Что такое количество точек матрицы
Выбор фото-видеотехники
Вышло так, что мне часто приходится консультировать знакомых как выбрать цифровой аппарат. Некоторыми советами по этому вопросу я хочу поделиться с Вами.
Сразу скажу, что я не собираюсь пересказывать здесь прописные истины, которые публикуются на всех сайтах по этой теме.
Я хочу остановиться на нескольких аспектах, о которых обычно забывают.
Количество точек на матрице
Главной характеристикой обычно считают количество пикселей на матрице; от него зависит максимальное разрешение снимков, а значит и качество.
Теоретически, чем больше мегапикселей – тем лучше. Однако, производители знают, что покупатели в первую очередь смотрят на этот параметр, и поэтому в дешёвые модели часто ставят матрицы с запредельным количеством мегапикселей.
Пример: матрица профессионального Canon EOS 5D за 100 тысяч рублей – 23 мегапикселя, и матрица дешёвого Recam за 3 000 рублей – 21 мегапикселя. Но это не значит, что профессиональный Canon и «мыльца» Recam снимают одинаково хорошо.
Важен физический размер матрицы (измеряется в миллиметрах), и аппаратно-программная начинка фотоаппарата. В том же Canon размер матрицы достаточно большой, что бы устранить цифровые шумы, а оптика даёт хорошую фокусировку. И наоборот, в Recam’е маленькая матрица очень сильно «шумит», а плохая оптика не даёт чёткой картинки.
APS, Four Thirds, Full Frame матрицы
Кроп-фактор
Это отношение размера матрицы к размеру кадра на фотоплёнке. Стандартная фотоплёнка имела кадр 36 х 24 мм, на этот размер была рассчитана и вся оптика. Сегодня матрицы делают обычно меньшего размера, отношение «классического» кадра 36 х 24 к размерам цифровой матрицы на называется «кроп-фактором». Чем он меньше – тем больше шансов, что это будет высококачественная матрица.
Увеличение (Zoom)
Ошибочным является утверждение, что «чем больше zoom – тем лучше». Zoom – это величина, показывающая отношение максимально и минимального фокусного расстояния. От фокусного расстояния зависит то, как много «войдёт в кадр». Например, если вы покупаете фотоаппарат для съёмки вечеринок в кругу друзей, а минимальное фокусное расстояние будет слишком большим – ваши друзья просто не будут помещаться в кадр. Аналогично в кадр фотоаппарата с большим фокусным расстоянием не войдёт целиком большое здание на улице (см. «Фокусное расстояние»)
Вывод: выбирая Zoom обращаем внимание только на оптический, и обязательно смотрим на фокусное расстояние.
Фокусное расстояние
Это характеристика, от которой зависит угол обзора. Вспомните, сколько раз пытаясь снять компанию друзей вам приходилось просить их «встать кучнее» или самим «отойти подальше», что бы все вошли в кадр? Это значит, у вашего фотоаппарата было слишком большое фокусное расстояние.
Чем минимальное фокусное расстояние меньше – тем больше «войдёт в кадр».
И наоборот, чем больше максимальное фокусное расстояние – тем крупнее можно снять далеко стоящие объекты.
Обратите внимание, что даже для сменных объективов многие производители гордо указывают фокусное расстояние не «эквивалентное плёночному», а конкретно для данного объектива. Например, Sony с гордостью пишет, что её «китовый» объектив имеет фокусное расстояние всего 18 мм. Однако, при пересчёте в «плёночный эквивалент» цифра оказывается не 18, а… 28 мм, т.е. в кадр входит не так много. Не забывайте о такой рекламной уловке!
«Эквивалентное» фокусное расстояние можно также вычислить, зная кроп-фактор объектива: нужно умножить значения фокусного расстояния на кроп-фактор.
«Средними» считаются значения 30-90 мм в «плёночном эквиваленте» (3-х кратный zoom). Однако, лучше иметь минимальное фокусное расстояние не более 24 мм, максимальное – достаточно 85 мм. [подробнее]
Вывод: покупаем объектив с фокусным расстоянием 24 (или меньше) на 85 (или больше) мм.
Зеркальная камера
Это же преимущество имеют и цифровые зеркальные фотоаппараты: вы видите будущий снимок не на ЖК-экране, а собственным глазом. А «разрешение» глаза, гораздо выше, чем у любой матрицы 🙂
Однако, если вы снимаете ориентируясь только на ЖК-экран, если вы не привыкли вручную наводить на резкость – этим преимуществом вы не будете пользоваться.
Вторым преимуществом цифровых «зеркальных» фотоаппаратов является то, что в них предусмотрена возможность использования сменных объективов. Ведь какой бы совершенной ни была матрица, без качественной оптики объектива невозможно сделать качественный снимок.
А качественная оптика стоит очень дорого, порой в несколько раз дороже, чем сам фотоаппарат. Впрочем, если вы не собираетесь никогда пользоваться сменными объективами – этим преимуществом вы также не сможете воспользоваться.
Одно из распространённых заблуждений: «зеркальная камера» лучше «обычной».
Зеркальная камера лучше только при условии применения качественных объективов, которые, повторюсь, стоят часто дороже самого фотоаппарата. Если же вы не готовы тратиться на дорогие объективы – лучше покупать «обычные» аппараты: они показывают лучшие результаты, чем «зеркальные» камеры с «китовой» (см. ниже) оптикой. Лучше взять качественный «полупрофессиональный» фотоаппарат, чем «профессиональный» без качественной оптики.
Вывод: при ограниченном бюджете (и если вы не пользуетесь ручными настройками) – покупаем обычный фотоаппарат. При неограниченном бюджете (и желании регулировать как можно больше параметров) – покупаем отдельно зеркальный фотоаппарат, отдельно объективы к нему.
