quad камера что это такое
Что такое Quad Pixel, Quad Bayer и Tetracell
Последнее обновление: 26/08/2020
С конца прошлого года в продаже появились смартфоны с камерами на 48 и 64 МП, а позднее и на 108 МП. Такие модули совмещают высокую светочувствительность и детализацию при увеличении снимка. Секрет кроется в объединении нескольких соседних пикселей матрицы камеры в один, а такая структура получила название Quad Pixel, Quad Bayer и Tetracell. Из статьи вы узнаете принцип работы такой технологии, основные возможности, преимущества и недостатки.
Строение камеры
Для лучшего понимания работы технологий Quad Pixel, Quad Bayer и Tetracell сначала стоит объяснить, как устроена камера в смартфоне. 1
Основной элемент камеры – светочувствительная матрица, состоящая из миллионов пикселей размером в среднем 1-1.5 мкм каждый. Чем крупнее пиксель в матрице, тем больше улавливается фотонов света. Соответственно при низкой освещенности качество и детализация фотографии с крупным пикселем выше. При этом физические размеры матрицы строго ограничены и крупные пиксели не позволяют увеличить разрешение снимка.
Проходящий сквозь оптику свет улавливается каждым пикселем индивидуально, после чего формируется изображение. Исходная картинка получается чёрно-белой, поскольку пиксели не различают цвет, а только свет. Цветной картинка получается за счет наложенного сверху цветного фильтра и программной обработки.
Классический цветной фильтр состоит из трех цветов – красного, синего и зеленого. Причем на один красный и синий цвет приходятся два зеленых, из-за особенностей человеческого зрения. Каждый цвет покрывает группу пикселей в шахматном порядке, в результат чего получается цветная мозаика соответствующая размеру матрицы. Такое расположение именуется фильтром Байера (Bayer), названного в честь основателя Брюса Байера.
При прохождении света сквозь цветной фильтр получаются 3 картинки с соответствующим цветом. Далее процессор сводит полученные изображения и раскрашивает снимок, для чего используется информация соседних пикселей.
Особенности Quad Pixel, Quad Bayer и Tetracell
В Quad Pixel, Quad Bayer и Tetracell используется одинаковый принцип работы. Разница лишь в зарегистрированных торговых названиях разными компаниями: Quad Bayer – Sony, Tetracell – Samsung и тд. Цветной фильтр покрывает группу из четырех пикселей блоком 2х2 без изменений схемы чередования цветов. Благодаря этому сенсор способен работать как в полноразмерном режиме с использованием всех пикселей, так и в режиме объединения 4 в 1.
В режиме объединения физическое разрешение фотографии снижается в 4 раза. Поэтому размер снимка с 48-МП сенсора сопоставимо с 12-МП сенсором с классическим порядком пикселей. При этом у массива из четырех пикселей выше светочувствительность за счет увеличенной площади. В качестве примера сравнение 48-МП камеры с Quad Pixel в Motorola Moto G8+ и Moto G6 с обычным 12-МП сенсором.
Характеристики модулей камер обоих смартфонов несколько отличаются, при этом в условиях слабого уличного освещения снимок с G8+ ярче и содержит больше деталей.
С обильным солнечным освещением на общем плане кадр одинаково хорошо смотрится с обеих камер. При этом яркость снимка у G8+ выше, как и детализация при увеличении. Фотографии в оригинальном разрешении.
Если же программное обеспечение позволяет вручную выбирать режим работы, склейка пикселей эффективна при съемке в условиях низкой освещенности. Днём или в помещении с обилием света рационально использовать пиксели всё матрицы для получения полноразмерного кадра.
Основные преимущества
Основные недостатки
Вывод
В статье подробно описано, что такое Quad Pixel, Quad Bayer и Tetracell. Технология объединения нескольких пикселей в один позволяет достичь компромисса между светочувствительностью и разрешением без увеличения физического размера фотоматрицы.
При этом программное объединение нескольких пикселей выставляет дополнительные требования разработчикам, в частности новые алгоритмы обработки и раскраски фотографии. Поэтому в некоторых смартфонах камера работает только в режиме объединения пикселей с уменьшением максимального разрешения в 4 раза. С другой стороны технология позволяет повысить детализацию и яркость снимка без существенных изменений. Поэтому в ближайшее время стоит ожидать матрицы больше 108 МП с объединением 9 пикселей в группу или больше.
