15 ноября 2017

Мегапиксели в наших смартфонах: больше – не значит лучше?

Константин Иванов

По материалам androidauthority.com

Шел 2012 год. Рынок смартфонов был уже вполне зрелым, но качество снимков, сделанных на мобильные устройства, все еще оставляло желать лучшего. Большинство производителей смартфонов только начали уделять этому особое внимание в последние годы, и мобильной фотографии предстоял еще долгий путь. И вот появился аппарат Nokia PureView 808.

В нем была оптика от Carl Zeiss, первый на рынке 41-мегапиксельный сенсор и мощное ПО. PureView 808 был призван стать первым смартфоном, который перевернет представления о мобильной фотографии. На следующий год Nokia выпустила легендарный Lumia 1020 с трехосевой оптической стабилизацией изображения вкупе с расширенным и усовершенствованным приложением камеры. Сохранив то же разрешение 41 МП, Lumia 1020 использовал улучшенный сенсор с технологией обратной засветки. И даже работал на Windows Phone 8, а не на нокиевской Symbian.

Казалось бы, с таким сочетанием аппаратных и софтовых характеристик Lumia 1020 надолго задал тон на рынке. Так почему мы с тех пор не видели смартфонов с такой же технологией?

Дифракция, диски Эйри и качество изображения

Ответов на этот вопрос может быть много. Один из них связан с понятием дифракции, так что придется немного углубиться в технические дебри.

Обычно световые волны распространяются прямолинейно. Когда они проходят сквозь газ, жидкость или отражаются от определенных поверхностей, они меняют свою траекторию. Дифракция – это явление, когда световые волны встречают препятствие, заставляющее их огибать его, неизменно вызывая интерференцию.

Если вы представите себе препятствие в виде стены с небольшим круглым отверстием, проходящие сквозь отверстие световые волны будут испытывать по крайней мере некоторую степень дифракции. Степень дифракции будет зависеть от размера отверстия. Большее отверстие (позволяющее большей части световых волн пройти сквозь него) вызовет меньшую дифракцию, а меньшее отверстие (задерживающее большую часть волн) – соответственно, большую дифракцию. Нечто подобное происходит и в объективе камеры. Два изображения ниже помогут представить себе феномен дифракции.

Как вы можете видеть, дифрагированный свет распространяется наружу, образуя концентрический рисунок. В объективе камеры, когда свет проходит сквозь диафрагму, похожий концентрический рисунок образуется на сенсоре. В центре находится яркое пятно, а вокруг – концентрические окружности. Это яркое пятно в центре носит название диска Эйри, а рисунок называется узором Эйри. Они были названы в честь сэра Джорджа Бидделя Эйри, впервые наблюдавшего феномен в 1835 году, а потом давшего ему объяснение. В целом, более узкая диафрагма ведет к более высокой дифракции, а значит, большему размеру дисков Эйри.

Размер дисков Эйри и расстояние между соседними дисками играют важную роль в общей детализации и четкости итогового изображения. Во время съемки свет проходит сквозь объектив камеры, образуя на сенсоре множество дисков Эйри.

Дифракционно-ограниченные оптические системы

Сенсор камеры – это, по сути, решетка пикселей. Когда делается кадр, сенсор освещается, и пиксели преобразуют информацию о свете в цифровое изображение. На меньших сенсорах с более высоким разрешением, где плотность пикселей велика, диаметр дисков Эйри может быть больше, чем размер одиночного пикселя, что заставляет диски распространяться на несколько пикселей, а в результате мы имеем заметную потерю в четкости изображения.

В случае с узкой диафрагмой эта проблема усугубляется, когда многочисленные диски Эйри начинают перекрывать друг друга. Вот что означает понятие «дифракционно-ограниченный» — дифракция сильно снижает качество изображения, созданного системой, в которой имеются такие проблемы. Бороться с этим можно множеством разных интересных способов.

В идеале нам требуется, чтобы размер одного диска Эйри был настолько мал, чтобы он не распространялся за пределы одного пикселя на многие другие. На большинстве недавних флагманов размеры пикселей ненамного меньше диаметров дисков Эйри в этих системах. Но для того, чтобы избежать перекрывания дисков, в случае с настолько малыми размерами сенсоров требуется ограничить их разрешение. Если этого не сделать, а поднять разрешение, не увеличив размер сенсора, это негативно скажется на качестве изображения. Что еще хуже, на меньшие по размеру пиксели попадает меньше света. Так страдает съемка в условиях недостаточного освещения.

Пусть это и кажется нелогичным, но, тем не менее, сенсор с меньшим разрешением может иногда давать изображение лучшего качества просто потому, что описанную проблему можно решить за счет применения больших пикселей.

Однако большие пиксели не могут передать изображение с достаточной детализацией. Для того, чтобы максимально точно воспроизвести всю информацию, которая идет от источника, частота дискретизации должна в два раза превышать наивысшую частоту сигнала. В англоязычной литературе это утверждение называется теоремой Найквиста, а в нашей – теоремой Котельникова. Говоря проще, самыми четкими будут фотографии, имеющие разрешение в два раза больше заданного размера.

Но вышесказанное справедливо лишь в случае с идеальным сигналом, получению которого в камерах смартфонов препятствует дифракция. Так что сенсор аппарата Nokia мог скрыть часть своих недостатков благодаря высокому разрешению и дискретизации, но фотографии с него не были и близко такими четкими, какими предполагались.

Итак, в смартфоне, неизменно накладывающем ограничения в размерах, потеря качества изображения, вызванная дифракцией, стала насущной проблемой, особенно в сенсорах меньшего размера с высоким разрешением.

Эволюция камер в смартфонах

Смартфоны и их камеры проделали в своем развитии долгий путь, но они не в состоянии отменить действие законов физики. Несмотря на то, что в Nokia предпочли сочетание большого сенсора и высокого разрешения, лидеры индустрии решили ограничить разрешение сенсора, чтобы минимизировать проблемы, вызванные дифракцией. Как видно из таблицы ниже, первый Pixel со скромными характеристиками камеры имеет меньше проблем с дифракцией, чем Lumia 1020, особенно если принимать во внимание совершенствование сенсоров с течением времени.

Сенсоры, процессоры обработки изображений и программные алгоритмы на основе искусственного интеллекта значительно усовершенствовались в последнее десятилетие. Но все, что им доступно, – лишь компенсировать потерю качества изображения в дифракционно-ограниченных оптических системах. Сенсор Lumia 1020 был новым словом в 2013 году, но сенсоры современных Android-смартфонов дают лучший результат абсолютно по всем показателям, занимая при этом на 40% меньше места.

Заключение

41-мегапиксельный сенсор Nokia использовал дискретизацию, чтобы скрывать свои недостатки. А между тем проще и дешевле сделать сенсор с более рациональным разрешением, чем возвращаться во времена мегапиксельных войн. Поэтому мир Android смартфонов стал развиваться в более логичном направлении, а эксперимент Nokia с 41 мегапикселем стал в своем роде нарицательным – но не благодаря успешности такого решения.

В обозримом будущем смартфоны продолжат оснащать сенсорами на 12 – 16 МП. А лучшее качество снимков будет достигаться посредством оптимизации аппаратно-программной экосистемы в противовес сенсорам со сверхвысоким разрешением.