Работа камеры в смартфоне

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.

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.

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.

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:

1. 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.
2. Площадь всей матрицы. Чем больше размеры матрицы, тем лучше. Очень важный показатель. При большой матрице меньше цифровых шумов, больший диапазон регулировки ISO.
3. 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

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.

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.

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.