Как устроена камера смартфона? Просто о сложном
Если вы думаете, что камера смартфона это простой элемент, делающий снимки, вы ошибаетесь. Даже если вы уверены, что он не так прост как кажется, вы все равно далеки от истины. На самом деле он намного сложнее, чем кажется. Так как же устроена камера современного смартфона?
Камера современного смартфона состоит из целого вороха линз.
Заблуждения по поводу небольшой сложности камеры во многом обусловлены тем, что времена, когда камера была только в самых дорогих устройствах, давно прошли, и сейчас она есть даже в моделях за несколько тысяч рублей. Конечно, качество снимков таких камер оставляет желать лучшего, но камеры там есть, а значит стоимость самого модуля очень невысокая.
Тем не менее, стоит учесть, что даже самая простая камера не может не иметь в своем составе матрицы из миллионов мельчайших элементов и системы фокусировки с подвижными элементами. А теперь представьте себе размер модуля камеры смартфона и сложность этих подвижных конструкций.
Матрица
Матрица любой камеры, наряду со оптикой, являются основополагающими элементами качества снимка. Для начала разберем из чего состоит именно матрица.
Основной тип матрицы, применяемый в современных устройствах, состоит из светочувствительных элементов, собранных в блоки. Чем больше таких элементов, тем большую четкость снимков может обеспечить камера. Конечно, есть некоторые переменные, которые сводит к нулю ценность большого количества этих элементов. Это может быть низкое качество сборки, плохая оптика или желание сделать матрицу меньше при сохранении на ней светочувствительных элементов.
Стоит отметить, что сами светочувствительные элементы не могут работать без специальных фильтров, нанесенных на поверхность матрицы. Эти фильтры пропускают только красный (Red), зеленый (Green) и синий (Blue) цвет. Поэтому система и называется RGB.
Это матрица цифровой камеры.
Если на элемент не попадает свет определенного цвета, то он попадает на соседний. В этом и заключается принцип определения цвета снимка, так камера и понимает, какого цвета должна быть точка. Собрав несколько миллионов таких точек (мегапикселей) воедино, процессор обрабатывает их и собирает в готовое изображение.
Интересный факт!
Двойная камера нового ZTE Аxon 9 Pro позволяет не только сразу же делать отличные фотографии, но и уже на готовых изображениях менять точку фокусировки или решить, насколько должен быть размыт задний план.
Узнать еще об Axon 9 Pro
Размер светочувствительной ячейки очень сильно влияет на итоговое качество изображения. Не смотря на то, что размер ячеек выражается в микронах, кажущаяся небольшой разница в несколько десятых микрона является очень существенной – чем больше размер пикселя, тем лучше. Например, матрица ZTE Axon 9 Pro имеет размер пикселя 1,4 микрона и, если у какого-нибудь другого смартфона размер пикселя будет на 0,14 микрона меньше, разница будет уже десятипроцентной.
Также на качество снимка влияет и расстояние между пикселями. Если пиксели будут очень маленькими и “напиханы” очень плотно, камера может иметь сколько угодно мегапикселей, но снимки будут плохими и с большим количеством шумов.
Все это является объяснением, что разрешение в 40 мегапикселей не является самым хорошим вариантом. Если сравнивать такую камеру с 20-мегапиксельной такого же размера, при малейшем снижении уровня освещения 40-мекапиксельная начнет существенно проигрывать.
Оптика
Какой бы хорошей не была матрица, “стекла” могу свести на нет все старания ее создателей. В итоге вы можете получить снимок, который будет иметь большое разрешение, большой размер, но, при этом, никогда не будет четким. Для решения этой проблемы над оптикой работают не меньше, чем над самой матрицей.
Объектив камеры смартфона не зря называется именно так. Это именно объектив, как и в случае с зеркальными камерами, просто очень маленький. В конструкции объектива смартфона применяется несколько линз. Точное число зависит от конкретного производителя, но их может быть 4, 5, 7, 8 и даже больше.
Каждая линза выполняется из специального пластика или такого же специального стекла. Каждая из них собирает пучок света так, чтобы он равномерно попадал на рабочую часть матрицы. Малейшее смещение одной линзы на тысячные доли миллиметра может привести к полной неприемлемости качества снимков.
Важным критерием объектива будет его светосила или диафрагменное число. При выборе смартфона, если вам важна камера, надо выбирать тот, в котором цифра будет меньше, например, f/1,75. Это будет существенно лучше, чем f/2.0, f/2.2 и так далее. Тут все просто — чем меньше значение, тем выше светосила и тем лучше камера снимает при слабом освещении.
Еще одним важным показателем будет фокусное расстояние, но сейчас это уже потеряло актуальность для камер смартфонов. Все современные смартфоны оснащены камерами, которые отлично работают почти на любых расстояниях от объекта съемки. Есть даже модели с несколькими объективами, способными работать по-разному, дополняя функции основной камеры функциями телеобъектива (аналог оптического зума) или, наоборот, давая возможность снимать панорамы.
Камера современного смартфона выпирает. А как иначе?
В большинстве смартфонов снаружи вся конструкция прикрыта сапфировым стеклом или другими его прочными разновидностями. Ведь малейшая царапина на стекле может навсегда лишить камеру возможности делать хорошие снимки.