А что думаете вы? Поделитесь мнением в комментариях под статьей.
Почему в камерах смартфонов много пикселей: польза или маркетинг
Содержание
Содержание
В век цифровых технологий все компании в мобильной индустрии придерживаются девиза 3 Б «больше, быстрее, безрамочнее». Процессоры становятся более производительными и энергоэффективными, уже выходя за рамки гаджетов. Площадь экрана все увеличивается и увеличивается, покрывая всю лицевую часть и стремится к заветным 100 %, а в случае Xiaomi Mi Mix Alpha выходит за рамки фронтальной части смартфона, переходя на корпус.
Вот и мегапикселей в камерах все больше и больше, как, впрочем, и самих модулей. Есть ли польза от такого количества пикселей или же это всего лишь маркетинг? На данный момент уже есть модули на 48 Мп, 64 Мп, 108 Мп и даже готовится на 150 Мп от Samsung. Но такие значения характерны для бюджетных и среднеценовых смартфонов. В премиальном сегменте больше 48 МП у камер вы не встретите. Исключениями являются Huawei P 40 Pro с 50 МП и Samsung S 20 Ultra с 108 МП, что наводит на мысль: а почему во флагманах нет таких «крутых» фотомодулей?
Общие понятия о характеристиках камер
Разрешение камеры
Разрешение камеры измеряется в пикселях (точках). Чем больше мегапикселей, тем больше деталей будет на фотографии, это хорошо проявляется при увеличении фото — четкость и детализация будут возрастать. При увеличении Мп в сенсоре должна либо возрастать площадь матрицы, либо должно быть сокращения размера пикселя.
Размер объектива
Чем больше размер объектива, тем больше света он может физически пропустить через себя. Не стоит забывать про качество исполнения линз, если их прозрачность далека от идеала и элементы недостаточно подогнаны, хороших фотографий можно не ждать.
Зум — способность фотокамеры увеличивать изображение во время съемки с предварительной фокусировкой. Существует два вида зума: цифровой (софтверный) и оптический.
Стабилизация изображения
Так же как и зум, стабилизация бывает цифровой и оптической. Цифровая стабилизация считается программной, а вот оптическая приводится в действие с помощью маленьких гироскопов, которые физически перемещают объектив камеры во избежание каких-либо движений, это и обеспечивает снимок высокой четкости.
Матрица
Матрица — это ряд светочувствительных фотодиодов с нанесенным на них тончайшим фильтром. Размер матрицы напрямую влияет на количество пропускаемого света, это ведь важно для качества изображения, опять же чем больше света способна пропустить матрица, тем качественней будет конечная фотография.
Диафрагма
Говоря по-простому, диафрагма — это «отверстие в объективе», которое пропускает свет в матрицу. Диафрагма регулирует световой поток, что дает возможность изменять глубину резкости. Чем ниже данный показатель, тем лучше детализация фотографии в темноте и выше скорость съемки.
Иногда производители камер для смартфонов интегрируют переменную диафрагму, например, Samsung S9 и S9+. Это должно было хорошо сказаться на фотографиях, но оказалось — при маленькой матрице переменная диафрагма попросту лишняя и маркетинговая уловка.
Дополнительные модули
Существует несколько видов: широкоформатный (ширик), телеобъектив (телевик), черно-белый, цветной и с эффектом боке.
Программное обеспечение
Софтверная часть занимает львиную долю работы с фото, поскольку уже не единожды смартфоны Google Pixel с одним 12 МП модулем доказали, что качественную картинку можно получить с помощью анализа и подбора оптимальных настроек. Именно ПО позволяет максимально раскрыть потенциал камеры.
Bayer
На сегодняшний день известно несколько основных структурированных технологий размещения светофильтров пикселей в камере: Bayer, Quad Bayer, TetraCell и NanoCell.
NonaCell в камерах от Samsung не путать с Nanocell от LG в телевизорах.
