для чего нужен автофокус в камере смартфона
Как работает автофокус? Разбор
Представьте, вы идете по улице и вдруг видите что-то невероятно красивое или что-то забавное. Что вы будете делать?
Скорее всего вы достанете камеру и сделаете снимок или видео, просто нажав одну кнопку. И вне зависимости от того на что вы снимаете – телефон или профессиональный фотоаппарат – вы вряд ли будете париться по поводу фокуса.
А всё потому что современные системы автофокуса работают настолько хорошо, что мы вообще перестали это замечать.
Но знаете ли вы, как работает автофокус? Как фокусировались раньше и как фокусируются сейчас? Сегодня это и обсудим.
А также протестируем одну из самых продвинутых систем автофокуса на примере камеры Canon EOS R5. Приготовьтесь, разбор будет очень подробный.
Дальномер
Скажу сразу, современные системы автофокуса работают довольно хитро. Поэтому, чтобы понять всю физику процесса, мы посмотрим как системы фокусировки развивались во времени.
Вернёмся в 1917 год. Тогда вышел удивительный фотоаппарат No. 3A Kodak Autographic Special, в котором конечно же не было автофокуса, но была другая волшебная технология — дальномер. А точнее оптический дальномер. Эта штука позволяла вам сфокусироваться вручную с достаточно высокой точностью при помощи одной хитрой визуальной подсказки.
В видоискателе дальномерного фотоаппарата в центре кадра была особая область, в виде круга или прямоугольника в котором изображение двоилось. А для того, чтобы сфокусироваться, нужно было повернуть кольцо фокусировки так, чтобы двоящееся изображение слилось в одно.
Как эта штука работает?
Вообще оптический дальномер позволяет рассчитывать расстояние до объекта. И делает он это при помощи простой геометрии и принципа параллакса.
Смотрите, дальномер состоит из двух объективов, расположенных на определенном расстоянии друг от друга, которое мы знаем.
За каждым объективом скрываются два зеркала. Одно зеркало находится напротив видоискателя, и оно полупрозрачное, поэтому через него мы видим свет, который напрямую проходит через первый объектив. А также мы видим отраженный свет от второго зеркальца, которое расположено напротив второго объектива. Поэтому в видоискателе мы видим наложение двух картинок друг на друга.
Первое зеркальце зафиксировано и не вращается, а второе зеркальце можно вращать. И вот собственно тут и начинается магия. Прокручивая фокус на объективе мы тоже вращаем зеркальце. И когда две картинки сливаются в одну, мы как бы получаем равнобедренный оптический треугольник с вершиной в точке фокусировки, до которой мы можем легко определить расстояние, решив простую геометрическую задачку.
А зная его настроить объектив, чтобы всё было в фокусе тоже не проблема.
Такой метод фокусировки самый примитивный и у него масса недостатков.
Во-первых, чтобы сфокусироваться нужны были четкие вертикальные линии в кадре. Во-вторых, такой способ фокусировки не работает с телеобъективами и вообще есть сложность, как это всё настраивать под сменные объективы.
Поэтому к 1930-м годам дальномерные камеры уступают в популярности однообъективным зеркальным камерам. В которых использовался куда более простой, но при этом абсолютно гениальный метод фокусировки.
Клинья Додена
По фильмам или может из личного опыта, вы наверняка видели, что в старых фотоаппаратах, в центре изображения находится какой-то странный круг.
Как правило он разделен линией по горизонтали или диагонали, а вокруг вообще какой-то калейдоскоп.
При этом поворачивая кольцо фокусировки, всё что вне этого круга уходит в расфокус, а изображение в самом круге раздваивается.
Но, если совместить изображение в центре, то всё становится четким и фотография получается в фокусе.
Отсюда вопрос? Что это за фокусы такие?
Вся магия происходит при помощи вот такой штуки, которая называется фокусировочный экран.
В зеркальных камерах он ставился между зеркалом и видоискателем, на схемке, это номер 5. Можете поставить на паузу и изучить подробнее.
Устройство зеркального видоискателя:
Так вот в центре фокусировочного экрана находятся так называемые клинья Додена.
Это две полуциллиндрических призмы, расположенные под небольшим наклоном друг к другу, но при этом они пересекаются в плоскости, совпадающей с поверхностью матового стекла.
Теперь смотрите. Для того того, чтобы изображение на фото было в фокусе, нужно чтобы лучи света пересекались ровно в плоскости фокусировочного экрана, который находится на том же расстоянии от линзы, что и пленка или матрица.
Так вот, если мы сфокусированы неправильно и лучи пересекаются чуть перед или после плоскости фокусировочного экрана, клинья Додена, за счет небольшого наклона, вносят свою корректировку и сдвигают изображение в разные стороны.
Но если если мы сфокусированы правильно и плоскость резкого изображения совпадает с поверхностью стекла и точкой пересечения клиньев, изображение выглядит цельным.
В этом случае говорят, что центральная часть изображения находится в одной фазе фокусировки. И это важная ремарка… В будущем поймете почему…
В целом, такой способ ручной фокусировки очень удобный. И даже сейчас во многих современных зеркальных камерах, вы можете использовать такой фокусировочный экран. Если например снимаете на винтажные объективы или просто предпочитаете ручную фокусировку.
