в точке, где фокус устанавливается там, где вы хотите.
Итак, как видите, с объективом происходит довольно много всего. И не зря. Без объектива свет, проходящий через камеру, не будет иметь направления. Да, камера может снимать без объектива, но четкого изображения вы не получите.
Далее в процессе превращения света в изображение находится область, которая точно контролирует, сколько света может пройти к датчику.
Затвор
Оптическая стабилизация изображения необходима в камерах смартфонов.
0066 затвор и скорость его работы .
В больших и специализированных камерах, прежде чем свет сможет достичь сенсора, он должен пройти еще через один обруч – затвор. Это механическое устройство, которое располагается перед датчиком и блокирует доступ света к датчику.
Когда кнопка спуска затвора нажимается, чтобы сделать снимок, механический затвор открывается и освещает датчик в течение определенного периода времени, а затем снова закрывается. Время, в течение которого затвор остается открытым, называется скоростью затвора.
Чем быстрее открывается и закрывается затвор, тем менее размытыми будут ваши снимки. Недостатком является то, что ваши фотографии будут выглядеть значительно темнее без надлежащего освещения.
Медленная скорость затвора позволяет длительное время подвергать датчик воздействию света. Это хорошо работает для осветления изображения в условиях низкой освещенности. Однако компромисс заключается в том, что чем медленнее скорость затвора, тем выше вероятность того, что у вас будут размытые изображения.
И здесь помогает стабилизация изображения. Это позволяет снимать с достаточно длинной выдержкой, не испортив фотографии. Однако, чем медленнее вы используете выдержку, тем сложнее OIS мобильной камеры не отставать. Итак, опять же, вам нужно поддерживать камеру телефона, чтобы избежать размытия.
Мобильные камеры не имеют механических затворов. Они работают в электронном виде, активируя и деактивируя датчик на определенный период.
Итак, в камерах смартфонов, как только свет проходит через апертуру и стабилизируется, он в значительной степени достигает места назначения. Однако он не будет зарегистрирован, пока датчик не будет активирован.
Как и в случае с механическим затвором, время, в течение которого датчик остается активированным, называется скоростью затвора. Несмотря на физическую разницу, эти два типа затвора одинаково влияют на изображение.
Чтобы узнать больше о затворах мобильных камер, о том, как они работают и как творчески использовать скорость затвора, ознакомьтесь со статьей Все, что вам нужно знать о скорости затвора камеры смартфона.
Итак, теперь, когда наш свет, наконец, достиг сенсора, давайте посмотрим, как он преобразуется в изображение.
Сенсор
Я написал целую статью, посвященную обсуждению сенсора, используемого в мобильных камерах , и того, как он работает, поэтому я не буду вдаваться в подробности. Статью о датчиках камеры смартфона можно прочитать здесь.
Сенсор — это основа цифровой фотографии, потому что именно там происходит изображение.
Состоит из миллионов пикселей (или фотосайтов, как их называют другие), составляющих общее количество мегапикселей камеры.
Если вы хотите узнать, какие смартфоны имеют самые большие мегапиксельные камеры, обязательно ознакомьтесь с этим списком.
Фотосайт/Пиксели
При съемке изображения датчик активируется и деактивируется, эти пиксели включаются и выключаются, захватывая входящий свет.
Световые фотоны, попадающие на фотосайты, превращаются в электрический сигнал, мощность которого зависит от количества фотонов, захваченных каждым фотосайтом.
Затем эти данные обрабатываются и превращаются в изображение.
Крупный план поверхности датчика изображения.
Я знаю, что это может быть немного запутанным для некоторых. Если вы хотите лучше понять, как работает датчик, обязательно ознакомьтесь со статьей, о которой я упоминал ранее.
Стоит отметить, что обработка изображения по электрическим данным с фотосайтов приводит к монохромному изображению, а не к цветному.
Это связано с тем, что датчик сам по себе может только определить, сколько фотонов света он собрал. Он не может сказать, какого цвета фотоны.
Цвет Фильтр Массив
Для мобильной камеры требуется цветной фильтр. Массив фильтров Байера является наиболее популярным на многих датчиках.
Это цветной фильтр, который накладывается на каждый фотосайт для определения цвета изображения. Он действует как экран, который пропускает фотоны только определенного цвета в каждый пиксель.
Видео-курс
