Ang tunay na kahalagahan ng sensor sa mobile photography

Kung ang telepono mo na nga ang pangunahing kamera mo ngayon , hindi na ito basta-basta mahika. Hindi pa katagalan, ang mga kamera ng telepono ay isa lamang mabilisang solusyon: pagkuha ng malabong litrato ng isang dokumento, pagpapadala ng pangit na larawan sa pamamagitan ng MMS, at wala nang iba pa. Ngayon, maraming tao ang nag-iiwan ng kanilang mga compact camera sa bahay dahil napakahusay ng performance ng mga smartphone kaya't kaya na nilang makipagkumpitensya sa mga dedicated mid-range camera, at maging sa ilang mid-to-high-end na camera.

Ang problema ay ang marketing ang nagtulak sa atin na magtuon sa mga maling bagay. Sa loob ng maraming taon, sinabihan tayo na ang mga megapixel at ang bilang ng mga camera ang mahalaga , at maraming tao pa rin ang pumipili ng mobile phone batay lamang sa dalawang bilang na iyon. Gayunpaman, ang tunay na puso ng sistema ay isa pang bahagi na halos walang nagbibigay-pansin: ang image sensor. Ang pag-unawa sa ginagawa nito, kung paano ito gumagana, at kung bakit mahalaga ang laki nito ang gumagawa ng malaking pagkakaiba sa pagitan ng pagbili batay sa advertising at pagbili nang may malinaw na pag-iisip.

Bakit hindi ang mga megapixel ang tunay na sukatan ng kalidad

Sa loob ng maraming taon, nasanay na tayong magtuon pangunahin sa bilang ng mga megapixel sa isang kamera: mas mataas, mas mabuti… o tila ganoon nga. Iginiit ng mga patalastas na ang kamerang may mas maraming megapixel ay kumukuha ng mas mataas na kalidad ng mga larawan, at maraming tagagawa ang nagtataas ng bilang nang hindi tinutugunan ang talagang mahalaga: ang laki ng sensor at ang laki ng bawat pixel.

Ang isang sensor ay binubuo ng milyun-milyong maliliit na silicon semiconductor na tinatawag na photosite o photodiode. Binabago ng bawat isa ang liwanag (mga photon) na natatanggap nito tungo sa isang electrical signal. Sa praktikal na termino, ang bawat photosite ay tumutugma sa isang pixel sa huling imahe. Kapag pinag-uusapan natin ang tungkol sa mga megapixel, tinutukoy lamang natin ang kabuuang bilang ng mga pixel na ito, hindi ang kanilang kalidad.

Ang resolusyon (halimbawa, 5472 x 3648 pixels sa isang 20-megapixel na kamera) ay nagsasabi sa atin ng pinakamataas na antas ng detalye at ang pinakamataas na laki na maaari nating i-print o i-crop nang hindi nagiging distorted ang larawan. Ngunit wala itong sinasabi sa atin tungkol sa noise, dynamic range, low-light performance, o color accuracy. Ang lahat ng iyan ay higit na nakasalalay sa pisikal na laki ng sensor at sa laki ng bawat pixel.

Bilang pangkalahatang tuntunin, kapag pinaghahambing ang mga teknolohiya ng parehong henerasyon, mas malaki ang sensor, mas mataas ang pangkalahatang kalidad ng imahe . Kaya bakit hindi nila ilagay ang pinakamalaking posibleng sensor sa lahat ng device? Ito ay para lamang sa mga kadahilanang pang-inhinyeriya: ang malalaking sensor ay mas mahal, kumukuha ng mas maraming espasyo, at nangangailangan ng mas malalaking lente, na salungat sa mga ultra-thin na telepono at makikipot na margin ng presyo.

Bukod sa resolusyon, mahalagang maunawaan ang dalawang pangunahing konsepto: densidad ng pixel (ilang megapixel ang mayroon bawat sentimetro kuwadrado ng sensor) at laki ng pixel (ang laki ng bawat photosite, karaniwang sinusukat sa microns). Sa parehong laki ng sensor, ang mas kaunting megapixel ay nangangahulugan ng mas malalaking pixel, na may kakayahang kumuha ng mas maraming liwanag at samakatuwid ay nag-aalok ng mas mahusay na kalidad ng imahe.

Paano talaga gumagana ang sensor ng mobile camera

Ang kamera ng iyong mobile phone ay gumagamit ng parehong pinagbabatayang teknolohiya gaya ng isang tradisyonal na digital camera . Sa isang banda, nariyan ang optical unit (ang hanay ng mga lente) na responsable sa "pag-oorganisa" at pagdidirekta ng liwanag nang hindi nagdudulot ng labis na distortion o chromatic aberration. Ang liwanag na ito ay dumadaan sa lente kapag binuksan ng system ang aperture at direktang pumupunta sa sensor.