Body или Kit (для зеркальных камер)
Качественная оптика часто стоит дороже, чем сам фотоаппарат. А развитие электронных технологий никак не влияет на оптику. Поэтому многие профессионалы меняя фотоаппарат оставляют прежние объективы (а производители заботятся о том, что бы их старая оптика подходила к новым моделям).
Кроме того, у всех профессионалов задачи разные, а значит и объективы нужны разные (короткофокусные, длиннофокусные, портретные, и т.п.) – поэтому производитель предлагает купить отдельно фотоаппарат, отдельно – объектив. Такая поставка называется «Body».
Поскольку большинство покупающих зеркальные камеры профессионалами не является, и слабо представляют, какие объективы им нужны – производители продают также набор «фотоаппарат + объектив». В такой набор входит «универсальный» объектив – тот, который больше всего подходит новичкам. Ввиду массовости производства такие объективы относительно дёшевы.
Иногда в комплект входят 2 объектива – короткофокусный и длиннофокусный (говоря проще – для съёмки с близкого и дальнего расстояния).
Live View (в зеркальных фотоаппаратах)
Оптическая система зеркальных фотоаппаратов устроена так, что изображение попадает на матрицу только в момент съёмки – при нажатой кнопке спуска, в остальное же время изображение через объектив проходит в оптический видоискатель.
В результате, на ЖК-экране видны только уже отснятые фотографии, а настройку резкости, выдержки и диафрагмы фотограф проводит только основываясь на собственном опыте (или делая пробные снимки).
Однако, с ростом популярности зеркальных фотоаппаратов, производители поняли, что их всё чаще стали покупать новички, поэтому специально для них был придуман режим «Live View», когда фотоаппарат может переключаться с режима «зеркального» в «обычный» режим. Соответственно, снимаемое изображение вы видите либо в видоискатель – где можете точно навести на резкость, либо на ЖК-экране – где можете точно подобрать значения выдержки и диафрагмы.
«Live View» удобен тем, что вы можете оценить правильность настройки (выдержка, диафрагма, баланс белого) ещё до того, как сделаете снимок.
Вывод: зеркальную камеру лучше покупать с режимом «Live View».
Теперь рассмотрим то, что обычно ускользает от неискушённого фотолюбителя.
Совет: Количество шумов возрастает с увеличением чувствительности (значение ISO). Хотите получить хорошие снимки – снимайте при минимальном ISO.
Кстати, минимальное значение ISO позволяет сразу понять, к какому классу относится фотоаппарат. Если в характеристиках минимальным указывается ISO = 50 – это верный признак не самой лучшей матрицы. [подробнее]
Вывод: не гонимся за максимальным количеством мегапикселей, а проверяем качество снимков.
ISO – это единица чувствительности плёнки (как наш ГОСТ), если помните – раньше продавалась плёнка на 32, 64, 125, 250 единиц ГОСТ, потом ей на смену пришла импортная на 100, 200, 400 ISO. Чем больше чувствительность – тем при меньшей освещённости можно снимать, или тем меньшую выдержку можно устанавливать. [интересно]
Объясню на примере: если при чувствительности 100 ISO выдержка должна быть 1/10 секунды – и нужен штатив, то при 400 ISO (100*4) – достаточно 1/40 (1/10/4) сек, и можно уже снимать «с рук».
Однако, ничто не даётся «бесплатно»: так у плёнки, чем больше чувствительность – тем крупнее зёрна, т.е. при большом увеличении невозможно было передать мелкие детали. Есть и другие ограничения, о которых можно почитать в специальной литературе. Словом, профессиональные фотографы предпочитали не гнаться за большой чувствительностью, а выбирать плёнку соответствующую условиям съёмки.
В современных цифровых аппаратах за увеличение чувствительности (увеличение ISO) приходится расплачиваться увеличением цифрового шума. Как и в случае с плёнкой, чем меньше ISO – тем более качественные фотографии получаются.
Рекламируемые ISO 3200, ISO 6400, конечно, позволяют снимать при очень малой освещённости, но при этом цифровой шум на снимках настолько велик, что использовать такие снимки практически невозможно.
На дешёвых аппаратах шум сказывается уже на ISO 400.
Поэтому производители, зная о низком качестве их матриц, уменьшают минимальное ISO. Это, кстати, является признаком дешёвой матрицы: у таких камер минимальное ISO равняется 40-60 единицам.
Вывод: обращаем внимание только на минимальное ISO – лучше если оно не ниже 100.
Оптика
Проверить качество оптики можно только сделав пробные снимки. При чём для пробных снимков лучше выбирать «неудобные для фотоаппарата» объекты: тёмный предмет на светлом фоне, или хотя бы крыша дома на фоне яркого неба. Искажения возникают на границах разности освещённости, поэтому для тестового снимка разность освещённости объектов в кадре должна быть как можно больше.
Вывод: делаем пробные снимки с резкими перепадами освещённости, и смотрим полученные снимки на экране компьютера, или на экране фотоаппарата с максимальным увеличением.
Другие немаловажные параметры, на которые стоит обратить внимание:
Ручной баланс белого
Обязательным для меня атрибутом хорошего фотоаппарата, является ручной баланс белого.
Что это такое? Это возможность указать автоматике, что нужно считать белым.
Ручной баланс белого позволяет этого избежать. Вы просто наводите аппарат на то, что по вашему мнению должно быть белым, и аппарат сам подстраивает цветокоррекцию.
В дешёвых моделях есть только заранее предустановленные режимы: «улица», «дом», «вечер», «плохое освещение». Но в реальной жизни этого может оказаться мало.
Вывод: лучше покупать аппарат с функцией ручной настройки баланса белого (новички могут пренебречь этим советом).
Скорость съёмки и точность автофокусировки
Кстати, нелишним будет функция предупреждения о малой освещённости.
Словом, обращаем внимание на скорость наводки на резкость и срабатывания.
