Как выбрать смартфон с лучшей камерой. Типы экранов в смартфонах: какой выбрать

Съемка камерой мобильного телефона (смартфона). Параметры камер мобильных телефонов. Основные характеристики, проблемы и примеры дефектов на снимках . Как выбрать смартфон с хорошей камерой?

Предисловие

Съемка на камеру мобильного телефона (смартфона) прочно вошла в нашу жизнь. Многие пользователи смартфонов считают, что "обычный" фотоаппарат им уже просто не нужен, достаточно иметь смартфон с хорошей камерой.

Но вот вопрос - какую камеру смартфона считать "хорошей"? Или всегда ли она сможет заметить хотя бы простенькую "цифромыльницу"?

Давайте рассмотрим этот вопрос с точки зрения характеристик камер, их особенностей, а также типичных проблем и ошибок, приводящих к потере качества фотографий и видео, снятых с "мобильника". Постараемся это сделать без излишней научной "заумности", на простом и понятном языке.

При этом разделим параметры камер мобильных телефонов на две группы: параметры фотоматриц и параметры объективов.

Физические принципы цифровой фотографии

Физические принципы цифровой фотосъемки почти не отличаются от работы фотоэлемента из школьного курса физики. Свет, падающий на чувствительную поверхность (которая является первым электродом), выбивает из неё электроны, которые достигают второго электрода. В результате между ними возникает разность потенциалов, которая считывается и отправляется на обработку. А этот фотоэлемент является ни чем иным, как элементарным пикселем датчика изображения. Эти пиксели объединены в матрицу, а их количество представляет собой то самое число мегапикселей, которое мы видим на упаковке смартфона или фотоаппарата.
Правда, на самом деле пикселей там в три раза больше, потому что в цветной фотографии каждый пиксель образуют три датчика, чувствительных к разным цветам: красному, зеленому, синему (RGB в буржуйской терминологии).

Итак, всё с виду хорошо и гладко. Откуда же возникают дефекты изображения?

Объективные причины - электрические шумы в матрице и недостаток её динамического диапазона; а также погрешности объектива, формирующие на матрице неточную картинку реального мира.

Субъективные причины - "дрожание" камеры фотографа (особенно это серьезно при слабом освещении), ошибочная фокусировка, ошибки при выборе экспокоррекции и т.п.

В отдельных случаях дефекты изображения, возникшие вследствие реальных физических причин, усугубляются и программной обработкой, работающей временами по принципу "хотели, как лучше; а получилось...". :)

Параметры матриц, часть 1. Физический размер матрицы и количество мегапикселей.

Поскольку матрица цифровой камеры - не только датчик изображения, но и источник шумов, то параметры матриц будем рассматривать в тесной увязке с их влиянием на шум.

Итак, первые два параметра:

1. Размер матрицы.
2. Количество (мега)пикселей.

Размер матрицы определяется замысловатыми дробями вида, например, 1/2.7 (не путать с диафрагмой, имеющей немного похожее обозначение, вида F/2.7) .
В данном случае это соответствует диагонали матрицы в 6.27 мм, а размеры сторон 5.02 x 3.76 мм.
Как это перевести размер 1/2.7 в "нормальные" единицы? Эта дробь означает, что диагональ матрицы в 2.7 раза меньше, чем диагональ матрицы в видиконе диаметром 1 дюйм. Видикон - это древний электронно-лучевой прибор, применяемый в телевизионных камерах "ламповой" эпохи. И матрица в круглом 1-дюймовом видиконе была, естественно, меньше диаметра видикона и составляла чуть больше 16 мм (т.е. не точно 16 мм, имеются "разночтения"). Эти 16 мм и есть тот "видиконовый дюйм", от которого до сих пор рассчитываются параметры цифровых фотоматриц, хотя сами видиконы можно найти только в технических музеях. :)
Чем знаменатель дроби меньше, тем матрица крупнее и ЛУЧШЕ.

Теперь разберем, почему чем матрица крупнее - тем она лучше.

Шум в матрице определяется случайным (тепловым) движением электронов; а сигнал - интенсивностью светового потока, временем экспозиции (т.е. накопления заряда) и площадью светочувствительного элемента (пикселя). Соответственно, чем выше параметры, образующие сигнал, тем будет лучше соотношение сигнал/шум при прочих равных условиях.

Если хотя бы один из перечисленных параметров - низкий, то на изображении начинают "проступать" шумы в виде хаотично расположенных точек и пятен различной яркости и цвета. Так выглядит зашумленная фотография в условиях пониженного освещения:

Лучше этот эффект заметен при увеличении до 100% (фрагмент см. ниже). Шумы делают менее различимым изображение сфотографированных предметов:

Вернемся к вопросу о способах уменьшения шумов.
С интенсивностью светового потока и площадью пикселя все понятно, а как увеличить время экспозиции, не доводя изображение до пересвечивания? Очень просто - снижая чувствительность при съемке (чувствительность выражается в единицах ISO - 50, 100, 200, 400 и т.д. до 100000). Другое дело - что палка, как известно, "о двух концах". Увеличение времени экспозиции может привести к "размазыванию" изображения из-за движения объекта или "дрожания" камеры в руках; но мы пока рассматриваем проблемы в принципе. :)

Но размер пикселя определяется не только размером матрицы, но и количеством пикселей на матрице (грубо говоря, надо площадь матрицы разделить на число пикселей). Отсюда - следующий вывод: чем мегапикселей в матрице меньше, тем соотношение сигнал/шум лучше. Но при высоком уровне освещения даже и с мелким размером пикселя соотношение сигнал/шум будет неплохим. А при падении освещения преимущество будет за теми камерами, у которых пиксель крупнее.

Кстати, размер пикселя (точнее, расстояния между пикселями) уже достиг своего физического предела, который составляет 1 мкм. Дальнейшее уменьшение размера пикселя теряет смысл, поскольку длина световой волны составляет от 0.39 до 0.78 мкм; и при расстоянии между пикселями менее 0.78 мкм (красный свет), соседние пиксели будут показывать просто одно и то же.

По описанным выше причинам, потребителю надо иметь в виду, что зачастую количество мегапикселей имеет больше рекламный характер, чем реальную пользу. Практически, если в камере есть 12-13 мегапикселей, то это уже неплохо; но это - еще не гарантия, что всё будет хорошо - в дело вступит качество оптики. Если же в камере СОВРЕМЕННОГО смартфона количество мегапикселей менее 10, то, скорее всего это - дешевая камера, от которой не стоит ждать высокого качества снимков.

В то же время, если производитель - достаточно солидный и уважаемый (SONY, Asus, Samsung и т.д.), то и большое количество мегапикселей лишним не будет. По крайней мере, при ярком освещении.

Если есть сомнения, будет ли толк от большого числа мегапикселей, то лучше выбрать тот смартфон, у которого больше физический размер матрицы. А уменьшить количество мегапикселей на фото можно после можно уже и после съемки в графическом редакторе.

Вот такой это противоречивый параметр - количество мегапикселей.

Итог этой части наших исследований:

- Чем больше физический размер матрицы, тем лучше ВСЕГДА.
- Чем больше мегапикселей, тем тоже лучше, но только при хорошем качестве оптики и хорошем освещении в момент съемки.

Теперь - о дополнительных параметрах, включая технологические.

Параметры матриц, часть 2. Чувствительность и технологические особенности

Разберем еще такие вопросы:

1. Чувствительность в единицах ISO.
2. Технология с микролинзами.
3. Технология с обратной засветкой (Back-Side Illumination, BSI).

В старину чувствительность была физическим параметром фотопленки, который по ходу съемки никак меняться не мог.
В цифровых камерах величина чувствительности может задаваться вручную или автоматически. При назначении той или иной чувствительности на самом деле в фотоматрице никаких изменений не происходит. Просто изменяется коэффициент аналогового усиления сигнала с фотодатчиков перед подачей его на вход аналого-цифрового преобразователя (аналогично, например, регулировке громкости в плеерах).
Соответственно, и изменения соотношения сигнал/шум тоже не происходит, т.к. усиливаются одновременно и сигнал, и шум.

В чем же тогда вообще смысл упоминания чувствительности в параметрах камер?

Чем меньше нижний предел чувствительности, тем более качественные можно получить фотографии, по крайней мере, для неподвижных объектов. Механизм повышения качества прост: чем меньше чувствительность, тем больше выдержка (время накопления сигнала), и тем лучше соотношение сигнал/шум. Для хороших камер "мобильников" нижний предел обычно бывает 50 ISO.

А чем выше верхний предел, тем больше возможностей получить хоть какое-то изображение при слабом освещении (правда, вместе со всеми полагающимися шумами). Для хороших камер мобильных устройств верхний предел обычно составляет 3200...6400 ISO. Теоретически, ничто не мешает установить верхний предел и сколь угодно большим, но изображения в этом случае уже не будет - будут лишь шумы со смутными контурами предметов.

Технологические усовершенствования (микролинзы и матрицы "с обратной засветкой", BSI ) появились как борьба с одним из принципиальных недостатков фотоматриц: светочувствительные пиксели не могли занимать всю поверхность матрицы; поскольку, кроме них, на поверхности матрицы располагаются транзисторы и соединительные проводники.

Для устранения этих недостатков внедрили две технологических новинки. Сначала перед пикселями стали располагать собирающие свет микролинзы; а затем светочувствительные пиксели стали располагать не на той стороне подложки, где находятся проводники и транзисторы, а на обратной. В результате схематично современная фотоматрица выглядит "в разрезе" примерно так:

(изображение взято и з чешского раздела Википедии)

Итог второй части наших исследований:

- Пределы возможных значений чувствительности не принципиальны, но желательно, чтобы они были хотя бы в диапазоне 80...3200 ISO , либо в более широком в ОБЕ стороны (и вниз, и вверх).

Технологические особенности (микролинзы, матрица с обратной засветкой) сейчас используются практически для всех камер мобильных устройств, начиная со среднего ценового диапазона, и рассматривать их как преимущество смысла нет. Для устройств на "вторичном рынке" использование этих технологических особенностей может быть весомым аргументом "за".

Остальные параметры матриц в этой статье рассматривать не будем, так их очень много (десятки!), а производителями мобильных устройств они все равно не упоминаются.

Типовые дефекты снимков из-за проблем оптической системы

Хотя снаружи в камерах смартфонов и планшетов видно только одну очень маленькую линзу, на самом деле это - только вершина айсберга под названием "объектив". Объектив устроен очень сложно и имеет несколько линз и несколько диафрагм (подробнее - в статье "Устройство камеры смартфона"). Все эти "навороты" нужны для борьбы с геометрическими и цветовыми искажениями, а также для обеспечения равномерности фокусировки по полю матрицы.