Sa mga analog camera, ang liwanag na iyon ay nakukuha sa isang kemikal na pelikula na naglalaman ng mga silver salt. Sa isang mobile phone, ang liwanag ay tumatama sa isang hanay ng mga photosensitive cell , ang digital sensor. Binibilang ng bawat cell kung gaano karaming photon ang dumating sa panahon ng exposure at bumubuo ng boltahe na proporsyonal sa dami ng liwanag na iyon. Ang impormasyong ito, pixel por pixel, ay pagkatapos ay binabago sa digital data na binibigyang-kahulugan at pinoproseso ng image processor (ISP) ng telepono.

Ang mga sensor na matatagpuan sa mga mobile phone at camera ay mahalagang binubuo ng dalawang pamilya: ang mas lumang CCD (Charge-Coupled Device) at ang mas laganap na CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor). Matagal nang nag-aalok ang mga CCD ng mahusay na kalidad ng imahe, ngunit ang mga ito ay mahal, lumilikha ng maraming init, at nangangailangan ng kumplikado at malalaking sistema ng pagpapalamig—isang bagay na hindi praktikal sa isang manipis na smartphone.

Ang mga CMOS sensor, na binuo at pinahusay higit sa lahat dahil sa mga pagsisikap ng NASA sa pagpapaliit, ay nagpabago sa merkado. Isinasama nila ang reading at digitization circuitry sa loob mismo ng chip, na ginagawang mas mura ang paggawa ng mga ito, mas matipid sa enerhiya , at mas kaunting init ang nabubuo. Bukod pa rito, pinapayagan nila ang pagdaragdag ng processing logic sa loob ng sensor at maaaring i-program, na ginagawa silang mainam para sa mga mobile device kung saan mahalaga ang espasyo at kahusayan sa enerhiya.

Batay dito, lumitaw ang mga baryasyon, tulad ng mga sensor ng BSI (Back-Illuminated Sensor) , na malawakang ginagamit sa mga modernong smartphone. Dito, muling inayos ang istraktura upang maabot ng liwanag ang mga photodiode nang may mas kaunting mga balakid, na malinaw na nagpapabuti sa pagganap sa mga kondisyon ng mahinang liwanag. Ang resulta: mas malinis na mga larawan na may mas kaunting ingay sa mahinang liwanag.

Mahalaga rin ang paraan ng pagkakaayos ng mga cell sa array. May mga sensor na may linear, trilinear, at multi-array distributions… ngunit sa mga mobile device, ang pinakakaraniwan ay ang Bayer array , na pinagsasama ang mga color filter na nakalagay sa bawat photosite upang paghiwalayin ang puting liwanag sa tatlong bahagi.

Bayer Matrix: RGGB, RYYB at ang labanan upang makakuha ng mas maraming liwanag

Puti ang liwanag na pumapasok sa sensor, ngunit kailangan natin itong paghiwalayin sa mga may kulay na bahagi upang muling buuin ang imahe. Upang magawa ito, ang bawat photosite ay binabalutan ng isang maliit na may kulay na filter na nagpapahintulot lamang sa isang bahagi ng spectrum na dumaan. Kadalasan, ginagawa ito sa pamamagitan ng paghihiwalay ng liwanag sa pula, berde, at asul (RGB) o mga variant tulad ng pula, dilaw, at asul (RYB), at pagsasama-sama ng impormasyon mula sa ilang photosite para sa bawat huling pixel.

Ang klasikong Bayer matrix ay RGGB: sa isang bloke ng apat na photosite, mayroon tayong isang pula, isang asul, at dalawang berde. Ang kalabisan ng berde na ito ay hindi aksidente. Ang mata ng tao ay mas sensitibo sa berdeng channel, at ang pagdoble nito ay nagbibigay-daan para sa mas detalyadong detalye at mas kaunting ingay sa huling imahe. Ang kamera, sa tulong ng pagproseso, ay pinagsasama ang data mula sa apat na photosite na ito upang makabuo ng isang kumpletong pixel ng kulay.

Nagpasya ang Huawei, sa pakikipagtulungan ng Leica, na basagin ang tradisyong ito sa ilan sa mga modelo nito sa pamamagitan ng pagpapakilala ng mga sensor ng RYYB Super Spectrum . Sa kasong ito, ang array ay may isang pulang photosite, isang asul na photosite, at dalawang dilaw na photosite, na pinapalitan ang paulit-ulit na berdeng channel ng isang dilaw na channel na nagpapahintulot sa ibang at mas malawak na bahagi ng spectrum na dumaan.