Серийная съёмка
Другое назначение серийной съёмки – сделать одинаковые кадры с разными настройками освещенности. Например, серия из 5 кадров: первый делается гораздо темнее, чем вы установили, второй – немного темнее, третий – по вашим установкам, четвёртый – немного светлее, пятый – на много светлее. Это позволяет избежать ошибок при установке экспозиции: уж один из пяти кадров наверняка получится хорошо.
От обычной съёмки это отличается тем, что фотоаппарат не «тратит время» на новую установку параметров съёмки, а снимает с установленными при начале съёмки (или корректирует только отдельные характеристики). У данной функции есть ряд естественных ограничений: максимальное количество кадров в секунду (которое способен сделать механизм фотоаппарата), и максимальное количество кадров в серии (ограничено буфером памяти аппарата).
Число кадров в секунду – это максимальное количество, которое аппарат может снять за секунду.
Число кадров в серии – это максимальное количество кадров в рамках одной серии (в современных аппаратах часто ограничено только размерами флэш-карты).
Обратная засветка матрицы
Разумеется, никакой «обратной засветки матрицы» в этой технологии нет – на матрицу с обратной стороны никто не светит, хотя некоторые слои действительно меняются местами.
Чтобы понять, как это работает, представьте себе матрицу в виде слоёного пирога. Первый слой – это основа (прочная подложка), на которую будет крепиться всё остальное. Второй слой – светодиоды. Третий слой – электрическая проводка (электрические выводы от светодиодов). Четвёртый слой – светофильтры. Пятый – линзы (микролинзы – для каждого пиксела на матрице).
Какой бы тонкой не была электрическая проводка (третий слой) – она всё-таки уменьшает максимально возможную поверхность светодиода. Поэтому применяют «обратный порядок» слоёв – сначала на подложку монтируют всё электропроводку, а уже на неё – светодиоды. В результате теперь ничто не мешает использовать всю площадь матрицы под светодиоды, а значит (при прежних размерах) чувствительность увеличивается.
Понятно, что такая технология гораздо сложнее, а поэтому дороже. Несколько лет назад она использовалась разве что для астрономических приборов. Но с течение времени удорожание производства стало не таким существенным, и сегодня матрицу с «обратной засветкой» применяют в «бытовых» фотоаппаратах. [подробнее]
Ночная съёмка без штатива
Суть технологии в том, что вместо того, чтобы проводить продолжительную по времени съёмку её делят на временные отрезки.
Представьте себе, что вы держите объектив открытым 4 секунды, каждую секунду поворачивая его на 1 градус. В результате у вас получится снимок, где фотоаппарат повернулся на 4 градуса – т.е. довольно смазанное изображение. А теперь представьте, что вместо 1 снимка за 4 секунды вы сделали 4 снимка по 1 секунде – тогда на каждом поворот составит всего 1 градус, т.е. «размытость» будет в 4 раза меньше.
По такому принципу и работает ваш аппарат – он делает несколько снимков, на каждом из которых аппарат «не успевает» сместиться и «размыть» изображение, а потом соединяет все снимки вместе – суммируя их.
Пробные снимки
Пробные снимки лучше всего покажут вам – стоит ли покупать выбранный фотоаппарат.
Пробные снимки лучше делать на свою флеш-карту (заранее договорившись с продавцом). На снимках должны быть «сложные» условия – перепады освещённости в одном кадре, резкие границы чёрного и белого (можно снять хотя бы надписи на ценнике), мелкие объекты (например, снять денежную купюру, или ценники вдалеке).
Сделанные снимки лучше просматривать дома не компьютере при большом увеличении. Если такой возможности нет – прямо в магазине выберите режим просмотра, и выберите максимальное увеличение. Вас должны насторожить цветные полоски на границе чёрного и белого, нечитающиеся надписи на ценниках, и цветная рябь при съёмке однотонных объектов.
При пробной съёмке не забывайте выставлять правильно баланс белого: в магазине это должен быть режим для люминесцентных ламп.
Время работы аккумуляторов
Производители часто указывают время в количестве фотографий. Это довольно лукавая величина, под которой может подразумеваться что угодно.
Скорее всего, под этим понимается количество снимков, которое можно сделать без остановки при нормальных условиях без включения и выключения, при выключенном дисплее. Не попадайтесь на эту уловку!
У компактных моделей при включении энергия тратится на то, чтобы «выдвинуть» объектив, при выключении – на то, чтобы «задвинуть» объектив обратно в корпус аппарата. Энергия тратится на работу дисплея. Скорее всего, вам захочется выбрать наиболее подходящий ракурс, что значительно увеличит среднее время, затрачиваемое на одну фотографию.
Также много энергии потребляет процессор при обработке снимка – поэтому, например, при ночной съёмке на одну фотографию уходит гораздо больше энергии, чем днём.
Обратите внимание на то, что довольно много энергии тратится на работу жидкокристаллического дисплея. И в характеристиках работы от аккумулятора производители часто в рекламных целях указывают время работы с выключенным экраном.
Вывод: обращаем внимание на время работы от аккумулятора с включённым ЖК-экраном.
Флэш-карта
Флеш-карты разных форматов сегодня отличаются разве что скоростью передачи данных. Для любителя, который не делает больших серий (когда за секунду снимается несколько кадров), скорость не важна.
Различается только стоимость флеш-карт различных форматов. Выберите ту, которая подходит вам по объёму и по стоимости.
Обратите снимание, что флешка (USB-носитель), которыми мы пользуемся для обмена файлами и флеш-карта для фотоаппарата – это совершенно разные вещи!
Вывод: интересуемся стоимостью сменных flash-карт.
Интерфейс передачи данных
Сегодня фотоаппараты обычно присоединяются к компьютеру через USB-кабель, и видятся как внешний жёсткий диск. Однако, может встречаться возможность подключение аудио-видео кабеля для подключения, например, к старым моделям телевизора для просмотра.