Рассмотрим типовые примеры, что бывает, когда оптика камеры смартфона несовершенна.

Случай №1. Неравномерность цвета ("цветовое виньетирование"):

(кликнуть для увеличения)

Обратите внимание, что на фотографии центр снимка имеет явственный розовый оттенок, а края - зеленый. Но это - не единственная проблема этого снимка. Переходим к случаю №2.

Случай №2. Зоны нерезкости на снимке.

Если увеличить приведенный выше снимок до 100%, то можно заметить, что в правом верхнем углу "картинка" гораздо более "размыта", чем на всех остальных частях кадра. Посмотрим, для сравнения, на увеличенные до 100% фрагменты из левого верхнего угла и из правого верхнего:

Данная проблема является следствием элементарной геометрической "кривизны" в каком-то из элементов оптической системы. Причем дислокация зоны нерезкости и вообще её наличие могут меняться от экземпляра к экземпляру телефона одной и той же модели.

Но следует иметь в виду, что сам по себе факт снижения резкости по краям снимка еще не является дефектом. Такое явление свойственно почти всем камерам "мобильников", кроме самых дорогих. Дефектом является аномальное ухудшение резкости в какой-либо отдельной области снимка.

Два только что описанных дефекта никак не следуют из технических параметров камеры смартфона. Их можно обнаружить, только внимательно просматривая тестовые фотографии в обзорах устройств.

Параметры оптической системы

А теперь разберем те параметры оптической системы, которые производители смартфонов обычно указывают в технических характеристиках устройств.

Чаще всего таких параметров - немного, всего два: относительная диафрагма (светосила) и количество элементов оптической системы. Но бывает, что к ним еще добавляют фокусное расстояние объектива, угол зрения, величину оптического и электронного зума, и, иногда, еще какую-нибудь второстепенную "мелочевку".

Начнем с количества элементов оптической системы. Количество элементов, теоретически, чем больше - тем лучше; ибо каждый элемент должен как-то улучшать изображение. При этом надо помнить, что количество элементов не означает количество линз; в число элементов входят и диафрагмы. Но абсолютно прямой связи между числом элементов и качеством изображения всё-таки нет.

Насчет же первого из упомянутых параметров - относительной диафрагмы - поговорим поподробнее.

Относительная диафрагма обозначается буквой F и числом, получается выражение вида, например, F /1.8 . Это число обозначает, во сколько раз эффективное значение величины отверстия для прохождения света МЕНЬШЕ "идеального". Под "идеальным" понимается освещенность мишени объективом без потерь, диаметр которого равен фокусному расстоянию.

Поскольку в объективе всегда присутствуют потери, а также расстояние от передней линзы не совпадает с фокусным расстоянием объектива в целом, то значение F всегда больше 1. Причем, поскольку количество пропускаемого света пропорционально не линейному размеру, а площади отверстия, то оно уменьшается пропорционально КВАДРАТУ числа F/.

Принципиальное отличие диафрагмы в камерах мобильных устройств от "настоящих" фотоаппаратов состоит в том, что в мобильных устройствах она - не регулируется (т.е. фиксированная величина). А в настоящих фотоаппаратах она может физически изменяться за счет сжатия или расширения образующих её лепестков.

С точки зрения качества фотоснимков, чем число в знаменателе выражения F/x.x у камеры "мобильника" меньше, тем лучше; поскольку это означает бОльший световой поток на матрице и лучшее соотношение сигнал/шум.

У лучших камер мобильных устройств относительная диафрагма составляет от F/2.0 до F/1.7, у остальных - от F/2.2 и выше. Меньше знаменатель - лучше.

Но, если камера имеет оптический зум, то величина F/ может меняться даже несмотря на то, что диафрагма в камерах мобильных устройств - фиксированная. Это происходит из-за того, что положение линз при увеличении зума меняется таким образом, что оптический центр объектива удаляется от матрицы, и её освещенность падает. Соответственно, изменяется и число F/ (относительная диафрагма).

Остальные параметры - менее значительны, да и не всегда упоминаются производителями.

Фокусное расстояние объектива само по себе ни о чем не говорит, но совместно с размером матрицы оно определяет угол зрения. Для большинства тыловых (основных) камер угол зрения (поле зрения) составляет 65-75 градусов, для фронтальных камер - до 90 градусов. При выборе "мобильника" на этот параметр не надо обращать внимания. Правда, если Вам, например, нужна непременно широкоугольная камера, то есть смысл обратить внимание на некоторые модели смартфонов с несколькими камерами, в число которых входит и широкоугольная типа "рыбий глаз".

Проблемы программной обработки фотоснимков

Перед тем, как мы увидим фотографию, смартфон (планшет) её основательно обрабатывает программно на уровне прошивки, приводя к "удобоваримому" виду. Подавляющее большинство этих операций - линейные; то есть, представляют собой необходимую корректировку яркости, контрастности, цветности, и интерполяцию, если разрешение снимка установлено пользователем не совпадающим с разрешением матрицы.

Как выглядят необработанные фотографии в том виде, в каком они приходят с матрицы в смартфон, можно на тех смартфонах, где имеется возможность сохранения фото в RAW (это и есть необработанный формат):

(исходный файл в RAW (DNG) можно скачать , 23 Мб)

Эта фотография имеет бледные цвета, неравномерную яркость (кажется, что небо в центре вокруг храма светлее, но это - не чудо, а дефект), и еще кое-какие недостатки. Смартфон это выправляет, обработанная смартфоном фотография выглядит так:

По поводу неравномерной яркости изображения надо еще добавить, что она отражается и на уровне шумов. Яркость изображения снижается примерно в 1.6 раза к краям, и в 2.2 раза - к углам изображения относительно центра. Отсюда следует, что чем дальше от центра - тем уровень шумов на фотографии будет выше, а четкость - ниже. Соответственно, эти явления надо считать в определенной мере естественными.
Правда, к ухудшению четкости может свою лепту добавить и кривизна оптики. В этом случае расположение мест ухудшения четкости будет несимметричным, см. предыдущий пример фотографии.

Но, кроме линейных операций при обработке таких фото, есть и две нелинейные операции, когда смартфон (планшет) сами дорисовывают на снимке то, чего на нем не было (или убирают то, что было). Эти операции - "шарпинг" и "шумодав".

Начнем с "шарпинга" (дословно с английского - "обострение").
"Шарпинг" - это операция подчеркивания контуров предметов на снимке.
Алгоритм её работы, не вдаваясь в математические подробности, таков: обнаружить контуры предметов, и сделать их более четкими. А для этого - светлую сторону контура сделать светлее, а темную - темнее.

Вот пример "правильной" работы шарпинга:

Посмотрите на фрагмент снимка в масштабе 100%:

Если ОЧЕНЬ хорошо присмотреться, то можно заметить вокруг темной части купола церкви светлую полоску на фоне неба. Толщина этой полоски - всего несколько пикселей. Это и есть "правильная" работа шарпинга - когда она почти не заметна.

А теперь посмотрим пример "неправильной" работы шарпинга:

Посмотрите на фрагмент из левого верхнего угла снимка в масштабе 100%:

Небо и некоторые части здания усыпаны точечками, завитушками и полосочками. Их создал шарпинг, пытаясь подчеркнуть контуры несуществующих предметов; за которые он принял, скорее всего шумы и мелкие неравномерности фона.
В результате картинка получилась с сильными искажениями.

Аналогичные дефекты могут сопровождать и работу "шумодава".
Система шумоподавления должна (по идее) убирать мелкие крапинки, возникающие на равномерном фоне из-за шумов; особенно - в условиях пониженного освещения.
Но на практике часто этот алгоритм работает туповато и начинает "размазывать" мелкие детали на вполне нормальном снимке с хорошим освещением.

Посмотрим на пример ошибочной работы "шумодава":

Посмотрите на фрагмент центральной части снимка в масштабе 100%:

На этом фрагменте отлично видно, что высококонтрастные части снимка получились хорошо; а те места, где находится повышенная концентрация небольших малоконтрастных деталей (веток деревьев), "размазаны" системой шумоподавления, поскольку ошибочно приняты за шум.

Также к ошибкам в программной обработке можно отнести и некоторые дефекты в цветопередаче .

Вариантов в ошибках цветопередачи может быть два: ошибочный цветовой баланс фотографии и низкая насыщенность цветов.

Так выглядит фотография со смещением цветового тона в сторону "тёплых" цветов:

Дефект цветового баланса признаётся таковым только в том случае, если он проявляется на фотографиях систематически. Если же он появляется на фото только иногда, то это - случайное отклонение, вызванное, как правило, специфическими условиями освещения в момент съёмки; и в "зачёт" как дефект не идёт.

Второй дефект программной обработки - низкая цветовая насыщенность - выглядит на фото так:

Сначала даже кажется, что эта фотография - чёрно-белая. Но приглядевшись, потом замечаешь, что трава - чуть-чуть зелёная. :)

Справедливости ради надо сказать, что последние два дефекта (цветового баланса и цветовой насыщенности) встречаются очень редко.

Дефекты в программной обработке никак не следуют из технических параметров камеры; их можно обнаружить, только просматривая тестовые фотографии в обзорах.

Как выбрать смартфон с хорошей камерой?

Итак, разобрав отдельные аспекты теории и практики, пора перейти к полезному применению полученных знаний.

Каков же алгоритм поиска смартфона с хорошей камерой?

Порядок действий будет примерно таким.

1 . Выбрать для детального анализа несколько смартфонов, у которых есть положительная репутация по части камер; или же производители сами заявили о таковой (иногда им можно верить:)). Скорее всего, это будут смартфоны не ниже среднего ценового диапазона и с разрешением основной камеры строго выше 10 Мпикс.

2 . Попытаться найти информацию о том, какой тип камеры (сенсора) установлен в смартфоне (смартфонах). Обычно эта информация публикуется на официальных сайтах производителей смартфонов. Если там не удалось найти такую информацию, можно попытаться найти её на сайте kimovil.com (найдя там характеристики заинтересовавшего смартфона).
Определить тип камеры в смартфоне (планшете) "постфактум" (после приобретения) можно с помощью утилиты "Device Info HW" , загрузив её на устройство из магазина приложений Play Market (для устройств на ОС Android) ; подробнее - в следующей главе.

3 . Далее по типу камеры (сенсора) найти её технические характеристики. Это можно сделать как через поисковики в интернете, так и на официальных сайтах и в англоязычной Википедии. Вот несколько полезных ссылок для сенсоров наиболее известных производителей: SONY (Википедия) , SONY (сайт производителя) , OmniVision (сайт производителя) , Samsung (сайт производителя) , Samsung (Википедия) . Список других производителей (в т.ч. китайских) - .