Но мы то про автофокус, поэтому переходим к более современным системам фокусировки.
Активный автофокус
Итак, все системы автофокуса можно поделить на два типа: активные и пассивные.
Активная система – это когда камера для того, чтобы сфокусироваться посылает вовне какой-то сигнал. Например, инфракрасный свет или ультразвуковой сигнал или даже лазерный луч. Дальше она получает отраженный сигнал обратно, рассчитывает задержку и тем самым расстояние до объекта.
По такому принципу работают радары, лидары, ToF-камеры и всякие лазерные рулетки.
А среди фотоаппаратов первой камерой с инфракрасным локатором автофокуса был Canon AF-35M, который вышел в 1979 году.
Активные системы были хороши тем, что отлично фокусировались в темноте и на объекты без контрастных деталей. Но были и недостатки: во-первых, нельзя было сфокусироваться через прозрачное препятствие, скажем, окно. А также такие системы могли отпугивать животных.
А если нельзя сфотографировать кошечку, тогда вообще зачем нужен фотоаппарат?
Поэтому от активного автофокуса довольно быстро отказались. И сейчас такие системы используют только в качестве вспомогательного метода фокусировки, например чтобы сфокусироваться в темноте или для AR или 3D сканирования как в Айпедах и Айфонах.
А вот в качество основного решения автофокусировки используют пассивные системы.
Такие системы ничего не излучают во вне, и основаны только на анализе света поступающего внутрь камеры.
Контрастный автофокус
Пассивных систем тоже бывает два типа: фазовые и контрастные.
Самый распространённый метод фокусировки — контрастный. Он основан на очень простом принципе. Изображение в фокусе более контрастно, чем изображение не в фокусе.
Поэтому, чтобы сфокусироваться камера по сути наугад перебирает разные значения фокуса: чуть подкрутит фокус в одну сторону и смотрит какой стала картинка: более контрастной или менее контрастной.
Если более контрастной — камера продолжает двигать фокус в том же направлении. Если менее контрастной в обратном. И так шаг за шагом, пока не найдет положение, в котором картинка самая контрастная. При этом автоматика всегда сначала будет пролетать идеальное значение, для того чтобы понять, что оно было идеальным и вернуться обратно. У этого способа есть ряд преимуществ.
Во-первых, универсальность. Это чисто программный способ фокусировки, который используют только данные с матрицы и не требует никаких дополнительных модулей. Поэтому контрастный автофокус может работать вообще на любой цифровой камере, хоть зеркальной, хоть беззеркальной.
Во-вторых, так как, по сути, это просто алгоритм можно его совершенствовать бесконечно, потому камеры с контрастным автофокусом часто начинают фокусироваться лучше и быстрее с обновлением прошивки.
Тем не менее способ ненадежный. Есть недостатки.
Самые главные – это довольно низкая скорость и эффект рысканья. Это когда фокус елозит туда сюда, чтобы определить идеальное положение. И в фотографии это еще более-менее приемлемо. Но когда фокус играет при видеосъемки — это выглядит как брак.
Также контрастный автофокус плохо работает в темноте и часто ошибается с тем, какой именно объект должен быть в фокусе.
Поэтому самым крутым и надёжным методом фокусировки сейчас читается фазовый автофокус.
Фазовый автофокус
Фазовый автофокус обычно обозначают аббревиатурой PDAF или Phase Detection Autofocus.
Вот такие точки фокусировки в видоискателе знаете? Вот это так обозначены датчики фазовой фокусировки.
Я думаю принцип работы фазового автофокуса вам покажется знакомым.
Свет проходит через специальный разделитель луча, который делит его на две части или точнее фазы. Эти два луча попадают на специальный датчик тоже разделенный на две части.
Если объект в фокусе, то свет прилетает ровно в середину этого датчика. А если мы сфокусированы ближе или дальше то свет попадает ближе к центру или к краю этого датчика.
То есть, по сути, это тоже самое что и клинья Додена, которые тоже разделили лучи и отклоняли их.
Только раньше определять насколько разъехалась фаза приходилось нашим глазам, а теперь это делают специальные датчики.
Вся прелесть фазовой автофокусировки в том, что камера сразу может посчитать на сколько ошибся фокус и в какую сторону его нужно крутить.
Поэтому фазовый автофокус работает молниеносно и очень точно. Фазовая фокусировка считается самой надежной крутой и быстрой системой, например, спортивная фотография была бы вообще невозможно без фазового автофокуса.
Модуль фазовой фокусировки — это отдельный модуль, который нужно спрятать где-то в камере. Обычно он находится где-то внизу под матрицей. И это в целом довольно сложная и массивная конструкция из дополнительных зеркал и прочих элементов. И всё это должно быть откалибровано с очень высокой точностью, иначе промахов не избежать.
Во-вторых, точность фокусировки сильно зависит от количества датчиков фокусировки и от их навороченности.
Это бывают горизонтальные датчики: в этом случае фокусировка будет возможно только объектов с вертикальными деталями. Также они могут быть крестообразными или диагональными. В любом случае, чем более навороченный модуль, тем он массивнее и дороже.