Для перезаписи на компьютер нужен только интерфейс USB (USB-2, USB-3 – чем больше цифра, тем выше скорость).
Wi-Fi
Интерфейс Wi-Fi позволяет подключаться к камере удалённо, без кабеля. Это удобно, если нужно вывести снимок прямо на принтер с Wi-Fi интерфейсом.
Wi-Fi удобен, если нужно сразу передать снимок сделанный фотографом в интернет. Фотограф не отвлекается на переписывание фотографий, а продолжает снимать, а его напарник с ноутбуком сам выискивает нужные снимки прямо на фотоаппарате и может дальше публиковать их не дожидаясь окончания события.
Wi-Fi удобен, если есть опасность, что вашу флеш-карту изымут. Можно настроить передачу снимков, например, на смартфон вашего напарника. Тогда фотограф снимает событие, и все снимки автоматически передаются на смартфон другого человека. Когда охрана задерживает фотографа – тот спокойно отдаёт ей флеш-карту, ведь снимки уже находятся в другом месте.
Некоторые фотоаппараты позволяют удалённо управлять ими через Wi-Fi. Например, что бы снять пейзаж холодной ночью: вы ставите фотоаппарат на штатив, а сами залезаете в тёплую машину и в тепле делаете ряд снимков, пока качество не устроит вас.
Автоматическая очистка матрицы
Вывод: полезная функция. Можно обойтись и без неё, но её наличие не помешает.
Режим веб-камеры
Означает наличие интерфейса, позволяющего использовать фотоаппарат в качестве веб-камеры.
Говоря проще – управлять камерой с компьютера (с помощью специальных программ), а может и питать камеру через USB-кабель.
Чаще всего веб-камера используется для показа через Интернет вида из окна 🙂
Нужно ли это – решать вам.
Удобство пользования и управления
Вы покупаете фотоаппарат, прежде всего, для себя. Поэтому проверьте – удобно ли вам его держать, нажимать на кнопки, пользоваться меню, выбирать режимы.
Руки и пальцы у всех разные – поэтому нет универсального дизайна, который подходил бы всем.
А главное, если назначение аппарата – всегда быть с вами, убедитесь в том, что его удобно носить. Может быть, стоит отказаться от покупки большого аппарата и купить маленький, пусть и худшего качества? Ведь от простого аппарата, который всегда под рукой, больше пользы чем от навороченного, который «остался дома».
Доступ к нужным функциям
Очень важно и то, на сколько удобен доступ к функциям, важным для вас.
Посмотрите – выведены ли специальные кнопки для них на панель аппарата, или спрятаны в меню?
Например, при съёмке часто меняется освещенность, и вам нужно подстраивать баланс белого. Как это сделать? Нужно лезть в меню настроек, или есть специальная кнопка на корпусе?
Или вы любите делать много снимков подряд, а потом просто удалять ненужные. Как удалить снимок? Есть специальная кнопка на корпусе, или нужно рыться в настройках?
Это как пульты управления. Все они выполняют одинаковые функции, но одни приятно взять в руки, а другие нет; с одними просто управляться, а в других доступ к нужной функции неудобен…
Вывод: для оценки удобства интерфейса попробуйте найти функции, которыми часто будете пользоваться.
Главным дефектом матрицы, который официально дефектом не считается, является наличие «битых пискелей»: это точки, в которых воспроизводится не то, что вы снимаете, а постоянный цвет (например, на всех снимках одна точка будет белой или чёрной). Закон о защите прав потребителей допускает наличие на матрице до 3 подобных точек. Это значит, что обнаружив такой брак дома вы не сможете обменять ваш фотоаппарат. А вот если вы обнаружите этот брак до момента покупки – вы вправе попросить другую камеру.
Затем перейдите в режим просмотра, сделайте максимальное увеличение и, последовательно перемещаясь по всему полю снимка, проверьте, не видно ли на чёрном фоне белых точек. Затем проверьте – не видно ли на белом фоне чёрных точек. Если такая точка есть – просите другую камеру, и не поддавайтесь на уговоры продавца о том, что «все аппараты такие», что «это допускается техническими нормами», ведь именно поэтому вы и проверяете аппарат перед покупкой.
Кстати, у профессиональных моделей есть возможность корректировать «битые пикселы» с помощью специальных компьютерных программ. Говоря просто, изменяют программу фотоаппарата, и вместо «бракованного пикселя» он записывает усреднённые данные с соседних пикселей. При просмотре фотографий с такого аппарат «подмены» не видно. Но такую корректировку позволяют делать только фотоаппараты, где эта возможность заложена производителем.
Выбор фотоаппарата зависит от задач, которые вы перед ним ставите.
Главное, чтобы вам было удобно работать с ним, и носить с собой.
Надеюсь, я немного внёс ясность в вопросы, которые мне часто задают: почему аппараты с одинаковым разрешением, одинаковыми характеристиками zoom’а, и практически идентичными функциями могут стоить 200$, а могут 2000$. И почему у аппарата с меньшим количеством мегапикселей качество снимков получается выше, чем у имеющего большее разрешение.
Напоследок, добавлю: фотографии делает не фотоаппарат, а фотограф.
Лучше один раз увидеть. Все тесты на одном сайте
Полезные советы по выбору техники (интересный сайт)
Камера смартфона для «чайников» №3. Погружаемся в матрицу!
Мы продолжаем погружаться в удивительный мир фотографии и в этой части подробно поговорим не только о матрицах и пикселях, но и о мобильной фотографии в целом.
Моя статья о влагозащите фитнес-браслетов для многих стала откровением, так как противоречила всему тому, о чем писали другие сайты. Эта статья, надеюсь, вызовет похожий эффект.
Проблема с интернетом заключается в том, что при смене технологий, популярные ресурсы не удаляют старый материал (да и с чего бы им это делать?). Затем приходят молодые авторы, читают и пересказывают информацию, которая уже давно не соответствует действительности.