4 . В найденных технических параметрах камеры (сенсора) в первую очередь следует обратить внимание на физический размер матрицы. При равенстве примененных технологий чем размер матрицы больше, тем лучше получается изображение как по детализации, так и по уровню шумов.
На число мегапикселей обращать внимание следует во вторую очередь, это менее критичный параметр. Бо льшее количество мегапикселей позволяет получить снимки с лучшей детализацией при хорошем освещении, но с бо льшими шумами при пониженном освещении.
Следует также иметь в виду при этом, что в графических редакторах из изображения с бо льшим количеством пикселей всегда можно получить изображение с меньшим (с попутным уменьшением уровня шумов), а обратная операция приводит только к потере резкости и размытию контуров.

5 . Найти обзоры выбранного смартфона (смартфонов) с примерами полноразмерных фотографий (без сжатия размера). Далее желательно проанализировать те из них, в которых содержится максимальное число мелких деталей. Следует обратить внимание на типовые дефекты, перечисленные выше в статье: цветовое виньетирование, наличие областей нерезкости, чрезмерная работа шарпинга и/или шумодава. Если уровень этих дефектов велик, то отбрасываем данный смартфон из рассмотрения. Возвращаемся к пункту 1. :)

6 . Предпоследний пункт, "факультативный" (не обязательный). Рассмотреть возможность приобретения смартфона со сдвоенной камерой. Предназначения сдвоенной камеры могут быть различные.
Если вторая камера - черно-белая, то это позволяет улучшить соотношение сигнал/шум для съемок при пониженном освещении или же сделать качественные черно-белые (монохромные) фотографии.
Также вторая камера может быть и цветной, но с другим разрешением и/или углом зрения. Такие камеры используются обычно используются для определения переднего и заднего плана и создания "эффекта боке" (размытия заднего плана).
Еще один вариант - когда вторая камера имеет большее фокусное расстояние, чем первая. В этом случае она дает оптическое увеличение объектов и используется для создания оптического зума.
Есть ещё и смартфоны с эффектом, обратным предыдущему, т.е. когда вторая камера имеет меньшее фокусное расстояние и делает снимки в стиле "рыбий глаз".
И, наконец, последний вариант - когда вторая камера установлена "для красоты" и полезности в виде улучшения качества снимков или создания творческих эффектов не приносит. Этим грешат, как обычно, смартфоны дешевых китайских производителей.

7 . И последний пункт, тоже факультативный. Изучить по обзорам наличие и работу системы стабилизации изображения: эта система поможет уменьшить "субъективные" факторы ухудшения качества снимков, в первую очередь из-за дрожания камеры.

Как определить, какая камера установлена в Вашем смартфоне (планшете)?

Для смартфонов на системе Android существует отличная утилита, показывающая тип установленных камер (точнее - их сенсоров). Она называется "Device Info HW " и устанавливается легко и непринужденно из магазина приложений Play Market (бесплатно).Утилита считывает из смартфона (планшета) конфигурационную информацию и представляет её в удобочитаемом виде.

Раздел "Камера" в этом приложении выглядит так:

(кликнуть для увеличения)

Верхняя часть таблицы показывает реальные (аппаратные) параметры камер, а нижняя часть - программные (интерполированные). От более высоких интерполированных параметров полезности нет, так как пока что такие алгоритмы детализации добавить не могут (хотя в Google и работают над этой проблемой - как "дорисовать" на фотографии то, чего на ней нет:)).
Также эта диагностическая утилита определяет наличие вспышек при камерах и показывает эту информацию в таблице. Эта возможность может быть интересна в связи с тем, что известны случаи, когда в некоторых смартфонах вспышка для фронтальной камеры была "муляжом", т.е. реально не работала. Эта утилита в таких случаях показывает пользователю, что реально там вспышки нет, и не надо мучиться и пытаться заставить её работать. :)
В приведенном примере основная (тыловая) камера - Samsung S5K3P3 ,имеет разрешение в 1 6 мегапикселей; фронтальная камера - SuperPix SP8407 , разрешение - 8 мегапикселей.

К сожалению, утилита не всегда может показать модель сенсора, особенно для платформ Qualcomm (qcom) . В некоторых случаях для доступа к соответствующей информации в смартфоне могут потребоваться права ROOT , которые, в свою очередь, не для всех моделей удается получить. Также надо иметь в виду, что при получении прав ROOT могут отказаться работать системы бесконтактных платежей - с их точки зрения, это - нарушение правил безопасности.

Правда, в этом случае утилита может показать список совместимых камер, а уже из этого списка есть шанс методом сличения параметров найти ту, которая и применена.

Другие производители:
GalaxyCore (Китай)

Ваш Доктор .
22 февраля 2017 г., с дополнениями от 27 января 2018 г.

Устройство дисплея мобильного телефона (смартфона) и планшета. Устройство жидкокристаллического экрана. Типы дисплеев, их отличия.

Предисловие

В этой статье мы разберем устройство дисплеев современных мобильных телефонов, смартфонов и планшетов. Экраны крупных устройств (мониторов, телевизоров и т.п.), за исключением небольших нюансов, устроены аналогично.

Разборку будем проводить не только теоретически, но и практически, со вскрытием дисплея "жертвенного" телефона.

Рассматривать, как устроен современный дисплей, мы будем на примере наиболее сложного их них - жидкокристаллического (LCD - liquid crystal display ). Иногда их называют TFT LCD , где сокращение TFT расшифровывается "thin-film transistor" - тонкопленочный транзистор; поскольку управление жидкими кристаллами осуществляется благодаря таким транзисторам, нанесенным на подложку вместе с жидкими кристаллами.

В качестве "жертвенного" телефона, дисплей которого будет вскрыт, выступит дешевенький Nokia 105.

Основные составные части дисплея

Жидкокристаллические дисплеи (TFT LCD , и их модификации - TN, IPS, IGZO и т.д.) состоят укрупненно из трех составных частей: сенсорной поверхности, устройства формирования изображения (матрица) и источника света (лампы подсветки).Между сенсорной поверхностью и матрицей расположен еще один слой, пассивный. Он представляет собой прозрачный оптический клей или просто воздушный промежуток. Существование этого слоя связано с тем, что в ЖК-дисплеях экран и сенсорная поверхность представляют собой совершенно разные устройства, совмещенные чисто механически.

Каждая из "активных" составных частей имеет достаточно сложную структуру.

Начнем с сенсорной поверхности (тачскрин, touchscreen). Она располагается самым верхним слоем в дисплее (если она есть; а в кнопочных телефонах, например, ее нет).
Её наиболее распространенный сейчас тип - ёмкостная. Принцип действия такого тачскрина основан на изменении электрической емкости между вертикальными и горизонтальными проводниками при прикосновении пальца пользователя.
Соответственно, чтобы эти проводники не мешали рассматривать изображение, они делаются прозрачными из специальных материалов (обычно для этого используется оксид индия-олова).

Существуют также и сенсорные поверхности, реагирующие на силу нажатия (т.н. резистивные), но они уже "сходят с арены".
В последнее время появились и комбинированные сенсорные поверхности, реагирующие одновременно и на емкость пальца, и на силу нажатия (3D-touch -дисплеи). Их основу составляет емкостной сенсор, дополненный датчиком силы нажатия на экран.

Тачскрин может быть отделен от экрана воздушным промежутком, а может быть и склеен с ним (так называемое "решение с одним стеклом", OGS - one glass solution).
Такой вариант (OGS) имеет значительное преимущество по качеству, поскольку уменьшает уровень отражения в дисплее от внешних источников света. Это достигается за счет уменьшения количества отражающих поверхностей.
В "обычном" дисплее (с воздушным промежутком) таких поверхностей - три. Это - границы переходов между средами с разным коэффициентом преломления света: "воздух-стекло", затем - "стекло-воздух", и, наконец, снова "воздух-стекло". Наиболее сильные отражения - от первой и последней границ.

В варианте же с OGS отражающая поверхность - только одна (внешняя), "воздух-стекло".

Хотя собственно для пользователя дисплей с OGS очень удобен и имеет хорошие характеристики; есть у него и недостаток, который "всплывает", если дисплей разбить. Если в "обычном" дисплее (без OGS) при ударе разбивается только сам тачскрин (чувствительная поверхность), то при ударе дисплея с OGS может разбиться и весь дисплей целиком. Но происходит это не всегда, поэтому утверждения некоторых порталов о том, что дисплеи с OGS абсолютно не ремонтируемые - не верно. Вероятность того, что разбилась только внешняя поверхность - довольно велика, выше 50%. Но ремонт с отделением слоев и приклейкой нового тачскрина возможен только в сервис-центре; отремонтировать своими руками крайне проблематично.

Экран

Теперь переходим к следующей части - собственно экрану.

Он состоит из матрицы с сопутствующими слоями и лампы подсветки (тоже многослойной!).

Задача матрицы и относящихся к ней слоев - изменить количество проходящего через каждый пиксель света от лампы подсветки, формируя тем самым изображение; то есть в данном случае регулируется прозрачность пикселей.

Немного детальнее об этом процессе.

Регулировка "прозрачности" осуществляется за счет изменения направления поляризации света при прохождении через жидкие кристаллы в пикселе под воздействием на них электрического поля (или наоборот, при отсутствии воздействия). При этом само по себе изменение поляризации еще не меняет яркости проходящего света.

Изменение яркости происходит при прохождении поляризованного света через следующий слой - поляризационную пленку с "фиксированным" направлением поляризации.

Схематично структура и работа матрицы в двух состояниях ("есть свет" и "нет света") изображена на следующем рисунке:

(использовано изображение из нидерландского раздела Википедии с переводом на русский язык)

Поворот поляризации света происходит в слое жидких кристаллов в зависимости от приложенного напряжения.
Чем больше совпадут направления поляризации в пикселе (на выходе из жидких кристаллов) и в пленке с фиксированной поляризацией, тем больше в итоге проходит света через всю систему.

Если направления поляризации получатся перпендикулярными, то свет теоретически вообще проходить не должен - должен быть черный экран.

На практике такое "идеальное" расположение векторов поляризации создать невозможно; причем как из-за "неидеальности" жидких кристаллов, так и не идеальной геометрии сборки дисплея. Поэтому и абсолютно-черного изображения на TFT экране не может быть. На лучших LCD экранах контрастность белое/черное может быть свыше 1000; на средних 500...1000, на остальных - ниже 500.