Bayer — это двумерный массив цветофильтров, покрытых фотодиодами матрицы. В классическом фильтре Байера применяются светофильтры трех основных цветов RGB. Как видно на первом рисунке, количество зеленого цвета больше, чем у красного и синего цветов. Также разрабатывались другие светофильтры, но данный фильтр Bayer широко распространен.
Принцип работы светофильтра Bayer
Quad Bayer/Tetracell
Quad Bayer — это структура размещения светофильтров пикселей в модуле камеры и разбивание пикселя на группы по четыре субпикселя. То есть соседние субпиксели в квадрате 2х2 накрываются общим светофильтром RGB, а точнее — GR-GB.
Принцип работы Quad Bayer
Quad Bayer/TetraCell — удешевляет процесс производства модулей камер для смартфонов благодаря «разбивке» пикселей и их группировке под одним большим покрытием, что ведет к увеличению разрешения. Если бы производитель хотел «честные» 48 мегапикселей, то ему бы пришлось утончать тех процесс, а тут всего лишь используется тоже самое покрытие в 12 мегапиксельной версии.
Quad Bayer это термин активно используемый в камерах Sony, TetraCell тоже самое только от Samsung.
Но все таки имеются и плюсы данных технологий:
Это работает только при хорошей оптимизации и, зачастую, во флагманских устройствах.
Nonacell
Отдельного упоминания стоит NonaCell от компании Samsung. Этот тот же Bayer, только с формированием группы субпикселей 3х3. Данная структура будет применяться в 150 МП модулях камер, но пока неизвестно, будут ли улучшения по сравнению с предшественником.
Сравнение Tetracell и Nonacell
На этой картинке виден изначальный размер субпикселя 0,8µm, на Tetracell 2х2-1,6µm и Nonacell 3х3-2,4µm. Так же идет «искусственное» увеличение пикселей, не ведущее к заметному повышению качества изображения.
NonaCell — это усовершенствованная версия Tetracell, формирующая группы 3х3 субпикселя.
Специфика камер со структурой Quad Bayer/Tetracell/Nonacell делает их интересным решением на рынке сенсоров. Как говорилось выше, данные структуры хорошо себя показывают при достаточной освещенности, в темное время суток, также при однокадровом HDR, который позволяет уменьшить время съемки. Но все это работает только при условии качественного ПО, что доказывают 12 МП модули флагманов «яблочка» и «корпорации добра».
Так уж повелось маркетологи приучили нас мерить качество фотографий мегапикселями и это выливается в хорошую картину: 48 МП = 12 МП, 64 МП= 16 МП, 108 = 27 МП, а 150 МП = 16,6 МП.
Плюсы и минусы Quad Bayer и Tetracell в камерах смартфонов
Технология объединения нескольких пикселей под одним цветовым фильтром — очередной виток в гонке мегапикселей. Даже в среднеценовой категории смартфонов уже есть обладатели камер с разрешением не только 48, но и 64, и даже 108 Мп. Какие плюсы есть у технологий Quad Bayer, Tetracell и подобных, а в чем все-таки придется пойти на компромисс?
Основа обычной камеры — это светочувствительная матрица с огромным количеством пикселей, размер каждого из которых составляет 1–1,5 мкм. Более крупные пиксели улавливают больше света, поэтому матрица с крупными пикселями выдает лучшее качество снимков при плохой освещенности. Но физический размер матрицы ограничен, поэтому разрешение снимка остается таким же.
Чтобы изображение стало цветным, на пиксели накладывается цветной фильтр и все это «допиливается» с помощью ПО. Классический фильтр — так называемый фильтр Байера, где используются красный, синий и два зеленых цвета, покрывающие пиксели в шахматном порядке. Когда свет проходит через фильтр, полученные цветные изображения объединяет и «раскрашивает» уже процессор.
В Quad Bayer, Tetracell и подобных технологиях цветофильтр покрывает сразу 4 пикселя — группу 2х2, благодаря чему матрица может задействовать как все пиксели по одному, так и блок целиком. Разницы в технологиях нет — это просто зарегистрированные разными брендами названия: Quad Bayer принадлежит Sony, Tetracell — Samsung.