Так было с часами и влагозащитой. В 2010 году многое изменилось, но куда девать все те статьи, что были написаны в течение двух предыдущих десятилетий? То же происходит и с камерами. Каждый человек видит просто феноменальный прорыв в области мобильных камер за последнее десятилетие, но продолжает повторять одну и ту же ерунду о маленьких матрицах и прочих ограничениях камерофонов.
Пришло время разобраться, на что именно влияет размер матрицы и пикселя, что такое шум и от чего он зависит, почему современные смартфоны снимают гораздо лучше, чем первые мобильные камеры и можно ли уменьшать размеры, увеличивая качество.
Чтобы сделать эту статью максимально понятной, я постараюсь избегать сложных терминов, заменяя их более простыми аналогиями. Тем не менее, информации будет очень много, поэтому на легкое чтение рассчитывать не стоит.
Для тех, кто попал сюда впервые
Вначале давайте вкратце вспомним, о чем говорилось ранее. В первой части мы разобрались с тем, каким образом свет переносит изображение в пространстве. Как оказалось, даже через окна в наши дома попадает не «простой свет», а картинка всего того, что происходит за окном. Но так как окна слишком большие, эта картинка получается настолько размытой, что мы не видим никаких четких очертаний.
У камеры смартфона есть такое же окошко — небольшое отверстие в объективе, через которое свет попадает внутрь устройства. Размер этого окошка обозначается в характеристиках смартфона буквами f/1.8 или f/2.4. Первая часть подробно объяснила, как понимать эти значения и на что они влияют.
Во второй части мы проследили за тем, что происходит дальше, когда свет прошел через отверстие объектива. В частности, мы детально рассмотрели, чем отличаются объективы смартфонов, что такое фокусное расстояние, за счет чего происходит приближение картинки и как определить настоящий (оптический) зум.
Вторая часть объяснила еще один важный параметр любой камеры, который в характеристиках указывается в миллиметрах, например, 26 мм или 130 мм.
Если посмотреть на типичные характеристики камеры любого смартфона, то мы увидим, что осталось еще много непонятных букв и цифр:
Основная камера: 108 Мп, 1/1.33″, f/1.8, 26 мм, 0.8 мкм, PDAF
В этой части я расскажу, как понимать характеристики, выделенные жирным шрифтом. Все они относятся к матрице: ее размерам, количеству пикселей и размеру одного пикселя.
Собираем отпечатки света
Для начала нужно понять, каким образом свет, прошедший через объектив и попавший на матрицу камеры, оставляет там свои «следы».
Если кто-то не знает, матрица — это аналог пленки, на которую объектив камеры проецирует изображение. Если бы вместо матрицы мы просто разместили белый фон, на нем бы точно также появилось качественное цветное изображение, но вот сохранить его нам бы не удалось.
Вместо белого фона мы размещаем специальную пластинку, сделанную из песка. Точнее, делается она из кремния, а кремний в соединении с кислородом (диоксид кремния) и есть песок.
Так вот, если специально обработать чистый кремний и подключить к нему небольшое питание, можно добиться от него очень интересного поведения. Когда фотон (мельчайшая частичка света) попадает на такую пластинку, он поглощается кремнием и тут же высвобождает электрон:
Правда, фотон должен обладать достаточной энергией, чтобы выбить электрон из атома кремния, поэтому поглощается далеко не весь свет, а только тот, длина волны которого колеблется в пределах примерно от 400 до 1100 нанометров. И так уж совпало, что видимый нами свет идеально попадает в этот диапазон.
Матрица камеры смартфона состоит из миллионов крохотных пикселей — таких вот необычных кусочков кремния, реагирующих на свет. Помимо светочувствительного кремния, пиксель содержит еще множество других элементов, но для простоты восприятия пока упустим эти детали.
Итак, фотон успешно проник внутрь кремния и, «растворившись» в нём, образовал один электрон. Что же происходит с этим электроном дальше? Он попадает в специальную ловушку и оказывается на дне потенциальной ямы, выбраться самостоятельно из которой очень непросто.
Бывают ситуации, когда фотон подлетает к пикселю, но это не приводит к появлению электрона. Почему? Причины могут быть разными. К примеру, если длина волны этого фотона очень короткая, он будет поглощен еще в самом верхнем слое пикселя, а для очень длинной световой волны кремний и вовсе окажется прозрачным, фотон пролетит его насквозь, даже не заметив.
И здесь мы подходим к первому важному понятию, которое частично объясняет, почему современные смартфоны снимают так хорошо — это квантовая эффективность пикселя. Звучит страшно, но по сути это очень простое явление.
Если к поверхности пикселя подлетают 10 фотонов, но только 3 из них поглощаются кремнием (и, соответственно, высвобождаются 3 электрона), то 7 фотонов просто потерялись. Они оказались бесполезными. Получается, эффективность такого пикселя составила всего 30%, то есть, только 3 из 10 фотонов, попадающих на пиксель, будут высвобождать электроны. А значит, квантовая эффективность равняется 30%.
Исследовательские центры крупных производителей смартфонов постоянно работают над увеличением этого показателя.
Одним из главных «врагов» квантовой эффективности в матрицах являются перегородки между пикселями, которые позволяют избежать перекрестных помех (когда фотоны из одного пикселя попадают на другой). Находя новые (более светоотражающие) материалы для этих перегородок помимо всего прочего значительно улучшают данную характеристику.
Если в «древности» квантовая эффективность не превышала 10%, то в современных мобильных матрицах она легко превышает 85% в зависимости от длины волны света.
Еще каких-то пару лет назад квантовая эффективность пикселей была на 20-30% ниже. Получается, пиксели уменьшаются, а их квантовая эффективность возрастает. То есть, современный маленький пиксель будет более светочувствительным, нежели крупный пиксель старого камерофона.