При этом как бы много не было датчиков они всё равно не покроют всю площадь кадра.
Ну и самое главное. Так как свет не может одновременно поступать и на матрицу и на модуль автофокуса. Такая штука не работает с видео. И может быть использована только в зеркальных камерах.
Но например, Canon EOS R5 — беззеркальная камера. При этом автофокус тут работает очень круто. Но каким образом?
Dual Pixel
И тут мы переходим к технологии Dual Pixel, которую придумали в Canon и которая просто перевернула представление о том, на что способен автофокус в особенности при съёмке видео.
Первая камера, в которой появилась технология Dual Pixel была Canon EOS 70D, она вышла в 2013 году.
Здесь же в Canon EOS R5 используется вторая усовершенствованная версия технологии – Dual Pixel CMOS AF II.
Как же эта штука работает?
Dual Pixel — это тоже фазовая система фокусировки. Просто вместо дополнительного отдельного модуля с отдельными датчиками фазового автофокуса, для фокусировки используется основная матрица. Для этого в каждом пикселе фотодиод делится на две части. А над каждым пикселем устанавливается микролинза, которая направляет свет на эти два фотодиода. Ну а дальше, также как и в случае с обычным фазовым автофокусом, анализируется насколько съехали лучи относительно идеальной точки фокусировки. И всё. Вот так просто и элегантно.
Эта технологии лишена недостатков стандартного фазового автофокуса:
Не нужны ни дополнительные модули, ни зеркала.
Может работать непрерывно в режиме видео, а не только с фото.
Есть свободный выбор зоны фокусировки. Например, в профессиональной камере EOS-1D X Mark II всего 61 точка фокусировки и это считается много. Но в EOS R5 можно выбрать 5940 положений, а область фокусировки покрывает почти 100% кадра.
Ну и конечно же тут есть куча умных режимов фокусировки: отслеживания глаз, лица, головы и тела. Режим для съемки животных, предметов и прочее. И всё это работает при помощи глубоких нейросети и процессора DIGIC X.
Кстати, в с iPhone, Google Pixel и некоторых других смартфонах тоже используется аналогичный метод фокусировки.
В общем, за видео с правильным фокусом, по большей части мы обязаны именно технологии Dual Pixel. Сейчас — это вершина эволюции автофокуса.
Объективы
Ну и конечно, не будем забывать про объективы. На скорость фокусировки влияет тип мотора.
Например, Canon свои объективы делит на оптику с STM и USM моторами.
STM — это шаговый мотор. Такие моторы работают плавно, бесшумно и отлично подходят для видеосъёмки, где не требуется сверхвысокая скорость фокусировки.
STM бывает двух типов:
с шестеренчатой передачей
и с винтовой передачей
Объективы с винтовой передачей больше по размерам, на зато тише.
Но в целом для видео и неспешной фотографии любой STM объектив подходит, поэтому не всегда стоит переплачивать и брать более дорогие USM объективы.
В таких объективах установлен ультразвуковой мотор. Он преобразует энергию ультразвуковой вибрации во вращающую силу для управления объективом.
И такие объективы фокусируются очень быстро. Что важно для репортажной/спортивной съемки, или может съёмки животных.
К примеру, если у вас очень резвые коты.
Их бывает три типа:
Ультразвуковой мотор кольцевого типа. Он состоит из ротора и статора. При подаче переменного тока с частотой около 30 000 Гц на статор создаются вибрации, вызывающие непрерывное вращение ротора.
30 000 Гц — это ультразвуковая частота, поэтому мотор называется ультразвуковым.
Второй тип — Micro USM. В принципе тоже самое что и USM, но в более компактном исполнении.
Но еще есть Nano USM. И вот это совсем новый тип фокусировки, представленный в 2016 году.
Еще существуют моторы постоянного тока DC. Если в названии объектива не указано USM или STM, скорее всего это DC. Такие моторы самые шумные и медленные.
Но встречаются не часто, а например, в новой линейке объективов Canon для беззеркалок с байонетом RF таких вообще нет, есть только STM и USM. Можно брать любой не парясь, благо линейка очень большая и постоянно пополняется
Все RF объективы что я держал — пушка, очень советую. Особенно порадовал Canon RF 100mm F2.8L Macro IS USM.
Брекетинг фокусировки
Кстати, для макросъёмки тут есть очень крутая фича — брекетинг фокусировки.
Камера делает серию снимков, начиная с указанного расстояния фокусировки, а затем постепенно двигаясь в сторону бесконечности.
После чего серия кадров склеивается в один снимок, в котором на постпродакшене можно сделать большую глубиной резкости, чтобы всё было в фокусе.
Надеюсь вам, как и нам стало понятнее как работает автофокус.
Навестись за мгновение: фазовый автофокус в работе
Всем продвинутым пользователям известно, что качество снимков определяется не количеством мегапикселей, а размером матрицы, светосилой, объективом и другими характеристиками. Одним из важных параметров современной мобильной камеры стал автофокус — от его работы зависит, будет ли объект съёмки чётким даже при быстром движении. Сейчас существует несколько разновидностей автофокусировки, но самым последним тенденциям соответствует фазовая. О преимуществах фазового автофокуса мы и поговорим в сегодняшней статье, вооружившись Honor View 10.