Только что была описана работа матрицы, изготовленной по технологии LCD TN+film. Жидкокристаллические матрицы по другим технологиям имеют схожие принципы работы, но другую техническую реализацию. Наилучшие результаты по цветопередаче получаются по технологиям IPS, IGZO и *VA (MVA, PVA и т.п.).

Подсветка

Теперь переходим к самому "дну" дисплея - лампе подсветки. Хотя современная подсветка собственно ламп и не содержит.

Несмотря на простое название, лампа подсветки имеет сложную многослойную структуру.

Связано это с тем, что лампа подсветки должна быть плоским источником света с равномерной яркостью всей поверхности, а таких источников света в природе крайне мало. Да и те, что есть, не очень подходят для этих целей из-за низкого КПД, "плохого" спектра излучения, или же требуют "неподходящего" типа и величины напряжения свечения (например, электролюминесцентные поверхности, см. Википедию ).

В связи с этим сейчас наиболее распространены не чисто "плоские" источники света, а "точечная" светодиодная подсветка с применением дополнительных рассеивающих и отражающих слоев.

Рассмотрим такой тип подсветки, проведя "вскрытие" дисплея телефона Nokia 105.

Разобрав систему подсветки дисплея до её среднего слоя, мы увидим в левом нижнем углу единственный светодиод белого свечения, который направляет свое излучение внутрь почти прозрачной пластины через плоскую грань на внутреннем "срезе" угла:

Пояснения к снимку. В центре кадра - разделенный по слоям дисплей мобильного телефона. В середине на переднем плане снизу - покрытая трещинами матрица (повреждена при разборке). На переднем плане вверху - срединная часть системы подсветки (остальные слои временно удалены для обеспечения видимости излучающего белого светодиода и полупрозрачной "световодной" пластины).
Сзади дисплея видна материнская плата телефона (зеленого цвета) и клавиатура (снизу с круглыми отверстиями для передачи нажатия от кнопок).

Эта полупрозрачная пластина является одновременно и световодом (за счет внутренних переотражений), и первым рассеивающим элементом (за счет "пупырышков", создающих препятствия для прохождения света). В увеличенном виде они выглядят так:

В нижней части изображения левее середины виден яркий излучающий белый светодиод подсветки.

Форма белого светодиода подсветки лучше различима на снимке с пониженной яркостью его свечения:

Снизу и сверху этой пластины подкладывают обыкновенные белые матовые пластиковые листы, равномерно распределяющие световой поток по площади:

Его условно можно назвать "лист с полупрозрачным зеркалом и двойным лучепреломлением". Помните, на уроках физики нам рассказывали про исландский шпат, при прохождении через который свет раздваивался? Вот это похоже на него, только еще и немного с зеркальными свойствами.

Вот так выглядят обычные наручные часы, если часть их прикрыть этим листом:

Вероятное назначение этого листа - предварительная фильтрация света по поляризации (сохранить нужную, отбросить ненужную). Но не исключено, что и в плане направления светового потока в сторону матрицы эта пленка тоже имеет какую-то роль.

Вот так устроена "простенькая" лампа подсветки в жидкокристаллических дисплеях и мониторах.

Что касается "больших" экранов, то их устройство - аналогично, но светодиодов в устройстве подсветки там больше.

В более старых жидкокристаллических мониторах вместо светодиодной подсветки использовали газосветные лампы с холодным катодом (CCFL, Cold Cathode Fluorescent Lamp) .

Структура дисплеев AMOLED

Теперь - несколько слов об устройстве нового и прогрессивного типа дисплеев - AMOLED (Active Matrix Organic Light-Emitting Diode ).

Устройство таких дисплеев значительно проще, так как там нет лампы подсветки.

Эти дисплеи образованы массивом светодиодов и светится там каждый пиксель в отдельности. Достоинствами дисплеев AMOLED являются "бесконечная" контрастность, отличные углы обзора и высокая энергоэффективность; а недостатками - уменьшенный срок "жизни" синих пикселей и технологические сложности изготовления больших экранов.

Также надо отметить, что, несмотря на более простую структуру, стоимость производства дисплеев AMOLED пока что выше, чем дисплеев TFT LCD.

О том, что не в мегапикселях счастье, уже знают многие пользователи цифровой фототехники. Данная характеристика говорит лишь о том, какие размеры будет иметь фото при просмотре на дисплее, но не более того. На качество получаемого кадра влияют значение апертуры (светосилы), фокусное расстояние, тип матрицы, наличие/отсутствие оптического зума и стабилизации, вид автофокуса, размеры матрицы. О последнем параметре и пойдет речь в нашем материале.

Матрица камеры смартфона – это заменитель пленки в аналоговых фотоаппаратах. Она представляет собой поверхность, покрытую микроскопическими светочувствительными транзисторами. Каждый из них улавливает часть отраженного от предметов света, пропущенного через объектив, и в зависимости от длины оптической волны регистрирует значение. Каждому оттенку соответствует своя частота и длина излучения, за счет этого достигается «запоминание» цвета. Таким образом матрица камеры передает информацию процессору, которая записывается в файл изображения.

Матрица, наряду с объективом, является главной деталью камеры смартфона. Мегапиксели – это количество транзисторов, размещенных на ее поверхности. То есть, цифра в 13 МП означает, что на матрице находится около 13 миллионов эффективных светочувствительных транзисторов.

Производителям камер для смартфонов (самые известные из них – Sony, LG, Samsung, Philips, OmniVision) приходится искать компромиссы между габаритами и качеством матрицы. Дело в том, что при уменьшении размера пикселя, он начинает улавливать меньше света, становится менее чувствительным. А если оставить размеры пикселя прежними, наращивая их количество, то увеличится сам модуль камеры. В зеркалках это не страшно, а вот в смартфонах, толщиной 5-10 мм, каждый микрометр имеет значение.

В итоге в смартфонах, при увеличении мегапикселей, за счет миниатюризации транзисторов, каждый из них улавливает меньше света. Детализация картинки растет, но четкость изображения не меняется. В таких условиях камера на 8 МП не уступит камере на 16 МП, с таким же размером матрицы, а кое-где и обойдет ее.

Ультрапиксели

Ультрапиксели – это маркетинговый термин, введенный компанией HTC при презентации флагмана One M7. Под ним подразумевается матрица, разрешение которой специально уменьшено, с целью увеличения размеров пикселя до уровня полноценных фотоаппаратов. К примеру, упомянутый смартфон имел пиксели с размерами 2 мкм, что почти вдвое больше размеров транзисторов у традиционных матриц (1,1 мкм).

Еще в середине прошлого десятилетия, когда большинство смартфонов имели камеру на 0,3, 1,3 или 2 МП, увеличенные пиксели были обыденным делом. Таковыми обладали флагманы 2006 года Nokia N73 и N95, с пикселями на 5 мкм. Но массовая популяризация камер на 8-13 МП побудила HTC внедрить новый термин, дабы убедить клиентов, что их камера на 4 МП не хуже конкурентов на 8-13 МП.

Потом об ультрапикселях забыли, пока Samsung не выпустили на свет Galaxy S7, с технологией, которую объявили как UltraPixel , где размер пикселя был равен 1.4 мкм. Это позволило матрице захватывать больше света в темноте и делать более четкие снимки за счет увеличения матрицы, в сравнении с Galaxy S6.

Популярные размеры матриц в смартфонах

Размеры матриц цифровых фотокамер исторически принято измерять в дюймах. Но дюймы эти – не простые английские, а «видиконовые». Традиция их применения устоялась в прошлом столетии, когда кинокамеры были аналоговые. Регистрирующая ЭЛМ (электронно-лучевая мишень), именуемая видиконом, имела полезный размер, равный 2/3 от внешнего размера. Поэтому видиконовый дюйм равен 2/3 английского, или 17 мм. Матрица 1/3" означает, что ее диагональ составляет одну третью от 17 мм, или около 5,66 мм.

1/4"

Самый маленький размер матрицы в камере смартфона, выпускаемого в современности. При таких габаритах матрица вмещает 8 миллионов транзисторов, стандартного размера 1,12 мкм. Такими камерами оснащаются бюджетные китайские смартфоны. Качество фотосъемки оставляет желать лучшего, зато достигается компактность. Поэтому подобными матрицами спереди оборудуют флагманские модели с передней камерой на 8 МП.

1/3,2"

Распространенный размер для камер с разрешением 8 МП, но увеличенным размером пикселя до 1,4 мкм. Такая матрица камеры ранее устанавливалась в Google Nexus 5, Meizu MX3, Moto G 2014. Сейчас подобная используется в бюджетных камерафонах (вроде UMI Rome X). Также она может устанавливаться в роли фронталки во флагманах, вроде ZTE Nubia Z9.

1/3"

Еще один ходовый размер матрицы, используемой во многих смартфонах. При сохранении стандартного размера пикселя 1,12 мкм, она обеспечивает разрешение 13 МП. Такими матрицами оснащены камеры Xiaomi Redmi Note 2 и 3, Mi 4c, Meizu M2 и M3 (как Mini, так и Note), Samsung Galaxy J5 2016, Samsung Galaxy S4 и многие другие. Отдельно выделяется Xiaomi Redmi Note 3 Pro, оснащенный матрицей такого размера, но с разрешением 16 МП. Уменьшение пикселя до 1 мкм позволило улучшить детализацию при ярком освещении, но сделало смартфоны хуже приспособленными к условиям средней и слабой освещенности.

Также стоит отметить iPhone 5s и 6, у которых размеры матрицы составляют 1/3", но разрешение – всего 8 МП. За счет увеличенных пикселей эти смартфоны обеспечивают качество фото, не уступающее (а иногда и превосходящее) конкурентам с 13 и 16 МП. Такой же размер матрицы имеет и iPhone 6s, с разрешением 12 МП. Его показатели в этом плане немного превосходят конкурентов на 13 МП, так как габарит пикселя составляет 1,22 мкм (а не 1,12 мкм).

1/2,8"

Наиболее популярный размер матрицы камеры для смартфонов с 16 МП. Такие камеры встречаются у Xiaomi Max, OnePlus 3, Xiaomi Mi5. Эти смартфоны отличаются тем, что размер пикселя составляет 1,12 мкм. Почти 90 % устройств с 16 МП имеют матрицу размера 1/2,8".

Cнимок на камеру Xiaomi Mi5

1/2,6"

Матрица 1/2,6" – это уже «покушение» на класс реальных (а не маркетинговых) камерафонов. Такой оборудованы LG G4 (16 МП) и ZTE Nubia Z9. Также подобные матрицы встречаются в Samsung Galaxy S6 и S6 Edge, Note 5, Asus ZenFone 3 Ultra и другие флагманские устройства. Подобная камера (на 12 МП) использована в Samsung Galaxy S7, S7 Edge, Note 7, но с размером 1/2,6.