Но вернемся к нашим электронам на дне ямы. В момент, когда происходит снимок, каждый из миллионов пикселей на матрице начинает ловить фотоны и поглощать их, высвобождая при этом электроны, которые сваливаются в ловушки. Снимок сделан!
Теперь камере нужно просто подсчитать, какое количество электронов оказалось в потенциальной яме каждого пикселя. Чем больше этих электронов, тем ярче будет нарисована соответствующая этому пикселю точка на фотографии. Именно так свет превращается в картинку.
Маленький или большой пиксель — что лучше?
Предположим, у нас есть две матрицы одного физического размера. На первой из них размещено 12 миллионов крупных пикселей (12 Мп), а на второй — в несколько раз больше, но размером они поменьше.
И возникает вопрос — есть ли какая-то разница между этими матрицами? Ведь они обе имеют один и тот же физический размер, а пиксели покрывают всю площадь.
Я сразу хочу отбросить теорию о том, что между пикселями есть пространство и много света просто теряется, так как он не попадает на светочувствительный элемент. Да, пространство между пикселями действительно есть, кроме того, внутри самого пикселя далеко не вся поверхность — это светочувствительный кремний.
Однако над каждым пикселем установлена специальная микролинза, которая собирает весь свет и фокусирует его на кремний:
И если раньше даже между линзами были какие-то зазоры, то сейчас их нет вовсе и расстояние между пикселями не играет никакой роли.
Теперь давайте определимся с терминами. Размер одного пикселя практически всегда указывается в характеристиках любого смартфона. Если вы посмотрите на параметры камеры, которые я приводил вначале, то увидите, что размер пикселя там составляет 0.8 мкм (микрометра). Есть пиксели размером 1 мкм, есть и более крупные, например, 1.4 мкм и даже 1.8 мкм (в Samsung Galaxy S20 или Sony Xperia 1 II).
И здесь любой профессиональный фотограф скажет вам, что размер пикселя важнее их количества. Почему? На это есть две причины.
Размер ловушки
Когда мы делаем снимок, в ловушку попадают электроны. Естественно, потенциальная яма пикселя не резиновая и в зависимости от освещения очень быстро заполняется до отказа. Если снимок всё еще делается, новые электроны будут попадать в яму и сразу же «вываливаться» оттуда в специально отведенное место — эдакий дренаж.
Одной из самых популярных мобильных матриц 2019-2020 гг является Sony IMX586. Она установлена в огромном количестве самых разных моделей от средне-бюджетного до премиального сегмента. В наших обзорах она также встречалась очень часто.
Так вот, размер пикселя этой матрицы составляет 0.8 микрометра, а емкость потенциальной ямы — минимум 4500 электронов. Если в ловушке уже оказалось 5000 электронов, а смартфон еще продолжает делать снимок, принимая новые фотоны света, этот пиксель будет переполнен и уже никакой информации, кроме яркой белой точки, в этом месте на снимке не будет.
В другом популярном сенсоре от Samsung на 64 Мп (используется в Redmi Note 8/9 Pro, Galaxy S20, Galaxy Note20) емкость потенциальной ямы — 6000 электронов.
Для сравнения, емкость потенциальной ямы одного пикселя многих зеркальных камер составляет 25 тысяч электронов, что всего в 4-5 раз больше микроскопических пикселей (0.8 мкм) от Sony и Samsung.
Основная задача таких внушительных «ловушек» — обеспечить широчайший динамический диапазон. То есть, чтобы на снимке не было ни одной белой точки с потерянными деталями. Посмотрите на эти две фотографии с разным динамическим диапазоном:
Слева мы видим, как пиксели, отвечающие за цвет неба в правом углу и плитку на полу, не справились со своей задачей. Их ловушки электронов просто переполнились от огромного количества фотонов, прилетевших с неба и отразившихся от плитки. А вот на снимке справа у пикселей оказались достаточно глубокие ловушки, что позволило рассмотреть детали даже в самых светлых областях.
Но этой проблемы практически не существует сегодня в мире смартфонов. Дело в том, что ее научились компенсировать двумя способами:
Выходит, даже маленькие пиксели по 0.8 мкм идеально справляются с динамическим диапазоном. Но, есть и другая проблема.
Ах эти грязные фотоны! Или откуда шум на снимках?
Оказывается, на снимках откуда-то появляется непонятный шум! Особенно, когда света очень мало, на фотографиях по всей площади можно заметить характерные маленькие точки или отклонения яркости и цвета. Даже если мы сделаем снимок белого листа бумаги при плохом освещении, то получим такой грязный кадр:
Откуда берется эта грязь? И какое отношение к этому шуму имеет размер пикселя?
Этот мусор на матрицу приносят с собой фотоны. И дело совершенно не в том, что существуют нечистоплотные фотоны. Конечно нет. Всё дело в самой природе света.
Представьте, что на улице идет град и вы решили подсчитать, какое количество градин упадет в ведро за одну минуту. Чтобы увеличить точность эксперимента, вы решаете использовать сразу десять ведер. Итак, ведра расставлены — град идет. Проходит одна минута и вы делаете подсчет. Будет ли в каждом ведре одинаковое количество градин? Конечно же, нет! Любой человек ответит на этот вопрос и без каких-либо экспериментов.
Ровно то же происходит и с фотонами! Если какой-то пиксель за одну секунду поймал 100 фотонов, то в следующую секунду их могло легко оказаться 70, а может и 120. Добавьте к этому еще тот факт, что не каждый фотон будет поглощен в кремнии.
В общем, это ровно такое же непредсказуемое явление, как и пример с градом. Но если градины ни на что не влияют, то вот количество фотонов, упавших на пиксель, напрямую влияет на яркость этого пикселя на итоговом снимке.