При таком склеивании пикселей разрешение снимка снижается в 4 раза, и обычно этот режим используется в камере смартфона по умолчанию. Так фотографии занимают меньше места, да и при нормальной освещенности объединять пиксели нет нужды. При плохом освещении можно выбрать режим объединения пикселей для лучшей детализации изображения.
Итак, какие плюсы у есть у Quad Bayer и Tetracell?
Недостатки
Но, несмотря на все минусы, технология склеивания пикселей позволила производителям смартфонов участвовать в дальнейшей гонке мегапикселей и улучшать качество фото. Сейчас уже есть устройства с камерой разрешением 108 Мп, планируется выпуск 150-мегапиксельных сенсоров, и даже интересно, что нас ждет дальше.
Квадрокамера в смартфоне: что это такое, зачем нужна, плюсы и минусы
Год от года число камер в смартфоне растет, как на дрожжах. Еще совсем недавно трендом было наличие двух модулей в тыльном блоке. Не успели пользователи (да и разработчики) привыкнуть к новшеству – глядь, а их уже стало три!
Мало! Мало! Больше камер богу камер! Вот уже и фронталки стали двойными, а количество объективов на тыльной стороне девайса увеличилось до четырех.
Спрашивается: кому и зачем нужна квадрокамера в смартфоне? Неужели нельзя было обойтись без нее? Будем разбираться.
Квадро квадро рознь
Устанавливать четыре и даже более объективов в свои модели разработчики начали еще за пару лет до того как это стало мейнстримом.
Например, можно припомнить диво дивное под названием Nokia 9 PureView. «Глазки» на задней панели у этой модели были собраны в шестилепестковую «ромашку».
Правда, камер из них было всего пять, включая «серединку»: два оставшихся места были заняты вспышками.
Или более близкий к современному стандарту отрасли Huawei Mate 30 Pro, у которого имелось четыре объектива: основной светосильный, широкоугольник, телевик и сенсор ToF.
Вот только подобные конструкции были прерогативой в основном флагманских моделей. Камеры были хорошо проработаны с точки зрения железа и софта, оснащены разнообразными полезными функциями и в целом своему назначению соответствовали.
А вот сегодня сплошь и рядом наблюдается иная картина. К и без того плохонькому объективчику на 13-16 МП лепится три вовсе уж ублюдочных, по 2, а то и по 0,3 МП, которые зачастую вообще не работают – и вся эта конструкция с гордостью объявляется «квадрокамерой».
Доходит до того, что у некоторых особо ушлых ноунеймов на самом деле сенсор только один, а остальные глазки – декоративные. Ага, камера «была очень похожа на настоящую, но не работала».
В чем разница?
Во флагманских камерофонах дополнительные объективы зачастую носили именно «дополнительный» характер. Например, с их помощью можно было получить более качественные снимки с основного в условиях плохого освещения.
Очень часто для этого использовались монохромные сенсоры, полностью аналогичные основному, но без байеровского фильтра. Хотя без манипуляций с фокусным расстоянием тоже не обходилось: были отдельные ширики и телевики.
А вот в современных бюджетниках используются четыре практически не связанных между собой (если не считать сенсора глубины) модуля.
Как правило, это основной светосильный сенсор более-менее высокого разрешения, ультраширокоугольник, макрообъектив и тот самый ToF сенсор.
Камеры смартфонов с матрицами Sony и Samsung. Что такое Tetracell и Quad Bayer?
Sony и Samsung являются основными поставщиками камер (матриц) для современных смартфонов, занимая около 80% всего рынка. За последние несколько лет эти компании проделали невероятный путь, внедряя самые передовые технологии из мира больших зеркальных камер в крохотные сенсоры мобильных телефонов.
Самый популярный 48-мегапиксельный сенсор 2019 года Sony IMX586 устанавливался на большинстве средне-бюджетных и флагманских камерофонах прошлого года. А Samsung и вовсе прошла путь от 12-мегапиксельных матриц до невероятного во всех смыслах 108-мегапиксельного сенсора, установленного на Xiaomi Mi Note 10.
Но с каждым новым смартфоном простому пользователю становится все труднее разобраться во всем этом разнообразии технологий. В интернете то и дело публикуются «разоблачения», будто всё это сплошной маркетинг. А тем временем в технических характеристиках появляется всё больше непонятных терминов: PDAF, Quad Bayer, Dual Pixel, ISOCELL Plus и пр.