1/2,4"

Размер матрицы 1/2,4" - это уже явный признак камерафона. Sony в своих 21-мегапикскльных камерах (как у Xperia Z1, Z2), а также Meizu MX4, MX5, сохраняют приемлемый размер пикселей 1,12 мкм, в угоду разрешению. Также такая матрица встречается в Moto X Force и других смартфонах.

1/2,3"

Фото с Sony Xperia Z1 Compact

Это уже «гигант» в мире мобильных камер. Наличие такой матрицы подразумевает, что производитель позаботился о разумном сочетании мегапикселей и размеров матрицы. Она встречается в Sony Xperia Z1 Compact, Xperia Z2 (оба – 21 МП). Такое сочетание позволяет добиться отличной детализации без особого ущерба четкости.

Более крупные матрицы камер

К сожалению, в прошлом остались матрицы, обладающие более крупными размерами. Сейчас они применяются только в фотоаппаратах (зеркальных, беззеркальных и мыльницах). Производители стараются поднять светочувствительность транзисторов матриц, улучшить их, но не всегда это возможно. Так как фокусное расстояние напрямую связано с размерами матрицы – увеличение оной приведет к росту высоты камеры. В век, когда превышать толщину смартфона более 10 мм становится моветоном и грешным делом – увидеть матрицы большего размера нам не суждено.

Банальнее этой аксиомы только объяснение «в iPhone, оказывается, нет слота для карты памяти». Но новички продолжают совершать ошибки, когда «клюют» на количество Мп в камере, а значит, придётся повторяться.

Представьте себе окно - обычное окно в жилом доме или квартире. Количество мегапикселей - это, грубо говоря, количество стекол внутри оконной рамы. Если продолжать проводить параллели со смартфонами, в глубокой древности стекла для окон были одинакового размера и считались дефицитным товаром. Поэтому, когда условный «Толян» рассказывал, что у него в оконном блоке 5 стекол (мегапикселей), все понимали, что Анатолий - человек серьёзный и обеспеченный. И характеристики окна тоже сразу были понятны - хороший обзор наружу дома, большая площадь остекления.

Несколько лет позже окна (мегапиксели) перестали быть дефицитом, поэтому их количество нужно было всего лишь довести до необходимого уровня, и на этом успокоиться. Просто привести в соответствие с площадью (форточка для вентиляции и лоджия, прочности ради, требуют разного количества окон), чтобы камера выдавала чуть более плотную картинку, чем выдают 4K-мониторы и телевизоры. И заняться наконец другими характеристиками - например, бороться с помутнением стекол и искажением изображения. Научить камеры правильно наводить резкость и разрисовывать имеющиеся мегапиксели качественно, если хотите конкретики.

Справа «мегапикселей» больше, но ничего, кроме «препятствий» при одинаковой площади «сенсора», они не дают

Но народ уже привык измерять качество камер мегапикселями, и продавцы с радостью этому потакали. Поэтому цирк с огромным количеством стекол (мегапикселей) в прежней по габаритам раме (размерах матрицы камеры) продолжился. В результате сегодня пиксели в смартфонных камерах, хоть и не «набиты» с плотностью москитной сетки, но «расстекловка» стала слишком плотной, и свыше 15 мегапикселей в смартфонах почти всегда портят, а не улучшают фотографии. Никогда такого не было, и вот опять оказалось, что важен не размер, а умение.

При этом «зло», как вы понимаете, не сами мегапиксели - если бы тонны мегапикселей были распластаны на достаточно габаритной камере, они пошли бы смартфону на пользу. Когда камера способна раскрыть потенциал всех мегапикселей на борту, а не «размазывать» их крупным оптом при съёмке, фотографию можно увеличить, обрезать, и она останется качественной. То есть никто не поймёт, что это всего лишь фрагмент более крупного снимка. Но сейчас такие чудеса встречаются только в «правильных» зеркальных и беззеркальных камерах, в которых одна только матрица (микросхема с фотодатчиками, на которую сквозь «стёклышки» камеры прилетает картинка) намного больше смартфонной камеры в сборе.

«Зло» - традиция засовывать обойму мегапикселей в крохотные камеры мобильников. Ничего, кроме замыленности картинки и избытка цифрового шума («гороха» в кадре), такая традиция не привнесла.

Sony навалили 23 мегапикселя там, где конкуренты ставят 12-15 Мп, и поплатились за это снижением чёткости картинки. (фото - manilashaker.com)

Для справки: в лучших камерафонах 2017 года основные задние камеры (не путать с ч/б добавочными) все как одна оперируют «жалкими» 12-13 мегапикселями. В разрешении фото это примерно 4032x3024 пикселя - хватает и на Full HD (1920x1080) монитор, и на 4K (3840x2160) тоже, хоть и впритык. Грубо говоря, если в камере смартфона больше 10 мегапикселей, их количество уже не важно. Важны другие вещи.

Как определить, что камера качественная, до взгляда на фото и видео с неё

Диафрагма – насколько широко смартфон «раскрыл глаза»

Белка питается орешками, депутаты – деньгами народа, а фотокамеры – светом. Чем больше света, тем выше качество фотографии и больше деталей. Только вот солнечной погоды и по-студийному ярких ламп освещения на любой случай жизни не напасешься. Поэтому для хороших фото в помещениях, либо на улице в пасмурную погоду/ночью камеры конструируют таким образом, чтобы они добывали много света даже в неблагоприятных условиях.

Самый простой способ заставить прилетать на сенсор камеры больше света – сделать крупнее отверстие в объективе. Показатель того, насколько широко раскрыты «глазища» камеры, называют диафрагмой, апертурой, либо светосилой – это один и тот же параметр. А слова разные для того, чтобы обзорщикам в статьях могли выпендриваться непонятными терминами как можно дольше. Потому что, если не выпендриваться, диафрагму можно назвать просто, извините, «дыркой», как это принято у фотографов.

Диафрагму обозначают дробью с буквой f, косой чертой и цифрой (или с заглавной F и без дроби: например, F2.2). Почему

так – долго рассказывать, да и не в этом суть, как поёт Ротару. Суть вот в чём: чем меньше цифра после буквы F и косой черты, тем лучше камера в смартфоне. Например, f/2.2 в смартфонах – хорошо, а f/1.9 лучше! Чем шире диафрагма, тем больше света попадает на матрицу и тем лучше смартфон «видит» (более качественно снимает фото и видео) ночью. Бонусом широкой диафрагмы прилагается красивое размытие фона, когда вы фотографируете цветочки вблизи, даже если в смартфоне не сдвоенная камера.

Мелания Трамп объясняет, как выглядит различная диафрагма в камерах смартфонов

Перед покупкой смартфона не поленитесь уточнить, насколько «зрячая» в нём тыловая камера. Присмотрели Samsung Galaxy J3 2017 – вбивайте в поиск «Galaxy J3 2017 диафрагма», «Galaxy J3 2017 светосила» или «Galaxy J3 2017 апертура», чтобы узнать точную цифру. Если же в смартфоне, который вы для себя присмотрели, о диафрагме ничего не известно, возможны два варианта:

• Камера настолько плохая, что производитель решил молчать о её характеристиках. Примерно таким же хамством маркетологи занимаются, когда в ответ на «какой в смартфоне процессор?» отвечают «четырёхъядерный» и всячески увиливают, чтобы не оглашать конкретную модель.
• Смартфон только появился в продаже и никаких характеристик, кроме тех, что в рекламном анонсе, по нему ещё «не завезли». Подождите пару-тройку недель – обычно в течение этого времени подробности выходят в свет.

Какой должна быть диафрагма в камере нового смартфона?

В 2017-2018 гг. даже у бюджетной модели тыловая камера должна выдавать хотя бы f/2.2. Если число в знаменателе этой дроби больше, готовьтесь к тому, что камера будет видеть картинку будто бы в затемнённых очках. А вечером и ночью она будет «подслеповатой» и почти ничего не сможет видеть даже на расстоянии нескольких метров от смартфона. И не надейтесь на «крутилки» яркости – в смартфоне с f/2.4 или f/2.6 вечерняя фотография с «натянутой» программным способом экспозицией окажется «шершавой размазнёй», тогда как камера с f/2.2 или f/2.0 снимет более качественное фото без ухищрений.

Чем шире диафрагма, тем выше качество съёмки на камеру смартфона

В самых «крутых» смартфонах сегодня устанавливают камеры с апертурой f/1.8, f/1.7 или даже f/1.6. Сама по себе диафрагма не гарантирует максимального качества снимков (качество сенсора и «стеклышек» никто не отменял) – это, процитирую фотографов, всего лишь «дырка», сквозь которую камера глядит на мир. Но при прочих равных лучше выбирать смартфоны, в которых камера не «прищурилась», а получает изображение с широко раскрытыми «глазами».

Диагональ матрицы (сенсора): чем больше - тем лучше

Матрица в смартфоне – это не та матрица, где люди со сложными мордами лица в чёрных плащах уворачиваются от пуль. В мобильниках это слово обозначает фотоэлемент… проще говоря, пластину, на которую сквозь «стекляшки» оптики прилетает картинка. В старых фотоаппаратах картинка прилетала на фотоплёнку и там сохранялась, а матрица вместо этого накапливает информацию о фотоснимке и отправляет её в процессор смартфона. Процессор оформляет всё это в конечную фотографию и складирует файлы во внутреннюю память, либо на microSD.

О матрице нужно знать только одно - она должна быть как можно более крупной. Если оптика – это водопроводный шланг, а диафрагма - горлышко ёмкости, то матрица – тот самый резервуар для воды, которого не бывает мало.

Размеры матрицы принято измерять в бесчеловечных, с колокольни простых покупателей, видиконовых дюймах. Один такой дюйм равен 17 мм, но камеры в смартфонах пока не «вымахали» до таких размеров, поэтому диагональ матрицы обозначают дробью, как и в случае с диафрагмой. Чем меньше вторая цифра в дроби (делитель), тем больше матрица -> тем круче камера.

Понятно, что ничего не понятно? Тогда просто запомните вот такие цифры:

Бюджетный смартфон будет фотографировать хорошо, если размер матрицы в нём составляет хотя бы хотя бы 1/3" при разрешении камеры не выше 12 Мп. Больше мегапикселей - ниже качество на практике. А если мегапикселей меньше десяти, на хороших крупных мониторах и телевизорах фотография будет выглядеть рыхлой, просто потому, что в них меньше точек, чем по высоте-ширине в экране вашего монитора.