Зачем нужен автофокус?
Начнём с того, что сегодня практически в любом смартфоне, даже самом бюджетном, есть система автофокусировки. Грубо говоря, автофокус — это когда камера гаджета самостоятельно наводит резкость во время съёмки фото и видео. Он нужен для того, чтобы максимально упростить процесс и не крутить каждый раз настройки, как при съёмке на профессиональный зеркальный фотоаппарат.
Работу автофокусировки вы в большинстве случаев просто не заметите: резкость настраивается автоматически, как только вы включаете камеру или нажимаете на кнопку затвора. Если нужно сделать фокус на каком-то определённом объекте, как правило, достаточно лишь тапнуть по нему на экране устройства.
Актуальные типы автофокусировки
На сегодняшний день существует три основных вида автофокусировки.
Контрастный автофокус. Относится к пассивному типу, то есть сенсоры камеры ничего не излучают. В основном данное решение применяется в недорогих смартфонах. Главная причина в том, что такой вид фокусировки — самый простой. Камера ориентируется на величину светового потока, попадающего на матрицу. Перемещая линзу, программное обеспечение добивается наибольшего контраста и таким образом фокусируется на объекте съёмки. Именно поэтому бюджетным гаджетам на фокусировку требуется несколько секунд, за которые легко упустить или смазать движущийся объект.
Лазерный автофокус. Достаточно свежая технология, относящаяся к активному типу фокусировки. В основе лежит принцип лазерного дальномера: лазер освещает объект, а сенсор измеряет расстояние до него, основываясь на времени поступления отражённого лазерного луча.
Один из главных плюсов лазерного фокуса — время. Весь процесс занимает доли секунды, что позволяет мгновенно делать резкие снимки. Причём лазерный фокус не теряет в скорости ни в тёмное время суток, ни в непогоду. Но у данной системы есть серьёзный недостаток. Дальность работы лазера в камере едва переваливает за пару метров. На всё, что располагается дальше, гаджет наводится при помощи других типов фокусировки.
Фазовый автофокус (PDAF). Также относится к активному типу. Его устанавливают во многие смартфоны, включая Honor View 10. При фазовой автофокусировке лучи из разных точек объектива сводятся на встроенные в матрицу датчики. Если объект находится в фокусе, то световые потоки от него сходятся в одну точку на датчике. Если же нет, то программное обеспечение, основываясь на расстоянии между лучами, сдвигает линзы на нужную величину.
Данная система хороша в первую очередь высокой скоростью работы: можно фокусироваться на быстро движущихся объектах. Например, Honor View 10 требуется менее 0,3 секунды, чтобы сфокусироваться.
Единственный недостаток — ночная съёмка. В диафрагму смартфона поступает недостаточно света, из-за чего автофокусировка может занимать чуть больше времени. Кроме того, у фазового автофокуса довольно сложная реализация. Система призм, зеркал, линз требует сверхточной установки и не менее скрупулезной программной настройки.
Пример работы фазового автофокуса
Как уже было сказано выше, принято считать, что фазовый автофокус в тёмное время суток хуже справляется со своей задачей. Однако современные гаджеты оснащаются высокочувствительными сенсорами и продвинутыми алгоритмами, которые помогают камере правильно сфокусироваться даже при недостатке освещения.
Мы протестировали работу камеры Honor View 10 ночью. В устройстве имеется система «искусственного интеллекта»: она дополнительно анализирует картинку с камеры и настраивает параметры съёмки и фокусировки таким образом, чтобы получить максимально резкий и качественный кадр.
С фокусировкой как в дневное, так и в ночное время на Honor View 10 никаких проблем нет. Она работает быстро и точно, ловя объект за доли секунды.
Вдобавок для съёмки динамичных сюжетов у камеры View 10 есть опция «Автофокус в движении».
Если она заранее активирована в меню, то после тапа по объекту автоматика начинает отслеживать его перемещения, фокусируясь на нём постоянно.
Это удобно при съёмке детей или животных — тех, кто двигается быстро, а порой и вовсе молниеносно. Благодаря данной функции можно поймать интересный момент, который бы пропустил или смазал другой смартфон. Например, две собаки, носящиеся по двору, получаются такими же чёткими и резкими, как если бы они неподвижно стояли на месте.
Итоги
В данный момент самая актуальная технология фокусировки в смартфонах — фазовая. Она быстро и точно работает, а при недостатке освещения ей помогают программные ухищрения — такие, как специализированные интеллектуальные алгоритмы в Honor View 10, позволяющие автофокусу работать ещё более успешно в любых условиях.
Учи матчасть. Выбираем смартфон по камере
В серии материалов мы подробно разбираем техническую сторону смартфонов. Мы уже писали про процессоры и дисплеи. Сегодня речь пойдет о камерах. Ведь смартфоны уже давно являются той самой «лучшей камерой», которая всегда с собой. Камера смартфона уже давно стала основной причиной для обновления. Мы поговорим о технических характеристиках камер и развеем конфузы вокруг светосилы, диагонали сенсора и автофокусировки, а еще расскажем, что такое HDR, OIS и DPAF.