Ano ang ibig sabihin nito? Nangangahulugan ito na ang mga dilaw na photosite ay nakakakuha ng mas maraming liwanag kaysa sa mga berde, kaya ang sensor, sa papel, ay nangongolekta ng mas maraming impormasyon sa liwanag . Ang sistema ay gumagana nang mas katulad ng mundo ng pag-iimprenta ng CMYK (kung saan ang kulay ay subtractive) kaysa sa mahigpit na additive na modelo ng RGB. Upang muling buuin ang isang tapat na imahe, ang pagproseso ay kailangang magsagawa ng mas maraming kalkulasyon: ang pula at asul na data ay pinagsama sa dilaw upang makuha ang mga pangwakas na channel, na nangangailangan ng mas maraming processing power at isang mahusay na computational photography.

Malinaw na ipinapakita ng pagbabagong ito ang trend sa industriya: mayroong karera upang mapakinabangan ang bawat milimetro ng lawak ng sensor para sa mas maraming liwanag at detalye. Ngunit, gaya ng halos palaging nangyayari, walang madaling himala. Ang mga sensor na ito ay nangangailangan ng malalakas na processor at mga advanced na algorithm upang lubos na mapakinabangan ang magagamit na liwanag nang hindi nasisira ang kulay o pinapataas ang ingay.

Laki ng sensor at laki ng pixel: narito ang susi

Kung kukuha tayo ng isang mahalagang punto mula sa lahat ng ito, dapat ito ay: kung pantay ang lahat ng iba pang bagay, mas malaki ang sensor, mas maraming impormasyon ang makukuha nito . At, sa loob ng sensor na iyon, mas malaki ang mga pixel nito (ibig sabihin, ang mga photosite), mas mahusay ang performance ng kamera, lalo na sa mahinang liwanag.

Ang bilang ng mga photon na kayang "bilangin" ng isang pixel ay proporsyonal sa lawak ng ibabaw nito. Ang isang malaking pixel ay maaaring makaipon ng mas maraming charge bago mag-saturate kaysa sa isang maliit, na nagreresulta sa mas malawak na dynamic range (mas mahusay na detalye sa mga highlight at anino), mas kaunting noise, at mas matatag na reproduksyon ng kulay. Hindi nagkataon na ang mga seryosong teknikal na detalye ay naglilista ng laki ng pixel sa microns : 1,22 μm, 1,4 μm, 1,8 μm, 2 μm… mas mataas ang numero, mas mabuti, basta't pinaghahambing natin ang mga sensor ng parehong henerasyon.

Ang mga tagagawa ay nagtatrabaho sa loob ng isang napakaliit na pisikal na espasyo: ang module ng camera ay kailangang magkasya sa loob ng chassis ng telepono, hindi ito maaaring masyadong nakausli, at kailangan itong umiral kasama ng baterya, motherboard, speaker, at iba pang mga bahagi. Samakatuwid, ang laki ng sensor o pixel ay kadalasang isinasakripisyo upang mapataas ang resolution para sa mga layunin ng marketing. Ang resulta ay maaaring isang 64 o 108-megapixel na kamera na may napakaliit na pixel na, nang walang mga pagpapahusay ng software, ay mas mahina ang performance sa gabi kaysa sa isang 12-megapixel na kamera na may mas malalaking pixel.

Upang maibsan ang problemang ito, maraming high-resolution sensor ang gumagamit ng pixel binning o pixel fusion techniques. Sa ilalim ng mga trade name tulad ng Quad Bayer, Tetracell, o Light Fusion, pinagsasama ng sensor ang apat na pisikal na pixel sa isang "virtual" na pixel kapag bumubuo ng imahe. Sa ganitong paraan, ang isang 48-megapixel sensor ay nakakagawa ng 12-megapixel na mga larawan na may mas mahusay na pagkuha ng liwanag at mas kaunting ingay, gamit ang maraming photosite para sa bawat huling pixel.

Ang pagsasamang ito ay ginagawa sa antas ng hardware at/o software at karaniwang maaaring paganahin o hindi paganahin mula sa camera app. Ang pag-activate ng buong 48 o 64-megapixel mode ay nagbibigay ng mas maraming detalye para sa pag-crop , ngunit pinapalala nito ang performance sa mababang liwanag. Ang pagpapahintulot sa telepono na bawasan ang resolution sa isang-kapat gamit ang pixel binning ay nagpapabuti sa pangkalahatang kalidad ng imahe, lalo na sa gabi.