В этой серии статей я попытаюсь максимально понятно и, в то же время, подробно рассказать обо всех основных технологиях, используемых в современных матрицах от Sony и Samsung.
Первая часть статьи будет посвящена базовым принципам работы матриц с высоким разрешением и, в частности, технологиям Tetracell от Samsung и Quad Bayer от Sony.
Но перед этим нам необходимо разобраться, как вообще работает обычная матрица, используемая в камере смартфона. Если эта информация вам уже известна, смело переходите к следующему разделу!
Как устроена матрица камеры обычного телефона?
Фотоматрица — это специальная микросхема, состоящая из миллионов светочувствительных ячеек, называемых фотодиодами. Матрица в камере смартфона — это аналог пленки в старых пленочных фотоаппаратах.
Свет, попадая на фотодиод, генерирует электрический заряд. Чем ярче этот свет, то есть, чем больше фотонов удалось собрать в одной ячейке, тем выше будет электрический заряд. Камера устанавливает определенную выдержку (время «сбора» фотонов), по окончании которой измеряется заряд каждого отдельного фотодиода и переводится в числовое значение от 0 до 255, где 0 — это отсутствие заряда/света, а 255 — максимальная яркость.
В итоге, мы получаем черно-белую фотографию, состоящую из миллиона маленьких точек разной яркости. Чем выше был заряд определенного фотодиода в момент съемки, тем ярче соответствующая ему точка/пиксель будет отображаться на фотографии:
Но так как в реальности эти точки гораздо меньшего размера, то вместо непонятных квадратиков мы получаем красивую черно-белую фотографию:
Все очень просто, не так ли? Но почему фотография получилась черно-белой?
Дело в том, что цвета не существует. Понимаю, это звучит странно, но, тем не менее, цвет — это не более, чем наши субъективные ощущения.
Немножко интересных фактов о цвете
Световые волны имеют разную длину и наши глаза способны воспринимать только очень маленький диапазон этих волн. Самые короткие из них воспринимаются нами, как фиолетовый цвет, а самые длинные — как красный. Ну и где-то посредине находится зеленый, а также все видимые оттенки между ними.
Но вот, к примеру, если делать рентгеновский снимок, мы не увидим никакого цвета, а ведь это такой же свет, как и свет от лампочки, только с более короткой волной. Мы даже представить себе не можем, как бы мог выглядеть цвет рентгеновских лучей. Не обидно ли?
Но нам это и не нужно, так как эти лучи не отражаются от предметов и, соответственно, бесполезны для наших глаз. Ведь и предметы, окружающие нас, мы видим только по той причине, что они отражают свет. Так что, трава — не зеленая, она просто отражает волны соответствующей длины, а наш мозг запрограммирован эту длину изображать зеленым цветом. Так проще и приятнее.
Возвращаемся к матрицам
Для того, чтобы и матрица смогла «увидеть» цвета, мы просто накрываем каждый фотодиод фильтром определенного цвета: красного, зеленого и синего. Теперь каждый фотодиод будет воспринимать яркость световой волны только одного цвета, соответствующего фильтру:
Другими словами, каждый фотодиод будет получать 1/3 яркости света, падающего на него, так как из этого света исключены все волны другой длины. Получается, мы можем из 3 фотодиодов «собрать» заново исходный цвет, смешивая в нужных пропорциях их значения. Ведь, как известно, для получения любого цвета, нам нужно знать лишь в каких пропорциях «смешивать» красный, зеленый и синий цвета.
Если значения красного, зеленого и синего цветов будут равняться нулю (напомню, камера переводит заряд каждого фотодиода в числовое значение от 0 до 255), получается черный цвет. Если все три фотодиода имели максимальный заряд (значение 255 для красного, зеленого и синего цвета), получается белый цвет. Если красный и зеленый цвет равняются 255 (то есть, фотодиоды, накрытые этими фильтрами, имели максимально высокий заряд), а синий — нулю, тогда получим желтый цвет и так далее.