Гонка мегапикселей продолжается
Компактные камеры PowerShot, Cybershot, Coolpix и прочие мыльницы остались в прошлом-позапрошлом десятилетии. Но это не значит, что старые уловки маркетологов не работают. Работают еще лучше, чем раньше. И камеры телефонов перевалили за 100 мегапикселей.
Пиксели — маленькие квадратные точки, из которых состоит любое цифровое изображение. Это его строительные блоки. Они располагаются в строках и столбцах, как на шахматной доске, только в сильно уменьшенном формате. Если камера снимает в разрешении 12 мегапикселей, это значит, что конечное изображение будет построено из 12 млн пикселей, или же разрешение картинки составит 12 мегапикселей. Например, соотношение сторон 4:3 позволяет уместить те самые 12 млн пикселей в табличке 4000 на 3000. Более высокое разрешение означает более четкую картинку. Ну, или что-то вроде этого.
Мы любим большие цифры, но еще больше их любят маркетологи. Еще в эпоху компактных цифровых камер мегапиксельные гонки сводили с ума подкованную часть аудитории. Не стоит вестись на большое разрешение камеры в мегапикселях: оно не гарантирует лучшего качества снимков. Роль также играет очень много других факторов. О них ниже.
Размер сенсора
Высокое качество изображения по результатам многих исследований — одна из основных причин, по которым фотография считается хорошей и нравится другим людям. Физический размер сенсора вносит в качество картинки основной вклад. Сегодняшний цифровой сенсор — по сути, вчерашняя пленка, но не требующая замены и проявки. Когда телефон делает снимок, свет проходит через объектив и попадает на светочувствительную матрицу. Смартфон захватывает этот световой сигнал и превращает его в изображение.
Чем больше размер сенсора, тем больше света на него попадает. Чем больше света на него попадает, тем лучше качество изображения.
Размер сенсора указывает на его физические габариты, но в цифрах габаритов сенсора легко запутаться. Традиционно производители указывают размер сенсора в долях дюйма, что обозначается знаком ″ в конце дроби. Какое-то время стандартом был сенсор 1/3″. Не влезая в детали, чем ближе дробь к полному дюйму (1″), тем больше сенсор.
Например, Samsung и Xiaomi уже пробуют использовать гораздо бо́льшие (соответственно, 1/1.33″) сенсоры в своих флагманах, близок к ним и Huawei P40 Pro с 1/1.54″. В iPhone 11 Pro используется меньший сенсор — 1/2.55″.
Чем больше размер сенсора, тем труднее уместить его в компактный корпус телефона вместе с оптикой. Современные телефоны уже близки к этому пределу.
По площади сенсора смартфоны даже в лучших случаях в десятки раз уступают зеркальным полноформатным камерам.
Размер пикселей сенсора
Этот параметр упоминается не очень часто, но также является важным в определении того, хороша или плоха мобильная камера.
Размер пикселя соотносится с физическим размером каждого отдельного пикселя на матрице. Их измеряют в микрометрах, или микронах, используя греческие буквы µm или просто µ. 1 миллиметр равен 1000 микрометрам. Чем больше пикселей умещает производитель в сенсор, тем меньше они будут. Это на самом деле не очень хорошо, потому что тут начинают играть квантовые эффекты и пиксели становятся более подверженными цифровому шуму, особенно при слабом освещении.
Более крупные пиксели, в свою очередь, могут собирать больше ценной световой информации и, таким образом, демонстрировать более качественную картинку при слабом освещении.
Сенсор с размером пикселя 1,7 микрометра будет значительно лучше при слабом свете, чем маленький пиксель размером 1,0 микрометра. Другими словами, сенсор 1/2.5″ с 12 мегапикселями на борту имеет более крупные пиксели, чем такой же сенсор, в который втиснули 20 мегапикселей. Это значит, что 12-мегапиксельный сенсор, скорее всего, обставит 20-мегапиксельный по качеству при слабом освещении. Однако 20-мегапиксельный сенсор даст больше разрешения при хорошем освещении.
Размер пикселя — это характеристика светочувствительной матрицы. Производители используют различные модели сенсоров в разных телефонах. Технологии производства полупроводниковых сенсоров постоянно улучшаются такими производителями, как Sony, OmniVision, Samsung и другие. Поэтому смартфоны каждого нового поколения при, казалось бы, прочих равных будут снимать лучше только благодаря новым матрицам.
Во флагманских моделях смартфонов можно найти самые современные сенсоры последних поколений c размером пикселей от 1,4 до 2,44 микрометра. На простых смартфонах размер пикселей может быть маленьким, около 0,8 микрона.