Если бы у нас была матрица только с одним гигантским пикселем и мы делали снимок белой стены каждую секунду, на такой фотографии не было бы никакого шума, просто цвет стены каждый раз немного бы отличался. Собрали больше фотонов — снимок ярче, меньше фотонов — темнее.
Но у нас-то пикселей миллионы! И здесь происходит интересная вещь. Несмотря на то, что мы делаем снимок белой стены, на один пиксель может попасть 80 фотонов, на пиксель рядом — 120, а еще на другой — 100.
В итоге мы получаем вместо однородного белого цвета какие-то пятна, точки и прочие артефакты. Это и есть фотонный шум, связанный с самой природой света, который невозможно никак ни отследить, ни предугадать.
Конечно, существуют и другие источники шума, но этот — основной.
Помните, вначале я говорил, что мы подаем небольшое питание на кусочек кремния, чтобы он мог ловить фотоны и преобразовывать их в электроны? Так вот, когда ни один фотон не попадает на такой пиксель, слабый ток из-за небольшого нагрева кремния вызывает ровно тот же эффект — генерацию электронов, а матрица собирает их и считает, что это были фотоны. Но для того, чтобы этот шум был хоть как-то заметен, нужны длинные выдержки и мало света. На смартфонах длинные выдержки — большая редкость.
Кроме того, сам процесс считывания электронов может вносить шум.
Так причем здесь размер пикселя?
Дело в том, что чем больше фотонов упадет на один пиксель, тем больше в нем появится электронов. А чем больше электронов, тем больше разница между шумом и реальной картиной. Когда мы говорим о шуме, нужно брать каждый пиксель, а не матрицу в целом.
Это очень просто понять даже интуитивно. Вот смотрите, если на все пиксели в среднем падает 9 фотонов, то мы можем легко посчитать уровень шума для всей матрицы. Согласно распределению Пуассона, шум — это просто квадратный корень из количества попавших на пиксель фотонов.
То есть, если в среднем пиксели ловят по 9 фотонов, значит шум всей матрицы — это квадратный корень из 9 или 3 фотона. На один пиксель упало 9 фотонов, на второй — 6, на третий — 10, на четвертый — 8 и так далее. Но в среднем, их количество отличается на +/- 3 фотона. Эта неравномерность и выльется в шум на снимке. И мы его прекрасно заметим, так как яркость точек на фотографии будет отличаться очень сильно (на 30% в среднем или на +/- 3 фотона на каждые 9 фотонов).
Но что произойдет, если пикселей будет в 4 раза меньше и они будут в 4 раза крупнее? Каждый пиксель будет собирать в среднем уже не по 9, а по 36 фотонов. И шум матрицы составит 6 фотонов (корень из 36).
Теперь разница в яркости между точками будет отличаться не более, чем на 16% (+/-6 фотонов на каждые 36 фотонов). Мы ничего, кроме размера пикселя, не изменили. Но фотография стала в 2 раза чище.
То есть, мы видим закономерность, что с увеличением количества фотонов, шум становится совершенно незначительным (относительно общего числа фотонов). Им можно пренебречь. Для 100 фотонов шум составит 10 фотонов. Если же увеличить количество фотонов в 100 раз, чтобы их было 10 тысяч, то шум возрастет только в 10 раз (корень из 10 тысяч = 100). И сигнал будет еще чище.
Получается, нам важно, чтобы как можно больше фотонов падало на один пиксель. Даже если на матрицу упало 1000 фотонов, лучше, чтобы пикселей было всего 10, тогда на каждый из них попадет в среднем по 100 фотонов. А если пикселей будет 100 (при том же размере матрицы), на каждый из них в среднем попадет по 10 фотонов. В первом случае шум будет едва заметен, так как яркость точек будет отличаться незначительно (+/- 10 фотонов на каждые 100 фотонов), а во втором случае — гораздо сильнее (+/- 3 фотона на каждые 10 фотонов).
Именно по этой причине большие пиксели меньше «шумят», чем маленькие (при одинаковом размере матрицы). У них соотношение сигнала (количества фотонов) к шуму (погрешности) гораздо выше.
И здесь я снова должен сказать «но»…
Производители смартфонов нашли элегантное решение этой проблемы. Все современные матрицы смартфонов с размером пикселя 
Что произойдет, если мы просто заменим маленькую матрицу на более крупную? На самом деле — ничего:
Мы будем получать фотографии с огромными черными рамками вокруг, так как линза проецирует такое же пятно света, как и раньше. Если мы хотим полностью задействовать весь сенсор, не меняя при этом угла обзора, нам нужно увеличить фокусное расстояние объектива, то есть, отодвинуть линзы подальше от сенсора:
Теперь фотоны падают на весь сенсор, а так как он гораздо крупнее, то и фотонов ловит больше. Верно? Нет, конечно.
Свет теперь покрывает весь сенсор, но интенсивность этого света упала (на картинке желтый цвет стал менее насыщенным), то есть, теперь на каждый условный квадратный миллиметр попадает меньше фотонов, чем раньше, так как нам пришлось заполнить тем же количеством фотонов большую площадь матрицы. Общее количество фотонов не возросло, так как диаметр отверстия остался прежним.
Это как фонарик: чем более узконаправленно он светит, тем ярче пятно света (выше интенсивность света).
Выходит, мы заменили маленький сенсор на большой, поставили другой объектив с более длинным фокусным расстоянием, но это никак не повлияло на качество снимков. Хотя кое-что уже изменилось в дизайне смартфона!
Так как нам пришлось увеличить фокусное расстояние, то есть, отодвинуть линзы подальше от сенсора, теперь объектив заметно выступает над корпусом. Вспомните Galaxy Note 20 Ultra:
Чтобы от всей проделанной нами работы был какой-то смысл, единственное, что еще остается сделать — это увеличить диаметр отверстия объектива. Вот теперь все звезды сошлись! В камеру попадает больше фотонов, интенсивность света увеличивается, а так как матрица крупная, то и каждый пиксель этой матрицы более крупный (или работает в режиме объединения пикселей), что приводит к более высокому качеству изображения.