Все просто? Не совсем. Давайте представим, что наш смартфон имеет камеру на 16 пикселей (не мегапикселей, а именно пикселей), то есть, всего 16 фотодиодов будут регистрировать попадающий на них свет. Вот как будет выглядеть матрица такой камеры с накрытыми цветными фильтрами:
Вы, наверное, заметили, что цветные фильтры распределены как-то странно — в каждой условной ячейке 2×2 находятся один синий, один красный и два зеленых фильтра. То есть, зеленых фильтров в 2 раза больше, чем красных или синих.
В далеком 1976 году сотрудник фирмы Kodak по имени Брайс Байер предложил использовать по 4 фильтра для каждого пикселя, причем фильтров зеленого цвета — в 2 раза больше. Связано это, скорее всего, с тем, что зеленый цвет находится ровно посредине спектра и он включает в себя часть синего и красного цвета. То есть, зеленые фотодиоды будут воспринимать больше света. А больше света — лучше качество. Плюс, наши глаза более восприимчивы к зеленому свету.
Этот фильтр так и называется «Фильтр Байера» (Bayer Filter). Он получился настолько удачным, что до сих пор является самым популярным в мире. Есть и другие фильтры, в частности, на смартфоне Huawei P30, обзор которого мы делали. Там вместо зеленых фильтров используются желтые. Также встречаются фильтры, где вместо второго зеленого используется «белый фильтр», то есть, фильтр по сути отсутствует и этот диод воспринимает больше света, чем другие.
Что не так с фильтром Байера?
Вернемся к нашей 16-пиксельной матрице. Вот мы сделали снимок и теперь нам нужно восстановить цвет каждой из этих 16 точек. У нас же 16-пиксельная камера, значит и фотография должна быть «16-пиксельная», верно? Как же это сделать?
Посмотрите еще раз на картинку выше. По сути, красные цвета зарегистрировали только 4 пикселя (фотодиода), также и синий цвет зарегистрировали только 4 пикселя. А еще 8 пикселей зарегистрировали зеленый цвет.
Получается, у нас есть всего 4 набора каждого цвета, плюс, 4 «лишних» зеленых цвета. То есть, мы можем полноценно восстановить оригинальные цвета только 4 пикселей на финальной фотографии:
Так что же это получается, никакой 16-пиксельной матрицы у нас и не было? Мы же можем восстановить только 4-пиксельную фотографию.
С камерами iPhone 11 Pro или Galaxy Note10, которые имеют по 12 мегапикселей, дела обстоят ровно так же. Они используют тот же Bayer-фильтр, что и на схеме выше. И вместо 12 мегапикселей у нас есть суммарно только 3 мегапикселя, содержащих все три цвета + еще 9 мегапикселей, захвативших только зеленый спектр света.
Но почему тогда камера того же iPhone 11 Pro выдает 12-мегапиксельные снимки вместо 3-мегапиксельных?
На помощь приходит процесс дебайеризации!
Чтобы получить красочный снимок в полноценном разрешении, нужно взять каждый фотодиод (пиксель) и добавить к нему недостающие цвета.
Если посмотреть на нашу 16-пиксельную матрицу, тогда для первого пикселя синего цвета нужно добавить еще красный и зеленый, а для пикселя зеленого цвета — добавить информацию о красном и синем цвете. Но где же ее взять, если один фотодиод зафиксировал количество света (или яркость света) только одного цвета?
Для этого снимок проходит обработку специальным алгоритмом дебайеризации или демозаики, то есть, процессор путем интерполяции вычисляет недостающие компоненты цвета для каждой точки.
А сейчас следите внимательно за мыслью. Если посмотреть на любую группу из 4 пикселей, то каждый из этих пикселей может принадлежать и другой группе (рядом стоящей).
Например, если условно выделить фиолетовым цветом группу из 4 пикселей (каждому из которых не хватает по 2 цвета для правильного восстановления), тогда красный пиксель одновременно будет принадлежать и другой группе из 4 пикселей, выделенных оранжевой пунктирной линией. А синий пиксель в то же время может принадлежать еще одной группе из 4 пикселей, выделенной на картинке желтой пунктирной линией (все остальные цвета я сделал приглушенными, чтобы они не отвлекали внимание):
То есть, фактически, вокруг каждого пикселя можно построить по 4 группы, содержащие все нужные цвета. А дальше математическим путем определить, какой же реальный оттенок должен иметь каждый пиксель.