Хотя смартфоны с камерами на 64 мегапикселя и больше тоже неизбежно получают пиксели в 0,8 микрона. Но тут есть уловка: биннинг пикселей 4:1, объединяющий квадратик 2×2 из четырех 0,8-микронных пикселей в один большой 1,6-миллиметровый пиксель. В случае флагмана Samsung S20 Ultra биннинг на его 108-мегапиксельной матрице идет уже в соотношении 9:1 (квадрат 3×3), и мы получаем «суперпиксель» размером 2,4 микрона. Но даже эти пиксели меркнут перед размером пикселя полноформатной зеркальной камеры: там он составляет 8,4 микрона и может быть даже больше. Именно поэтому тепловые эффекты любой электроники будут еще более заметны на маленьких пикселях при попытке усилить сигнал, тогда как на больших пикселях вклад шумов в соотношение будет невелик.
Объектив и его фокусное расстояние
Световое излучение и весь видимый свет распространяются прямолинейно. Когда свет проходит через линзу, лучи в какой-то момент сходятся в одной точке. В обычных камерах расстояние от точки схождения лучей до сенсора называется фокусным расстоянием и изменяется в миллиметрах.
Разные объективы отличаются числом линз, оптической схемой и обладают разными фокусными расстояниями. Фокусное расстояние в Samsung Galaxy S10, например, составляет 26 миллиметров в эквиваленте, что типично для широкоугольной оптики. Она имеет широкий угол обзор, а значит, в одной фотографии камера захватит больше пространства.
Бо́льшие фокусные расстояния означают уменьшенный угол обзора и большее увеличение — это характерно для так называемых телеобъективов. В Samsung Galaxy S10, к примеру, фокусное расстояние телеобъектива в два раза больше широкоугольного модуля и составляет 52 миллиметра в эквиваленте. Это значит, что Samsung S10 обладает 2-кратным оптическим зумом.
Ультраширокоугольные объективы отличаются еще бо́льшим углом обзора и еще меньшим фокусным расстоянием. Например, в случае ультраширокоугольной камеры Samsung S10 оно составит всего 12 миллиметров в эквиваленте.
Не все смартфоны выпускаются с тремя камерами с разной оптикой. Большинство из них имеют одну, максимум две камеры.
Фокусное расстояние и углы обзора камер отличаются у разных моделей смартфонов и производителей.
Обратите внимание, что фокусное расстояние камеры смартфона (например, 26 миллиметров) не является физическим расстоянием от точки схождения лучей до матрицы камеры смартфона. Смартфоны слишком маленькие для таких расстояний (иначе они не поместились бы даже в нашей руке), и это всего лишь визуальный эквивалент популярных 35-миллиметровых камер пленочной эпохи.
Объектив и его зум
Обычно во флагманском смартфоне сейчас три камеры: телефотообъектив, широкоугольная и ультраширокоугольная линза. Все эти объективы отличаются фокусным расстоянием и углом обзора. Когда вы зумируете на телефоне, он автоматически переключается между линзами, которые дадут нужную картинку. Ведь реализовывать на практике один объектив с зумом было бы глупо: он был бы темнее, не выдержал бы и единого падения, требовал бы скрупулезного ремонта.
Если вы захотите «отзумить» с основной камеры, телефон переключится на ультраширокоугольную. Если захотите «зазумить», телефон автоматически переключится на телеобъектив. Насколько сильно вы можете увеличить картинку, определяется телеобъективом камеры.
Оптический зум сохраняет качество картинки. Цифровой зум в последние годы стал сильно лучше, но все равно это не реальность, а цифровая симуляция оптического зума. В худшем случае детали будут просто размазаны, в лучшем — дорисованы алгоритмами. Камера просто обрежет картинку и затем растянет ее до размера изначального кадра.
Цифровой зум, по сути, единственная причина, по которой производители запаковывают в свои телефоны столько много мегапикселей. Он дает нам иллюзию увеличения.
Производитель и указание знаменитых брендов, таких как Zeiss и Leica, по сути, не говорит ни о чем, кроме кооперации брендов на уровне маркетинга и идей.
Объективы смартфонов могут производиться из пластика китайских вендоров и по чертежам немцев, а основной упор в коллаборации и вовсе может быть сделан на алгоритмы обработки сигнала и получение фирменных цвета и текстуры изображений модных камер.
Объектив и его светосила
Как правило, светосила — это изменяемая характеристика объектива. Она касается диафрагмы — круглого отверстия, которое может меняться в диаметре и тем самым уменьшать/увеличивать световой поток, который проходит к сенсору. Чем шире диафрагма, тем больше света попадет на сенсор, чем у́же, тем, соответственно, меньше света доходит до сенсора.
Степень открытости диафрагмы (опустим математические выкладки) измеряется в F-стопах. Низкий F-стоп (например, f/2) означает более открытую диафрагму. Чем больше цифра в F-стопе (например, f/8), тем у́же отверстие и тем меньше света проходит через объектив к сенсору.
В начале мы написали «как правило». Ведь в смартфонах, в отличие от обычных камер, диафрагма обычно фиксирована, и светосила отличается от телефона к телефону. Некоторые телефоны получают камеры со светосилой f/1.7, некоторые получают f/2.2 или даже f/1.4.
Причина, по которой смартфоны получают светосильные объективы, проста: критически важно, чтобы на микроскопическую оптику камеры и светочувствительный сенсор попадало как можно больше света. Это же позволяет ему лучше «видеть» в неблагоприятных условиях съемки.