В смартфонах среднего класса хороший размер матрицы - 1/2.9” или 1/2.8”. Найдёте более крупную (1/2.6” или 1/2.5”, например) - считайте, очень повезло. Во флагманских смартфонах хороший тон - матрица размером как минимум 1/2.8”, а лучше - 1/2.5”.

Смартфоны с крупным сенсором снимают лучше, чем модели с мелкими фотоэлементами

Бывает ли ещё круче? Бывает - смотрите на 1/2.3” в Sony Xperia XZ Premium и XZ1. Почему же тогда эти смартфоны не ставят рекорды качества фото? Потому что «автоматика» камеры постоянно ошибается с подбором настроек для съёмки, а запас «чёткости и зоркости» камеры подпорчен количеством мегапикселей - их в этих моделях навалили 19 вместо стандартных для новых флагманов 12-13 Мп, и ложечка дёгтя перечеркнула преимущества огромной матрицы.

Есть ли в природе смартфоны с хорошей камерой и менее суровыми характеристиками? Есть - взгляните на Apple iPhone 7 с его 1/3" при 12 Мп. На Honor 8, которому хватает 1/2.9" с таким же количеством мегапикселей. Магия? Нет - просто хорошая оптика и идеально «вылизанная» автоматика, которая учитывает потенциал камеры так же хорошо, как брюки, пошитые на заказ, учитывают количество целлюлита на ляжках.

Но есть проблема - производители почти никогда не указывают размер сенсора в характеристиках, потому что это не мегапиксели, и можно опозориться, если сенсор дешёвый. А в обзорах или описаниях смартфонов в интернет-магазинах такие характеристики камер встречаются и того реже. Даже если вы подобрали себе смартфон с адекватным количеством мегапикселей и многообещающим значением диафрагмы, есть шанс никогда не узнать размер тылового фотосенсора В таком случае обращайте внимание на последнюю характеристику смартфонных камер, которая напрямую влияет на качество.

Лучше мало крупных пикселей, чем много мелких

Представьте себе бутерброд с красной икрой, или взгляните на него , если плохо помните, как такие деликатесы выглядят. Подобно тому, как икринки в бутерброде распределяются по куску батона, площадь сенсора камеры (матрицы камеры) в смартфоне оккупируют светочувствительные элементы - пиксели. Этих пикселей в смартфонах, мягко говоря, не десяток, и даже не дюжина. Один мегапиксель - 1 млн. пикселей, в типичных камерах смартфонов 2015-2017 годов выпуска таких мегапикселей 12-20.

Как мы уже разобрались, содержать избыточное количество «болванчиков» на матрице смартфона губительно для снимков. Эффективность у такого столпотворения выходит, как у специализированных отрядов людей для замены лампочки . Поэтому в камере лучше наблюдать меньшее количество толковых пикселей, чем большее количество бестолковых. Чем крупнее каждый из пикселей в камере, тем менее «грязными» получаются фотографии, а видеозапись становится менее «прыгучей».

Крупные пиксели в камере (фото внизу) делают вечерние и ночные снимки более качественными

Идеальная смартфонная камера состоит из большого «фундамента» (матрицы/сенсора) с большими пикселями на нём. Только вот делать смартфоны толще или выделять для камеры половину корпуса сзади никто не собирается. Поэтому «застройка» будет такой, чтобы камера не торчала из корпуса и не занимала много места, мегапиксели были крупногабаритными, пусть даже их будет всего 12-13, а матрица была максимально крупной, чтобы все их вместить.

Размер пикселя в камере измеряется в микрометрах и обозначается как мкм в русском языке или µm в латинице. Перед тем, как купить смартфон, убедитесь, что пиксели в нём достаточно крупные – это косвенный признак того, что камера снимает хорошо. Вбиваете в поиск, например, «Xiaomi Mi 5S мкм» или «Xiaomi Mi 5S µm» – и радуетесь характеристикам камеры смартфона, который вы себе заприметили. Или огорчаетесь – зависит от цифр, которые вы увидите в результате.

Насколько большим должен быть пиксель в хорошем камерафоне?

Размерами пикселей в «новейшем» времени особенно прославился… Google Pixel – смартфон, который вышел в 2016 году и «показал Кузькину мать» конкурентам за счёт сочетания огромной (1/2.3”) матрицы и очень крупных пикселей порядка 1,55 мкм. С таким набором он почти всегда выдавал детальнейшие фотографии даже в пасмурную погоду или в тёмное время суток.

Почему бы производителям не «обрезать» мегапиксели в камере до минимума и расставить на матрице минимум пикселей? Такой эксперимент уже был – HTC в флагмане One M8 (2014 год) сделала пиксели настолько огромными, что их в тыловую камеру поместилось… четыре на 1/3”-матрице! Таким образом, One M8 получил пиксели размером аж 2 мкм! В итоге по качеству снимков в тёмное время суток смартфон «порвал» практически всех конкурентов. Да и фотографий в разрешении 2688×1520 пикселей было достаточно для Full HD-мониторов того времени. Но всесторонним чемпионом камера HTC не стала, потому что тайваньцев подвели HTC точность цветопередачи и «тупые» алгоритмы съёмки, которые не умели «правильно готовить» настройки для сенсора с необычным потенциалом.

Сегодня все производители «перебесились» гонкой за максимально крупными пикселями, поэтому:

• В хороших бюджетных камерафонах размер пикселя должен быть от 1,22 мкм и больше
• В флагманах хорошим тоном принято считать пиксели размером от 1,25 мкм до 1,4 либо 1,5 мкм. Больше – лучше.

Смартфонов с хорошей камерой и относительно мелкими пикселями мало, но они существуют в природе. Это, конечно же, Apple iPhone 7 с его 1.22 мкм и OnePlus 5 с 1.12 мкм – они «выезжают» за счёт очень качественных сенсоров, очень хорошей оптики и «умной» автоматики.

Без этих слагаемых маленькие пиксели губят качество фото в флагманских смартфонах. Например, в LG G6 алгоритмы творят непотребство при ночной съёмке, а сенсор, хоть и облагорожен хорошими «стёклами», но сам по себе дешёвый. В

итоге 1,12 мкм портят ночные снимки всегда, кроме случаев, когда вы вступаете в бой с «ручным режимом» взамен тупой автоматики и исправляете её огрехи самостоятельно. Такая же картина царит и в съёмке на Sony Xperia XZ Premium или XZ1. А в шедевральной, «на бумаге», камере Xiaomi Mi 5S соперничать с флагманами iPhone и Samsung мешает отсутствие оптической стабилизации и всё те же «кривые руки» разработчиков алгоритмов, из-за чего смартфон хорошо справляется со съёмкой только днём, а ночью уже не очень впечатляет.

Для того, чтобы было понятно, сколько вешать в граммах, взгляните на характеристики камер в одних из лучших камерафонов современности.

Какой тип автофокуса самый лучший

Автофокус – это когда мобильник самостоятельно «наводит резкость» во время съёмки фото и видео. Он нужен для того, чтобы не крутить настройки «на каждый чих», как наводчик в танке.

В старых смартфонах и в современных китайских «бюджетниках» производители используют контрастный автофокус. Это самый примитивный способ наведения резкости, который ориентируется на то, насколько светло или темно «прямо по курсу» перед камерой, словно наполовину слепой человек. Именно поэтому на фокусировку дешёвым смартфонам нужно примерно пару секунд, за которые легко «проворонить» движущийся объект, или перехотеть снимать то, что собирались, потому что «поезд ушёл».

Фазовый автофокус «ловит свет» по всей площади сенсора камеры, вычисляет, под каким углом в камеру попадают лучи и делает выводы о том, что находится у смартфона «перед носом» или чуть дальше. За счёт своей «интеллектуальности» и вычислений очень быстро работает днём и вообще ничем не досаждает. Распространён во всех современных смартфонах, кроме совсем уж бюджетных. Единственный недостаток – работа ночью, когда в узенькую дырку диафрагму мобильника свет прилетает в настолько маленьких порциях, что у смартфона «рвёт крышу» и он постоянно ёрзает фокусировкой из-за резкой смены информации.

Лазерный автофокус – самый шик! Лазерные дальномеры всегда использовали, чтобы «бросить» луч на дальнее расстояние и вычислить дистанцию для объекта. LG в смартфоне G3 (2014 г.) научила такое «сканирование» помогать камере быстро наводить резкость.

Лазерный автофокус удивительно быстр даже в помещениях или полутьме

Взгляните на свои наручные часы... хотя, о чём это я… ладно, включите секундомер в смартфоне и оцените, как быстро проходит одна секунда. А теперь мысленно разделите её на 3,5 – за 0,276 секунды смартфон получает информацию о расстоянии до объекта съёмки и докладывает об этом камере. Причём не теряет в скорости ни в тёмное время суток, ни в непогоду. Если вы планируете снимать фото и видео вблизи или на небольшом расстоянии при недостатке света, смартфон с лазерным автофокусом будет вас очень выручать.

Но имейте в виду, что мобильники – не орудия из «Звёздных войн», поэтому дальность работы лазера в камере едва перемахивает за пару метров. Всё, что находится дальше, мобильник рассматривает при помощи всё того же фазового автофокуса. Иными словами, для съёмок объектов издалека не обязательно разыскивать смартфон с «лазерным наведением» в камере – проку от такой функции в общих планах фото и видео вы не получите.

Оптическая стабилизация. Зачем нужна и как работает

Вы когда-нибудь ездили на автомобилях с рессорной подвеской? На армейских «уазиках», например, или скорой помощи с такой же конструкцией? Помимо того, что в таких машинах можно «отбить пятую точку», в них невероятно трясёт – подвеска максимально жёсткая, чтобы не развалиться на бездорожье, и поэтому она сообщает пассажирам всё, что думает о дорожном покрытии, откровенно и не «пружиня» (потому что пружинить нечем).

Теперь вы знаете, как себя чувствует камера в смартфоне без оптической стабилизации, когда вы пытаетесь сделать фото.

Проблема съёмки на смартфон состоит вот в чём:

• Камере нужно много света, чтобы фотографировать качественно. Не прямые лучи солнца в «физиономию», а рассеянного, повсеместного света вокруг.
• Чем дольше камера «рассматривает» изображение во время фото, тем больше света она выхватывает = тем выше качество картинки.
• В момент съёмки и этих «гляделок» камеры смартфон должен быть неподвижным, чтобы картинку не «размазало». Уедет хотя бы на долю миллиметра - кадр окажется испорчен.