Sa mataas na antas ng merkado, nakakakita na tayo ng mga 1-pulgadang sensor sa ilang mga advanced na modelo mula sa mga tatak tulad ng Xiaomi at Huawei. Ang mga sensor na ito ay hindi lamang pisikal na mas malaki, kundi maaari rin nilang tumanggap ng mas malalaking pixel , na malinaw na nagpapabuti sa kakayahan sa pangangalap ng liwanag. Hindi ito awtomatikong nangangahulugan na sila ang kumukuha ng pinakamahusay na mga larawan sa merkado, ngunit mayroon silang isang obhetibong kalamangan sa mga tuntunin ng hilaw na materyales: mga photon.

Mga sensor, optika at pagproseso: ang trio na tumutukoy sa pangwakas na kalidad

Ang kalidad ng potograpiya ay hindi lamang nakasalalay sa sensor. Bagama't ito ang pinakamahalagang bahagi, dalawa pang haligi ang may malaking kahalagahan: ang kalidad ng lente at pagproseso ng imahe. Ang isang lente na may mahinang kalidad, hindi maayos na pagkintab, o isang lente na may mahinang disenyo ay maaaring magdulot ng mga chromatic aberration, pagkawala ng talas sa mga gilid, at geometric distortion na maaaring sumira sa isang eksena, gaano man kaganda ang sensor.

Pagkatapos makuha ang kuha, nagsisimula na ang pagproseso, na sa mga modernong mobile phone ay malapit na nauugnay sa computational photography . Pinagsasama ng ISP at ng software ng gumawa ang ilang mga kuha, inaayos ang noise, inaalis ang mga anino, kino-compress ang mga highlight, itinatama ang kulay, at naglalapat ng selective sharpening. Ang bawat brand ay may kanya-kanyang istilo: ang ilan ay inuuna ang mas saturated na mga kulay at mataas na contrast, habang ang iba ay naglalayon ng mas natural at malambot na hitsura.

Gayunpaman, ang pisikal na laki ng sensor ay nananatiling mas mahalaga kaysa sa purong resolusyon. Ang isang mas malaking sensor, kahit na may mas kaunting megapixel, ay maaaring mag-alok ng mas mataas na kalidad ng mga imahe (lalo na sa mahinang liwanag) kaysa sa isang mas maliit na puno ng maliliit na cell. Ito ay humantong sa mga desisyon sa disenyo na sumasalungat sa karera ng megapixel, tulad ng HTC One M7 na may 4 na megapixel at napakalaking pixel, o ang mga iPhone na sa loob ng maraming taon ay "natigil" sa 8 o 12 megapixel, ngunit may patuloy na lumalaking mga sensor.

Sa kabilang banda, mayroon tayong mga teleponong may 40, 50, o higit pang megapixel, at maging 41-megapixel sensor tulad ng maalamat na Nokia 808 PureView o ang 40,1-megapixel sensor sa Lumia 1020, na umaasa sa sapat na resolution upang mag-alok ng lossless zoom at agresibong pag-crop. Ang bawat pamamaraan ay may kanya-kanyang bentahe, ngunit dapat mong palaging isaalang-alang ang laki ng sensor at bilang ng pixel upang tunay na maunawaan kung ano ang iyong binibili.

Mga uri ng sensor at ang kanilang papel sa kasalukuyang mobile photography

Ang isang modernong mobile phone ay karaniwang walang iisang sensor lamang, kundi ilan, bawat isa ay espesyalisado para sa isang partikular na gamit. Ang pangunahing sensor ay karaniwang may pinakamataas na kalidad (at kadalasan ang pinakamalaki), dahil ito ang humahawak sa karamihan ng mga larawan at video ng gumagamit. Ang performance, resolution, at dynamic range nito sa low-light ang tumutukoy sa pangkalahatang karanasan sa pagkuha ng litrato.

Kasabay nito ay ang wide-angle sensor , na responsable sa pagpapalawak ng field of view. Mainam para sa mga landscape, arkitektura, o mga group photo, isinasakripisyo nito ang ilang edge sharpness at kung minsan ay kaunting liwanag upang makuha ang mas maraming eksena. Sa mga high-end na modelo, ipinagmamalaki rin ng sensor na ito ang mahusay na optika at disenteng laki, kaya nananatiling kapaki-pakinabang ito sa mga mapaghamong sitwasyon.