Однако некоторые смартфоны получают фотомодели со сменной диафрагмой: например, Samsung S10 умеет снимать как при f/1.5, так и при f/2.4. При некоторых условиях (избыток освещения) закрытая диафрагма может уменьшать виньетирование по краям кадра, а также увеличивать резкость изображения. Можете проверить этот эффект сами, просто посмотрев через отверстие в ремешке своих часов.
Объектив как на подводной лодке — с перископом
Последние смартфоны Samsung и Huawei получили модули с большим оптическим зумом.
Этого удалось добиться только благодаря конструкции перископа, как в подводной лодке. Самая длинная часть оптической схемы таких камер лежит перпендикулярно внешней линзе внутри корпуса смартфона, потому что в прямую линию она бы просто не уместилась в худеньком корпусе современного телефона. Лучи на 90 градусов поворачивает или призма, или зеркало. Именно перископ позволил Samsung S20 и Huawei P30 Pro добиться оптического зума.
Автофокус
Автофокус описывает способность камеры смартфона добиться резкого изображения на любых расстояниях до объекта съемки.
Автофокусировка по контрасту (CDAF)
Это наиболее популярный тип фокусировки, и он используется в большинстве камер смартфонов — настолько часто, что его просто указывают как «автофокус». Но это не самая совершенная технология.
C автофокусом по контрасту камера смартфона перемещает объектив вперед-назад, пока не найдет точку, в которой изображение отличается наивысшей контрастностью.
То есть то положение, когда границы между объектами в кадре наиболее резкие, и будет самым контрастным изображением. И хотя этот метод дает отличные результаты по точности, он может быть медленным и с трудом наводиться на резкость при слабом освещении или на однородных объектах.
Видели, когда резкость картинки на телефоне «рыскала» туда-сюда и отказывалась давать резкую картинку? Это наш друг автофокус по контрасту не смог справиться со сценой.
Лазерный автофокус
Это не такая популярная технология фокусировки, но она все чаще используется в современных смартфонах. Телефон освещает сцену пучком инфракрасных лучей и замеряет время, которое потребовалось им, чтобы отразиться обратно в камеру. По времени она определяет расстояние до объекта. Исходя из этого простого расчета, камера фокусируется на рассчитанную дистанцию и гарантированно попадает в резкость.
Лазерный автофокус отличается высокой скоростью и может работать в темноте. К сожалению, ИК-излучатель используется довольно слабый, и на длинные дистанции он не добивает, максимум на 1,5 метра. Наиболее эффективно он работает при макросъемке и съемке на близких дистанциях.
Фазовая автофокусировка (PDAF)
Топовые производители смартфонов используют эту систему автофокусировки в своих флагманских устройствах из-за скорости и эффективности. На эту же систему автофокусировки полагаются производители в топовых репортажных зеркальных камерах.
С фазовой автофокусировкой небольшое количество реальных пикселей на сенсоре смартфона (2—5%) убрано и замещено на фазодетектные фотодиоды — особые пиксели, созданные специально для нужд автофокусировки. Используя сигнал с этих микродатчиков, алгоритм и может рассчитать, резкое ли изображение, и сразу знает, на какую дистанцию нужно сфокусироваться. То есть фокусировка может корректироваться из текущего положения объектива на лету и без «рысканья». Впрочем, на однородных поверхностях у фокусировки по фазам тоже могут быть затруднения.
Фокусировка Dual Pixel (DPAF)
Эта технология была первой придумана Canon и разбивала все пиксели на подпиксели, которые работали в парах и обеспечивали упомянутую выше фазовую фокусировку. Но по сути это улучшение технологии фазовой автофокусировки. Если в том случае используется не более 5% площади пикселей для фокусировки, то в случае Dual Pixel для автофокусировки можно использовать все 100% из-за специальной микроархитектуры пикселей. Это означает высокую скорость и точность фокусировки, потому что как только хотя бы одна пара из миллионов пикселей уверенно подтвердит наводку на резкость, остальные подхватят.
Оптическая стабилизация
Оптическая стабилизация, или Optical Image Stabilization (OIS), указывается в характеристиках многих топовых смартфонов. Другие телефоны могут иметь в описании камеры аббревиатуру EIS, что означает Electronic Image Stabilization — электронная стабилизация изображения.
OIS — довольно устоявшаяся технология, которая зарекомендовала себя еще в эпоху до смартфонов, но набирает популярность и в мобильниках. По сути, оптическая стабилизация — это компенсационный сдвиг отдельных линз или сенсора в противовес естественному сотрясению камеры в ваших руках. Это такой миниатюрный амортизатор, чтобы сохранить камеру максимально неподвижной в краткое мгновение съемки.
Стабилизатор помогает побороть размытость снимков и сделать фотографии более резкими. Минусы — это дополнительные тонкости производства и дополнительно занятое место в корпусе смартфона.
Электронная стабилизация изображения — не механическая, а программная функция. Этот способ задействует информацию со встроенного в любой смартфон гироскопического сенсора или путем отслеживания определенных точек на изображении/видео. После этого изображение анализируется, а ненужные сдвиги компенсируются или обрезаются по записям гироскопа. Электронная стабилизация особенно хорошо зарекомендовала себя при съемке видео, при съемке же фотографий ее преимущества сомнительны и идут рука об руку вместе с потерей качества.