А человеческие руки трясутся. Это хорошо заметно, если вы поднимете на вытянутых руках и попробуете подержать штангу, и менее заметно, когда вы держите перед собой мобильник для съёмки фотографии или видеозаписи. Разница в том, что штанга может «плавать» у вас в руках в широких границах - лишь бы не приложить её о стену, соседа или не уронить на ноги. А смартфону нужно успеть «нахвататься» света, чтобы фотография вышла удачной, и сделать это до того, как он отклонится на доли миллиметра в ваших руках.

Поэтому алгоритмы пытаются и камере угодить, и повышенных требований к вашим рукам не выдвигать. То есть сообщают камере, например «значит так, 1/250 долю секунды можешь заниматься съёмкой, этого хватит, чтобы фотография более-менее удалась, и сделать кадр до того, как камера сдвинется в сторону, тоже хватит». Вот эта штука называется выдержкой.

Как работает оптическая стабилизация

При чём тут оптостаб? Так ведь он и есть та «амортизация», с которой камера не трясётся, как кузов армейских грузовиков, а «плавает» в небольших границах. В случае со смартфонами плавает не в воде, а удерживается магнитами и «ёрзает» на небольшом расстоянии от них.

То есть, если смартфон чуть «уедет» или дрогнет во время съёмки, камеру тряхнёт гораздо слабее. С такой страховкой смартфон сможет:

• Завышать выдержку (гарантированное время «на разглядеть картинку до того, как фото будет готов») для камеры. Камера получает больше света, видит больше подробностей изображения = качество фото днём оказывается ещё выше.
• Снимать чёткие снимки в движении. Не во время спринтерского рывка по бездорожью, а во время ходьбы или из окна трясущегося автобуса, к примеру.
• Компенсировать тряску в видеозаписи. Даже если вы очень резко топаете ногами или чуть раскачиваетесь под тяжестью сумки во второй руке, на видеозаписи этого не будет так заметно, как в смартфонах без оптического стабилизатора.

Поэтому оптостаб (OIS, как его кличут по-английски) - крайне полезная штуковина в камере смартфона. Без него тоже можно, но грустно - камера должна быть качественной «с запасом», а автоматике придётся укорачивать (ухудшать) выдержку, потому что страховки от тряски в смартфоне нет. При съёмке видео приходится на лету «передвигать» картинку так, чтобы дрожание не было видно. Это сродни тому, как в старых кинофильмах имитировали скорость едущего автомобиля , когда он на самом деле неподвижно стоял. С тем отличием, что в фильмах эти сцены снимали с одного дубля, а смартфонам приходится просчитывать тряску и бороться с ней на лету.

Смартфонов с хорошей камерой, которая без стабилизации снимает не хуже, чем у конкурентов со стабилизацией, исчезающе мало - это, к примеру, Apple iPhone 6s, первое поколение Google Pixel, OnePlus 5, Xiaomi Mi 5s и, с некоторой натяжкой, Honor 8/Honor 9.

На что не следует обращать внимание

• Вспышка . Полезна только при съёмке в кромешной темноте, когда нужно любой ценой сделать фотографию. В итоге наблюдаете бледные лица людей в кадре (при том всех, ведь вспышка маломощная), зажмуренные от яркого света глаза, или очень странный цвет зданий/деревьев - художественной ценности фотографии со смартфонной вспышкой точно не несут. В роли фонарика светодиод близ камеры гораздо полезнее.
• Количество линз в камере . «Раньше, когда у меня был интернет 5 Мбит/с, я писал реферат за день, а теперь, когда у меня 100 Мбит/с, я пишу его за 4 секунды». Нет, ребята - это так не работает. Не важно, сколько линз в смартфоне, не важно, кто их выпустил (Carl Zeiss, судя по качеству новых камер Nokia, тоже). Линзы либо качественные, либо нет, и проверить это можно только реальными фотографиями.

Качество «стекляшек» (линз) влияет на качество камеры. А количество - нет

• Съёмка в RAW . Если вы не в курсе, какой такой RAW, объясняю:

JPEG - стандартный формат, в котором смартфон записывает фотографии, это «готовый к употреблению» снимок. Как салат «Оливье» на праздничном столе - разобрать его «на компоненты», чтобы переделать его в другой салат, можно, но получится не очень качественно.

RAW - это здоровенный по объёму на «флэшке» файл, в котором в чистом виде, отдельными «строчками» вшиты все варианты яркости, чёткости и цветности для фотографии. То есть фотография не будет «покрываться мелкими точечками» (цифровым шумом), если вам вздумается сделать её не настолько тёмной, какой она оказалась в JPEG, а чуть более яркой, как если бы вы правильно выставили яркость в момент съёмки.

Короче говоря, RAW позволяет гораздо более удобно «фотошопить» кадр, чем JPEG. Но загвоздка в том, что флагманские смартфоны почти всегда подбирают настройки правильно, поэтому, кроме загаженной «тяжёлыми» фотографиями в RAW памяти смартфона, пользы от «фотошоперских» файлов будет мало. А в дешёвых смартфонах качество камеры настолько плохое, что вы будете наблюдать плохое качество в JPEG, и настолько же плохой исходник в RAW. Не заморачивайтесь.

• Наименование сенсора камеры . Когда-то они были супер-важны, потому что были «знаком качества» камеры. От модели сенсора (модуля) камеры зависит размер матрицы, количество мегапикселей и размер пикселя, незначительные «фамильные признаки» алгоритмов съёмки.

Из «большой тройки» производителей модулей камер для смартфонов самые качественные модули выпускает Sony (отдельные примеры не берём в расчёт, речь о средней температуре по больнице), следом идёт Samsung (сенсоры Samsung в смартфонах Samsung Galaxy даже лучше, чем самые крутые сенсоры Sony, но «на сторону» корейцы продают что-то несуразное), и, наконец, замыкает список OmniVision, который выпускает «ширпотреб, но терпимый». Нетерпимый ширпотреб выпускают все остальные подвальные китайские конторы, название которых в характеристиках смартфонов стыдятся упоминать даже сами производители.

8 - вариант исполнения. Знаете, как это в бывает в автомобилях? Минимальная комплектация с «тряпочкой» на сидениях и «деревянным» салоном, максимальная - с сидениями из искусственной замши и кожаной приборной панелью. Для покупателей разница в этой цифре мало о чём говорит.

Почему после всего этого не следует обращать внимания на модель сенсора? Потому что с ними дела обстоят так же, как с мегапикселями - китайские «альтернативно одарённые» производители активно закупают дорогие сенсоры Sony, трубят на каждом углу «в нашем смартфоне супер-качественная камера!»… а камера при этом омерзительная.

Потому что «стёклышки» (линзы) в таких мобильниках ужасающего качества и пропускают свет чуть лучше, чем пластиковая бутылка из-под газировки. Диафрагма камеры из-за этих же ублюдочных «стёкол» далека от идеала (f/2.2 или даже выше), а настройкой сенсора для того, чтобы камера правильно подбирала цвета, хорошо сработалась с процессором и не уродовала снимки, никто не занимается. Вот вам наглядный пример того, что модель сенсора мало на что влияет:

Как видите, смартфоны с одним и тем же сенсором камеры могут снимать абсолютно по-разному. Поэтому не думайте, что дешёвый Moto G5 Plus с модулем IMX362 будет снимать настолько же качественно, как это делает HTC U11 с его поразительно крутой камерой.

Ещё больше раздражает «лапша на уши», которую Xiaomi навешивает на уши покупателей, когда рассказывает, что «камера в Mi Max 2 очень похожа на камеру во флагманском Mi 6 - в них одинаковые сенсоры IMX386! Одинаковые, только снимают смартфоны очень по-разному, диафрагма (а значит, и возможность снимать при плохом освещении) в них разная, и Mi Max 2 не выдерживает никакой конкуренции с флагманом Mi6.

1. Дополнительная камера «помогает» снимать фото ночью основной и умеет снимать ч/б фото. Самые знаменитые смартфоны с такими реализациями камер - Huawei P9, Honor 8, Honor 9, Huawei P10.
2. Второстепенная камера позволяет «впихнуть невпихуемое», то есть снимает снимки с почти панорамным углом обзора. Единственным сторонником такого типа камер был и остаётся LG - начиная с LG G5, продолжая моделями V20, G6, X Cam и, теперь, V30.
3. Две камеры нужны для оптического зума (приближения без потери качества). Чаще всего этот эффект достигается одновременной работой сразу двух камер (Apple iPhone 7 Plus, Samsung Galaxy Note 8), хотя и встречаются модели, которые при увеличении просто переключаются на отдельную «дальнобойную» камеру - ASUS ZenFone 3 Zoom, к примеру.

Как выбрать качественную селфи-камеру в смартфоне?

Лучше всего - на базе примеров реальных фотографий. Причём, как днём, так и ночью. Днём почти все селфи-камеры выдают хорошие фото, но только качественные «фронталки» способны снимать что-то разборчивое в тёмное время суток.

Не обязательно штудировать лексику фотографов и углубляться, за что отвечает та или иначе характеристика - можно просто вызубрить цифры «столько-то - хорошо, но если цифра больше - плохо» и подобрать смартфон гораздо быстрее. За разъяснениями терминов добро пожаловать в начало статьи, а здесь мы попытаемся вывести формулу качественной камеры в смартфонах.

Не хочу разбираться в характеристиках! Какой купить смартфон с хорошими камерами?

Производители выпускают бесчисленное количество смартфонов, но среди них очень мало моделей, которые умеют хорошо фотографировать и снимать видео.

Архитектура пикселей у производителей разная. Для примера здесь приводится архитектура ПЗС -пикселя.

Пример субпикселя ПЗС-матрицы с карманом n-типа

Обозначения на схеме субпикселя ПЗС-матрицы - матрицы с карманом n-типа:
1 - фотоны света, прошедшие через объектив фотоаппарата;
2 - ;
3 - R - красный светофильтр субпикселя, фрагмент фильтра Байера ;
4 - прозрачный электрод из поликристаллического кремния или сплава индия и оксида олова;
5 - оксид кремния;
6 - кремниевый канал n-типа: зона генерации носителей - зона внутреннего фотоэффекта ;
7 - зона потенциальной ямы (карман n-типа), где собираются электроны из зоны генерации носителей заряда ;
8 - кремниевая подложка p-типа .

Микролинза субпикселя

Буферные регистры сдвига на ПЗС-матрице, равно как и обрамление КМОП-пиксела на КМОП-матрице «съедают» значительную часть площади матрицы, в результате, каждому пикселю достаётся лишь 30 % светочувствительной области от его общей поверхности. У матрицы с полнокадровым переносом эта область составляет 70 %. Именно поэтому в большинстве современных ПЗС матриц над пикселем устанавливается микролинза. Такое простейшее оптическое устройство покрывает бо́льшую часть площади ПЗС-элемента и собирает всю падающую на эту часть долю фотонов в концентрированный световой поток, который, в свою очередь, направлен на довольно компактную светочувствительную область пиксела .