Процесс дебайеризации может показаться немножко сложным, но если вы до конца не поняли, откуда мы берем недостающие цвета — ничего страшного, для понимания остальных технологий это не имеет значения.
Что такое Quad Bayer и Tetracell? Или как работают камеры со сверхвысоким разрешением (48, 64 и 108 Мп)
Чуть выше мы рассмотрели, как работает классический фильтр Байера, который используется практически во всех камерах современных смартфонов. Но когда речь заходит о новых камерофонах с очень высоким разрешением (от 48 Мп и выше), здесь все устроено немного по-другому.
Вместо фильтра Байера (Bayer) используется так называемый Quad Bayer (от англ. Quad — четыре). Расположение и количество цветных фильтров здесь в точности соответствует таковому на обычной матрице, только вместо одного фотодиода, под одним цветным фильтром размещается сразу 4 фотодиода.
Схематически можно изобразить Quad Bayer следующим образом:
Как видим, один общий синий фильтр прикрывает сразу 4 физических фотодиода, то же касается и других цветов. Если на обычной матрице 2×2 под фильтрами скрываются 4 фотодиода, то в матрице Quad Bayer 4 фильтра (2 зеленых, красный и синий) накрывают 16 физических фотодиодов.
Получается, если физический размер одного пикселя в классической матрице составляет 1.4 мкм, то в матрице Quad Bayer/Tetracell он равняется 0.8 мкм. Но если мы сравним размеры по цветным фильтрам, тогда в классическом варианте будем иметь все те же 1.4 мкм (так как один фильтр имеет такой же размер, как и сам фотодиод), а в Quad Bayer получится 1.6 мкм, ведь под одним фильтром помещаются 4 фотодиода.
Сразу стоит уточнить, что название Quad Bayer принадлежит компании Sony, в то время, как Samsung зарегистрировала для ровно такого же фильтра свое название — Tetracell. Но оба эти понятия означают одно и то же. Отличаются лишь «торговые марки» технологий. Поэтому, иногда я также буду заменять одно название другим.
В чем смысл Tetracell и Quad Bayer фильтров?
Несмотря на столь незначительное на первый взгляд изменение, матрицы смартфонов получили много преимуществ от размещения 4 фотодиодов под каждым цветным фильтром.
Прежде всего, это позволило значительно улучшить динамический диапазон фотографий. Динамический диапазон — это разница между самым темным и самым светлым участком на фото. Ниже можно увидеть сравнение двух снимков, на одном из которых (слева) динамический диапазон низкий, а на втором (справа) — высокий:
К сожалению, матрица камеры на смартфоне настолько маленькая, что не способна физически запечатлеть широкий динамический диапазон. Приходится прибегать к различным уловкам, главная из которых — съемка серии кадров с разной выдержкой.
Вначале на фотодиоды падает свет в течение очень короткого времени, что позволяет камере «увидеть» все детали на самых ярких участках сцены. А затем камера делает еще одну фотографию, но с более длинной выдержкой, «собирая» больше света и тем самым раскрывая детали в тенях.
После этого, используя все кадры (которых может быть гораздо больше двух), смартфон «собирает» финальный вариант.
Технология Tetracell (Quad Bayer) позволяет расширить динамический диапазон, ограничившись всего одним кадром. Для этого половина фотодиодов под одним фильтром работает с короткой выдержкой, а вторая половина — с длинной. Получается, под каждым цветным фильтром 2 диода собирают всю информацию на ярких участках, а 2 других — на темных:
Это очень легко сделать, так как в камере смартфона нет физического затвора, который бы открывался и пропускал свет через объектив на матрицу, как это сделано в больших зеркальных камерах. Здесь же сама матрица регулирует время накопления электрического заряда на каждом фотодиоде и может выборочно «включать/выключать» фотодиоды, когда потребуется.
Помимо более широкого динамического диапазона, Tetracell матрица позволяет сократить уровень шумов. Опять-таки, когда мы имеем дело с обычной матрицей, только один фотодиод собирает информацию о яркости определенного цвета. И если этого света было очень мало, появляется цифровой шум, определить количество света становится тяжело и качество фотографии падает.