Сенсор глубины (Depth Sensor, ToF Camera, ToF 3D Camera)
Сенсор глубины — маленький помощник многокамерных смартфонов, благодаря которому они могут снимать с небольшой глубиной резкости кадра и размытым фоном.
Основная камера работает вместе с датчиком глубины, который создает карту объема пространства. Так как обе камеры смотрят на сцену с немного разными перспективами, система может вычислить расстояние между объектами на картинке и отделить объекты переднего плана от фона. Она также используется при распознавании лиц (и для разблокировки лицом) и для автофокуса в слабом свете.
ToF-камера, или Time-of-Flight, работает по тому же принципу, что и лазерный автофокус. ToF-камера использует инфракрасную сетку точек, чтобы собрать данные об объеме сцены и расстоянии до объектов. А расстояние она замеряет по времени, которое нужно свету, чтобы отразиться от объектов сцены и вернуться в объектив.
HDR позволяет снимать изображения с широким динамическим диапазоном, то есть равномерной детализацией в очень темных и очень ярких участках кадра. С включенным HDR камера делает несколько снимков с разной яркостью.
После этого изображения собираются в конечную картинку, но из них берутся лишь части с наилучшей детализацией: отдельно светлые участки, отдельно темные, отдельно средние тона.
Вспышка
В смартфонах используются разные типы вспышек. Наиболее популярная — светодиодная вспышка, или LED. Эта вспышка использует высокоэффективные светодиоды, которые также могут работать в роли постоянного источника света при съемке видео.
Dual LED — вспышки используют два светодиода с разной цветовой температурой. В этом случае телефон определяет необходимую цветовую температуру или тон (теплее/холоднее) в зависимости от баланса белого в кадре, чтобы дать более естественный по атмосфере кадра цвет. Другие варианты LED-вспышек могут включать и четыре светодиода. Удивительно, но принципами работы True Tone — вспышки Apple не позволяет управлять даже разработчикам App Store.
Иногда можно встретить ксеноновые вспышки, они более мощные и с лучшими спектральными характеристиками света, но требуют больше энергии и не могут использоваться в качестве фонарика или при съемке видео.
Видео
Разрешение видео указывает на число пикселей, которое дисплей может демонстрировать по каждой стороне:
Число типа @24p указывает на число кадров в секунду, которое возможно при этом разрешении съемки. Например, 4K@24p означает, что видеозапись будет идти в 4K с частотой 24 кадра в секунду. Чем больше кадров в секунду указывается производителем, тем более плавным будет видеоряд. Сейчас смартфоны без проблем снимают видео частотой 60 к/c.
Высокая частота кадров, например 960 к/c, идеально подходит для замедленных видео. На такой частоте можно рассматривать в деталях самые быстротечные, забавные и нелепые процессы.
Процессор обработки сигнала (ISP) и невидимые алгоритмы вычислительной фотографии
Чтобы компенсировать свои недостатки, камеры телефона полагаются на вычислительную фотографию, то есть алгоритмы и хитрости обработки сигнала могут вносить более существенный вклад в качество картинки, чем физическая начинка. Создание изображения не заканчивается на сенсоре и объективе, оно там только начинается.
Хорошим примером этого можно считать ночной режим съемки, набирающий сейчас популярность во флагманах. Смартфоны не очень хорошо (как вы поняли, ужасно) подходят для съемки при слабом свете: сенсоры небольшие, пиксели ужасно маленькие. Так как с этим ничего не поделаешь без превращения телефона в громадину, смартфонам приходится хитрить, благо вычислительные мощности современных телефонов кладут на лопатки некоторые компьютеры.
За качество изображения отвечает специальный процессор обработки сигнала (ISP) — мозг мобильной камеры. Он перехватывает на себя весь поток массива данных с сенсора. Прежде чем мы получим конечную картинку, он проведет триллионы манипуляций.
Они включают демозаику байеровской структуры сенсора, «вычисление» цвета пикселей, подавление шумов, коррекцию теней и светов, выделение однородных зон и дополнительную очистку их от шума, исправление искажений оптики, ретушь телесных тонов, создание HDR, особые алгоритмы съемки в ночном режиме, электронную стабилизацию, цветокоррекцию, сжатие и много чего еще. Также нейронные алгоритмы ISP натренированы огромной базой данных и сверяют цвета картинки с наиболее оптимальными.
В отличие от механического затвора, электронный затвор камеры может кодироваться на самые невероятные комбинации для сбора серии кадров: брекетинг экспозиции, по времени, движению и много чего еще доступно нам благодаря светлым умам инженеров.
В этом плане наиболее продвинулись инженеры Google и Apple, но не перестают удивлять Samsung и Huawei. К радости всех мобильных фотографов, жесткая конкуренция продолжается. Но конкретных метрик тут нет: читайте отзывы, снимайте сами и смотрите, насколько камера понимает ваши мысли при съемке. Если кажется, что смартфон понимает вас без слов даже в сложных условиях, берите смело и снимайте на радость.