Другими словами, сам по себе размер матрицы ничего не решает. Но именно с более крупными матрицами используют и объективы с большим диаметром отверстия, чтобы обеспечить соразмерное количество света. А это уже меняет всё.
Можно сделать такой вывод: если в смартфоне используется более крупная матрица, тогда диаметр входного зрачка объектива, скорее всего, также крупнее. Кроме того, выступ камеры над корпусом может косвенно свидетельствовать о том, что внутри установлен более крупный сенсор и компании пришлось отодвигать линзы подальше, чтобы компенсировать размер.
Неправильные дюймы. Или как узнать реальный размер матрицы в смартфоне?
Но как посчитать размер матрицы? Что означают цифры 1/2.55″ или 1/1.33″ в характеристиках смартфонов? Возможно, для кого-то это прозвучит странно, но такая маркировка используется производителями лишь по одной банальной причине — скрыть реальный размер матрицы, запутав пользователя.
Когда мы видим число с двойным штрихом, то понимаем, что это дюймы. А в одном дюйме — 25.4 мм. Если бы диагональ матрицы составляла 2″, мы бы легко перевели это в миллиметры, умножив 2 на 25.4 и получив 50.8 мм.
Было бы логичным предположить, что, если диагональ матрицы указана, как 1/1.33″, то нужно просто единицу разделить на 1.33, а потом умножить на 25.4 и мы получим диагональ в миллиметрах: 1 / 1.33 * 25.4 = 19 мм. Но в реальности матрица 1/1.33″ имеет диагональ 12 мм! Как же так?
Все дело в том, что производители используют не обычные дюймы, а видиконовские. Лет 70 назад были популярными телевизионные камеры с электронно-лучевыми трубками внутри. Работали они примерно, как и ЭЛТ-телевизоры. В трубке была маленькая мишень — аналог матрицы современного смартфона, и в эту матрицу выстреливались электроны.
Так вот, если диаметр трубки равнялся одному дюйму, то размер самой мишени («матрицы») внутри составлял 2/3 от диаметра трубки. Соответственно, в дюймовой трубке (25.4 мм) находилась мишень с диагональю 16.93 мм (25.4*2/3).
«Это же просто отличный способ маркировать современные прямоугольные матрицы!» — подумали производители и стали вместо человеческих миллиметров и дюймов использовать видиконовские дюймы, о которых еще помнят 10 человек, заставших 50-е годы прошлого столетия.
Получается, чтобы примерно высчитать диагональ матрицы в миллиметрах, нужно умножать полученное значение не на 25.4 мм (обычный дюйм), а на 16.93 (видиконовский дюйм). Теперь можно легко посчитать размер упомянутой выше матрицы: 1 / 1.33 * 16.93 = 12.7 мм.
Повторю еще раз. Когда вы видите в характеристиках смартфона размер матрицы, скажем, 1/3.2″, нужно просто единицу разделить на 3.2, а затем полученное число умножить на 16.93. Вот вам и диагональ в привычных миллиметрах!
Делаем выводы
Качество камер современных смартфонов возросло очень сильно при том, что размеры одного пикселя продолжают уменьшаться. Так что, маленький пиксель — это не приговор.
Производители постоянно работают над тем, чтобы как можно больше фотонов попадало на один пиксель. Для этого улучшаются материалы цветных фильтров и линз, чтобы они блокировали как можно меньше света. Внутри одного пикселя сокращаются размеры транзисторов и увеличивается площадь светочувствительного элемента (того самого кусочка кремния).
Новые технологии изоляции пикселей (DTI и F-DTI) позволили значительно сократить их размеры без ущерба качеству, а ведь раньше это приводило к тому, что электроны из одного пикселя могли спокойно перескакивать на соседние:
Но, как вы заметили, с уменьшением пикселя, уменьшался и светочувствительный элемент, а значит и емкость его потенциальной ямы. Эту проблему решили другие технологии, в частности VTG (Vertical Transfer Gate), которая позволила размещать фотодиод внутри пикселя над другими компонентами, а не рядом с ними:
В итоге, пиксель всё уменьшался, а его светосила — увеличивалась.
И в этой связи довольно забавно читать, как многие люди на форумах с грустью вспоминают старые-добрые времена, когда пиксели в смартфонах еще были большими, а не то, что эти модные 0.8 мкм.
Но в действительности, современные маленькие пиксели захватывают больше света, чем старые крупные, так как технологии с тех пор очень сильно ушли вперед и матрицы стали намного качественнее именно с точки зрения физики. Не говоря уже об алгоритмах, нейросетях и машинном обучении.
20 лет назад все говорили, что невозможно нарушить законы физики и телефоны никогда не смогут заменить фотоаппарат. Но проблема оказалась не в законах физики, а в несовершенстве технологий. Физика со своими законами осталась там же, где и была 20 или 2000 лет назад, но технологии продолжают показывать экспоненциальный рост, о чем, собственно, у меня есть отдельная интересная статья…
Позвольте еще раз привести характеристики камеры случайно выбранного смартфона:
Теперь все эти цифры и буквы не должны вас пугать, так как мы подробно разобрались буквально с каждым параметром, за исключением PDAF и OIS. Но об этом поговорим в другой раз!
Алексей, глав. редактор Deep-Review
P.S. Не забудьте подписаться в Telegram на первый научно-популярный сайт о мобильных технологиях — Deep-Review, чтобы не пропустить очень интересные материалы, которые мы сейчас готовим!
Как бы вы оценили эту статью?
Нажмите на звездочку для оценки
Внизу страницы есть комментарии.
Напишите свое мнение там, чтобы его увидели все читатели!
Если Вы хотите только поставить оценку, укажите, что именно не так?