Когда же мы имеем дело с Quad Bayer (Tetracell) матрицей, у смартфона появляется 4 фотодиода для определения цвета одной точки. Ведь, напомню, под каждым цветным фильтром размещается 4 фотодиода, накапливающих заряд независимо друг от друга. Соответственно, шансы точно определить цвет одной точки увеличиваются.
Это же касается и съемки при недостаточной освещенности. Смартфону не нужно делать несколько кадров подряд, чтобы попытаться точнее определить цвет каждой точки, сравнивая небольшие отличия на снимках. Он может просто воспользоваться информацией с четырех фотодиодов.
А как же детализация фотографий?
Действительно, среди всех преимуществ матриц с высоким разрешением, я не назвал главного — высокого разрешения и хорошей детализации.
Дело в том, что во всех упомянутых выше ситуациях, смартфон использовал по 4 фотодиода, размещенных под одним фильтром, как один большой пиксель. То есть, матрица работала в режиме объединения четырех пикселей в один. Соответственно, разрешение во всех этих случаях будет в 4 раза ниже заявленного. К примеру, 48-Мп камера будет выдавать 12-Мп фотографии, а 108-Мп камера — 27-мегапиксельные снимки.
При дебаеризации, смартфон обращается со всеми пикселями ровно так же, как и в случае использования классического фильтра Байера, только «одна точка» для него — это набор из четырех фотодиодов под одним фильтром.
Однако же, Quad Bayer и Tetracell матрицы могут работать и в режиме полного разрешения, считывая пиксели совершенно другими группами. Если посмотреть на следующую картинку, вам станет сразу все понятно:
Слева Tetracell-матрица работает в режиме объединения пикселей, выдавая разрешение в 4 раза ниже, чем заявлено производителем. Это стандартный режим работы для всех мобильных камер с высоким разрешением.
Справа мы видим совершенно другой алгоритм считывания данных с фотодиодов. Теперь камера берет по одному фотодиоду от каждого фильтра. В этом случае Tetracell-матрица будет выдавать снимки в полном разрешении.
Но использовать второй вариант есть смысл только в редких случаях при идеальном освещении. И под «идеальным» я подразумеваю не просто яркий солнечный день, а именно «среднюю» освещенность, когда в сцене нет сильных перепадов по яркости. В таких условиях практически любая Quad Bayer матрица выдаст гораздо более детализированный снимок. Мы уже приводили десятки примеров, сравнивая работу таких камер в двух режимах. Вот один из них:
Во всех остальных случаях (яркое солнце, плохо освещенная комната, вечер) лучше использовать камеру в режиме объединения пикселей, так как это позволяет получить более интересный, с художественной точки зрения, кадр.
Конечно же, матрицы камер устроены гораздо сложнее. К примеру, над каждым фотодиодом перед цветным фильтром отдельно устанавливаются микролинзы, а еще до микролинз размещается ИК-фильтр, который обрезает весь инфракрасный спектр света, чтобы минимизировать его влияние на снимок.
Если схематически изобразить всю эту конструкцию в разрезе, получим примерно следующее:
Кроме того, я совершенно ни слова не сказал о том, каким образом работает автофокус и почему так важен именно фазовый автофокус (PDAF). Что такое «двойной пиксель» (Dual Pixel) и как эта технология влияет на качество фотографий телефонных камер. Обо всем этом читайте во второй части статьи.
Если же вы хотите более детально погрузиться в то, как устроены и работают камеры смартфонов, тогда очень советую почитать мой цикл статей «Камера смартфонов для чайников«. Там вы найдете ответы на все вопросы, связанные с камерами и узнаете много всего нового и интересного.
Алексей, главный редактор Deep-Review (alexeysalo@gmail.com)
P.S. Не забудьте подписаться в Telegram на первый научно-популярный сайт о мобильных технологиях — Deep-Review, чтобы не пропустить очень интересные материалы, которые мы сейчас готовим!
Как бы вы оценили эту статью?
Нажмите на звездочку для оценки
Внизу страницы есть комментарии.
Напишите свое мнение там, чтобы его увидели все читатели!
Если Вы хотите только поставить оценку, укажите, что именно не так?