Ang telephoto lens ay ginagamit kapag gumagamit tayo ng optical zoom. Hindi tulad ng digital zoom (na nagpuputol at nag-uunat ng imahe), ang telephoto zoom ay nagbibigay-daan sa atin na makalapit nang hindi nawawala ang totoong detalye, dahil ang magnification ay nakakamit gamit ang mga partikular na optika. Dito, ang laki ng sensor at pixel ay mahalaga muli: ang isang napakahabang telephoto lens na may maliit na sensor ay maaaring hindi gumana nang maayos sa dapit-hapon, gaano man kataas ang mga numero ng magnification na ipinapahayag.

Sa maraming telepono, ang tatlong ito ay kinukumpleto ng mga karagdagang tampok tulad ng depth sensor (upang mapabuti ang portrait mode blur), color temperature sensors (upang mas maayos na maisaayos ang white balance), o kahit na mga nakalaang macro sensor. Ang kanilang tungkulin ay upang umakma sa pangunahing sensor, bagama't kadalasan ang ilan sa mga tungkuling ito ay maaaring gayahin ng software gamit ang mismong pangunahing sensor.

Mahalaga rin ang Image Stabilization, optical (OIS) man o electronic (EIS). Bagama't hindi ito bahagi ng sensor, gumagana ito kasabay nito upang mabawasan ang pag-alog at vibrations ng camera , na mahalaga para sa pagkuha ng malinaw na mga larawan sa mga eksenang mababa ang liwanag at para sa pagre-record ng maayos na video.

Paano pumili ng mobile phone na may camera ayon sa iyong tunay na pangangailangan

Kapag bumibili ng teleponong isinasaalang-alang ang potograpiya, hindi mahalaga kung isasaalang-alang ang mga megapixel, kundi ilagay ang mga ito sa konteksto. Kung karaniwan mong ninanamnam ang iyong mga larawan sa screen ng iyong telepono, sa social media, o sa isang Full HD TV, sapat na ang ilang megapixel na mahusay na nagamit at isang malaking sensor. Sa mga kasong iyon, ang isang malaking 12 o 16-megapixel sensor ay maaaring magbigay sa iyo ng mas mahusay na resulta sa pang-araw-araw na paggamit kaysa sa isang 64-megapixel na telepono na may maliit na sensor.

Sa kabilang banda, kung madalas kang mag-print sa malaking papel, gumagawa ng maraming agresibong pag-crop, o nagtatrabaho nang semi-propesyonal, tiyak na sulit ang isang high-resolution sensor , basta't hindi nagastos ang buong badyet sa pagsiksik ng maliliit na pixel sa isang napakaliit na sensor. Sa mga kasong ito, ang mga 40, 50, o mas mataas na megapixel sensor, kasama ang mahusay na pisikal na laki at matatag na kakayahan sa pagproseso, ay makatuwiran.

Anuman ang iyong sitwasyon, mahalagang itanong sa iyong sarili ang tatlong simpleng tanong: Sa anong mga kondisyon ng pag-iilaw ako madalas kumukuha ng litrato? Ano ang gagawin ko sa aking mga litrato pagkatapos? At sulit ba ang dagdag na kalidad ng isang mas malaking module ng camera? Ang pagsagot sa mga tanong na ito ay makakatulong sa iyong unahin ang isang malaking sensor at malalaking pixel kaysa sa mga astronomikal na resolusyon na, sa pagsasagawa, ay hindi mo magagamit sa kanilang buong potensyal.

Panghuli, huwag kalimutan na ang aktwal na pagganap ay nakasalalay din sa henerasyon ng sensor at processor. Walang saysay na direktang ihambing ang isang moderno at high-end na BSI sensor sa isang mas luma mula sa maraming taon na ang nakalilipas, kahit na pareho ang laki ng mga ito. Kapag naghahambing ng mga modelo, subukang gawin ito sa pagitan ng mga device mula sa parehong panahon at saklaw ng presyo , at palaging bigyang-pansin ang: laki ng sensor, laki ng pixel, aperture ng lens, at kung mayroon itong optical image stabilization.

Sa huli, sa likod ng bawat magandang larawang kinunan gamit ang iyong telepono ay nakasalalay ang isang maselang balanse sa pagitan ng optika, sensor, at software. Sinasabi sa iyo ng mga megapixel kung ilang pixel ang magkakaroon ng isang imahe, ngunit ang sensor ang nagtatakda kung gaano karaming liwanag, detalye, at dynamic range ang maaari mong makuha. Ang pag-unawa sa kahalagahan nito ay nagbibigay-daan sa iyo upang tumingin nang higit pa sa hype ng advertising at gumawa ng matalinong pagpili tungkol sa susunod na smartphone na ilalagay mo sa iyong bulsa.

Kaugnay na artikulo:

Mga telephoto lens sa mobile photography: isang kumpletong gabay para masulit ang zoom