Характеристики матриц

Отношение сигнал/шум

Всякая физическая величина совершает некоторые колебания от своего среднего состояния, в науке это называется флуктуациями. Поэтому и каждое свойство всякого тела тоже изменяется, колеблясь в некоторых пределах. Это справедливо и для такого свойства, как светочувствительность фотоприемника, независимо от того, что собой представляет этот фотоприемник. Следствием этого является то, что некоторая величина не может иметь какого-то конкретного значения, а изменяется в зависимости от обстоятельств. Если, например, рассмотреть такой параметр фотоприемника, как «уровень чёрного», то есть то значение сигнала, которое будет показывать фотодатчик при отсутствии света, то и этот параметр будет некоторым образом флуктуировать, в том числе эта величина будет меняться от одного фотодатчика к другому, если они образуют некоторый массив (матрицу).

В качестве примера можно рассмотреть обычную фотопленку, где фотодатчики - зерна бромистого серебра, и их размер и «качество» неконтролируемо меняются от точки к точке (изготовитель фотоматериала может обеспечить только среднее значение параметра и величину его отклонения от среднего значения, но не сами конкретные значения этой величины в конкретных позициях). В силу этого обстоятельства пленка, проявленная без экспозиции, покажет некоторое, очень маленькое, но отличное от нуля почернение, которое называется «вуаль». И у фотоматрицы цифрового фотоаппарата наблюдается то же самое явление. В науке такое явление называется шумом, так как оно мешает правильному восприятию и отображению информации, и для того, чтобы изображение хорошо передавало структуру исходного сигнала, необходимо, чтобы уровень сигнала в некоторой степени превосходил уровень шумов, характерных для данного устройства. Это называется отношением сигнал/шум.

Чувствительность

К матрицам применяется термин эквивалентный «чувствительности», потому что:

• в зависимости от назначения матрицы формальное значение чувствительности может определяться различными способами по различным критериям;
• аналоговым усилением сигнала и цифровой постобработкой можно менять значение чувствительности матрицы в широком диапазоне.

У цифровых фотоаппаратов значение эквивалентной чувствительности может меняться в диапазоне ISO 50-12800. Максимальная используемая в массовых фотоаппаратах чувствительность соответствует отношению сигнал/шум 2-5.

Разрешение

Фотоматрица оцифровывает (разделяет на кусочки - «пиксели») то изображение, которое формируется объективом фотоаппарата. Но, если объектив в силу недостаточно высокой разрешающей способности передаёт ДВЕ светящиеся точки объекта, разделённые третьей чёрной, как одну светящуюся точку на ТРИ подряд расположенных пиксела, то говорить о точном разрешении изображения фотоаппаратом не приходится.

В фотографической оптике существует приблизительное соотношение : если разрешающую способность фотоприемника выразить в линиях на миллиметр (или же в пикселях на дюйм), обозначим её как M , и так же выразить разрешающую способность объектива (в его фокальной плоскости), обозначим её как N , то результирующее разрешение системы объектив+фотоприемник, обозначим его как K , можно найти по формуле:

Это соотношение максимально при , когда разрешение равно , поэтому желательно, чтобы разрешающая способность объектива соответствовала разрешающей способности фотоприемника. [уточнить ]

У современных цифровых фотоматриц разрешающая способность определяется размером пикселя, который варьируется у разных фотоматриц в пределах от 0,0025 мм до 0,0080 мм, а у большинства современных фотоматриц он равен 0,006 мм. Поскольку две точки будут различаться если между ними находится третья (незасвеченная) точка, то разрешающая способность соответствует расстоянию в два пикселя, то есть:

Где p - размер пикселя.

У цифровых фотоматриц разрешающая способность составляет от 200 линий на миллиметр (у крупноформатных цифровых фотокамер) до 70 линий на миллиметр(у web-камер и мобильных телефонов).

Физический размер матрицы

Физические размеры фотосенсоров определяются размером отдельных пикселей матрицы, которые в современных фотосенсорах имеют величину 0,005-0,006 мм. Чем крупнее пиксель, тем больше его площадь и количество собираемого им света, поэтому тем выше его светочувствительность и лучше отношение сигнал/шум (в плёночной фотографии шумы называются «зернистостью» или «гранулярностью»). Необходимое разрешение деталей фотографии определяет общее количество пикселей, которое в современных фотоматрицах достигает десятков миллионов пикселей (Мегапикселей), и тем задаёт физические размеры фотоматрицы.

• Законы оптики определяют зависимость ГРИП от физического размера матрицы. Если сфотографировать тремя фотоаппаратами с разным физическим размером матрицы одну и ту же сцену с одним и тем же углом зрения и одним и тем же значением диафрагмы на объективах, и изучить результат (файл на компьютере, распечатку с принтера) в одинаковых условиях, то ГРИП на снимке, сделанном фотоаппаратом с наименьшей матрицей, будет наибольшей (больше предметов в кадре будет показано резко), а фотоаппарат с наибольшей матрицей покажет наименьшую ГРИП (предметы не в зоне резкости будут сильнее размыты).
• Размеры фотосенсоров чаще всего обозначают как «тип» в виде дробных частей дюйма (например, 1/1.8" или 2/3"), что фактически больше реального физического размера диагонали сенсора. Эти обозначения происходят от стандартных обозначений размеров трубок телекамер в 1950-х годах. Они выражают не размер диагонали самой матрицы, а внешний размер колбы передающей трубки. Инженеры быстро установили, что по различным причинам диагональ полезной площади изображения составляет около двух третей диаметра трубки. Это определение стало устоявшимся (хотя и должно было быть давно отброшено). Не существует чёткой математической взаимосвязи между «типом» сенсора, выраженном в дюймах, и его фактической диагональю. Однако, в грубом приближении, можно считать, что диагональ составляет две трети типоразмера.

Отношение сторон кадра

Пропорции пикселя

Выпускаются матрицы с тремя различными пропорциями пикселя:

• Для видеоаппаратуры выпускаются сенсоры с пропорцией пикселя 4:3 (PAL)
• или 3:4 (NTSC);
• Фотографическое, рентгенографическое и астрономическое оборудование, а также развивающееся сейчас HDTV видеооборудование обычно имеет квадратный пиксель.

Типы матриц по применяемой технологии

Долгое время ПЗС-матрицы были практически единственным массовым видом фотосенсоров. Реализация технологии Active Pixel Sensors около 1993 года и дальнейшее развитие технологий привели в итоге к тому, что к 2008 году КМОП-матрицы стали практически альтернативой ПЗС.

ПЗС-матрица

Состоит из светочувствительных фотодиодов , выполнена на основе кремния , использует технологию ПЗС - приборов с зарядовой связью.

КМОП-матрица

Live-MOS-матрица

Создана и применяется компанией Panasonic. Выполнена на основе МОП-технологии , однако содержит меньшее число соединений для одного пикселя и питается меньшим напряжением. За счёт этого и за счёт упрощённой передачи регистров и управляющих сигналов имеется возможность получать «живое» изображение при отсутствии традиционного для такого режима работы перегрева и повышения уровня шумов.

Матрицы с пикселами различного размера

Методы получения цветного изображения

Сам по себе пиксель фотоматрицы является «чёрно-белым». Для того, чтобы матрица давала цветное изображение, применяются специальные технические приёмы.

Трёхматричные системы

Пример работы дихроической призмы

Поступающий в камеру свет, попадая на пару дихроидных призм , делится на три основных цвета: красный, зелёный и синий. Каждый из этих пучков направляется на отдельную матрицу (чаще всего используется CCD матрицы , поэтому в наименовании соответствующей аппаратуры употребляется обозначение 3CCD).

Трёхматричные системы применяются в видеокамерах среднего и высокого класса.

Достоинства трёх матриц по сравнению с одноматричными

• лучше передача цветовых переходов, полное отсутствие цветного муара ;
• выше разрешение: отсутствует необходимый для устранения муара размывающий (low-pass) фильтр;
• выше светочувствительность и меньший уровень шумов;
• возможность введения цветокоррекции постановкой дополнительных фильтров перед отдельными матрицами, а не перед съёмочным объективом, позволяет добиться существенно лучшей цветопередачи при нестандартных источниках света.

Недостатки трёх матриц по сравнению с одноматричными

• принципиально бо́льшие габаритные размеры;
• трёхматричная система не может использоваться с объективами с малым рабочим отрезком ;
• в трёхматричной схеме есть проблема сведе́ния цветов , так как такие системы требуют точной юстировки, причём, чем большего размера матрицы применяются и чем больше их физическое разрешение, тем сложнее добиться необходимого класса точности.

Матрицы с мозаичными фильтрами

Во всех таких матрицах пиксели расположены в одной плоскости, и каждый пиксель накрыт светофильтром некоего цвета. Недостающая цветовая информация восстанавливается путём интерполяции ( ).

Существует несколько способов расположения светофильтров. Эти способы различаются чувствительностью и цветопередачей, при этом чем выше светочувствительность, тем хуже цветопередача:

• RGGB - фильтр Байера , исторически самый ранний;
• RGBW имеют более высокую чувствительность и фотографическую широту (типично выигрыш чувствительности в 1,5-2 раза и 1 ступень по фотографической широте), частный случай RGBW-матрицы - CFAK-матрица компании Kodak ;
• RGEB (красный - зелёный - изумрудный - синий);
• CGMY (голубой - зелёный - лиловый - жёлтый).

Матрицы с полноцветными пикселами

Существуют две технологии, позволяющие получать с каждого пикселя все три цветовые координаты. Первая применяется в серийно выпускаемых камерах фирмы Sigma , вторая - на середину 2008 года существует только в виде прототипа.

Многослойные матрицы (Foveon X3)

Фотодетекторы матрицы X3 компании Foveon расположены в три слоя - синий, зелёный, красный. Название сенсора «Х3» означает его «трёхслойность» и «трёхмерность».

Матрицы X3 применяются в цифровых фотоаппаратах Sigma .

Полноцветная RGB-матрица Nikon

Несмотря на то, что прототип матрицы уже создан (2008 год), этот патент вряд ли найдёт своё применение в ближайшее время из-за существенных сложностей в технологии.

По сравнению со всеми прочими системами, кроме трёхматричных , данная технология имеет потенциальное преимущество в эффективности использования светового потока по сравнению с технологиями RGBW или фильтром Байера . (Точный выигрыш зависит от характеристик пропускания фильтров).

См. также

Примечания