Автофокус
Из названия функции понятно, за что она отвечает. На заре камеростроения для мобильных устройств они не оснащались автофокусом, это было не так плохо и позволяло фотографировать панорамы или объекты на их фоне, обладая достаточно большой глубиной резкости. Но время идет и надо вводить новые функции.
Модуль камеры смартфона выглядит примерно так.
Так появился основной элемент, позволяющий улучшить снимки. В настоящее время он имеет три основных типа. Первый является контрастным. Суть его работы сводится к поиску оптимального фокуса, чтобы сделать резким все изображение или какую-то его часть, выбранную пользователем. Для такой системы не важно, на каком расстоянии находится объект съемки.
Второй тип автофокуса называется лазерным. Он работает только на небольших дистанциях и совмещается с другими системами для более полного охвата диапазона расстояний. Он способен определять расстояние до объекта и подстраивать под него настройки фокуса.
Третий тип автофокуса называется фазовым. Для его реализации предусмотрены дополнительные датчики, которые позволяют камере получить больше данных для настройки фокуса.
Наиболее продвинутые смартфоны способны на ходу объединять работу разных способов фокусировки и даже обеспечивать непрерывную автофокусировку, подстраиваются под изменение положения объекта.
Система стабилизации изображения
Если не считать программного способа стабилизации, который имеет существенные минусы, так как обрезает картинку и работает в основном только во время работы с видео, есть еще и оптический способ.
Модуль камеры в сборе.
Для его реализации камера имеет специальный механизм. Он ориентируется на показания гироскопа и за счет специального привода позволяет менять положение модуля камеры. В итоге, это не удаляет полностью, но компенсирует тряску рук, позволяя сделать видео более плавным, а снимки более четкими даже при относительно низком уровне освещенности.
В наиболее продвинутых смартфонах работа систем объединена. Это позволяет добиться еще большей стабилизации изображения.
Датчик баланса белого
Для более точной цветопередачи и большей естественности снимка камеры оснащаются датчиком цвета.
Любой тип освещения имеет свою цветовую температуру, и,попадая на объект, он отражается по-разному. Человеческий глаз воспринимает это нормально и может подстраиваться, но камере работать с такими изменениями трудно.
Камер смартфона бывает и такой.
Баланс белого можно смещать вручную, но лучше доверить это автоматике, которая сейчас развита настолько, что практически не ошибается и позволяет отказаться от ручных регулировок для большего удобства съемки.
Количество модулей
В наше время смартфоны с одним модулем камеры выпускают только очень уверенные в себе или совсем бюджетные производители. Даже относительно недорогие модели уже оснащаются двумя модулями камеры.
В этом есть масса плюсов. Самый очевидный из них в том, что они могут иметь разные настройки фокусного расстояния. Например, ZTE Axon 9 Pro позволяет снимать не только обычные фото, но и широкоугольные — с углом обзора 130 градусов. Это может очень пригодиться, когда надо сфотографировать большую компанию, крупное здание с небольшого расстояния или панораму природы.
Итог
Как видим, камера современного смартфона не так проста, как кажется. Она состоит из матрицы с десятками миллионов светочувствительных элементов, информация с которых обрабатывается отдельно, нескольких идеально подогнанных друг под друга линз, миниатюрных приводов и датчиков.
Все это делает ее чуть ли не самым сложным элементом смартфона. Но она постоянно развивается, ведь ни для кого не секрет, что при покупке смартфона мы далеко не в последнюю очередь обращаем внимание на то, как он может фотографировать.
Из чего сделана камера
А вы знали, что защитное стекло на объективах iPhone 11 из сапфирового стекла? Может поэтому он такой дорогой 🙂 Я обещала рассказать личное мнение про камеры iPhone 11, который недавно (UPD: осень 2020) купила себе.
Не буду углубляться в спецификацию iPhone 11, скажу только, что обе камеры (широкоугольная и сверхширокоугольная) по 12 МП. И на фоне других мобильных камер на 48, 64 или 108 МП айфоновские мегапиксели смотрятся «так себе». Но компания Apple никогда и не гналась за количеством мегапикселей, а качество фотографий, при этом всегда было на высоте.
Однако есть моменты, которые лично мне не понравились. Сначала о том, что нравится:
1. Как фотографирует сверхширокоугольная камера днем. Нет аберраций, качество отличное. Есть классные искажения, как я люблю. Но ночью он бесполезен.
Характеристики и функции камер смартфонов — о чем они нам говорят
Покупка смартфона — непростая задача, так как нужно определиться с множеством характеристик и функций. Одна из них — это съёмка фото и видео. Не разбирающиеся люди часто оценивают их качество мегапикселями и удивляются, почему у среднебюджетных китайских смартфонов может быть 108 Мп, в то время как у топового iPhone 14 Pro их всего 48. Всё дело в том, что не мегапиксели определяют качество отснятых фото или видео. Как тогда оценивать характеристики камеры смартфона и какие параметры важны при выборе устройства, мы сейчас и разберёмся.
Galaxy S23 Ultra от Samsung имеет один из лучших наборов камер на рынке смартфонов. Источник: tomsguide.com
Мегапиксели — сколько их должно быть
Большой запас мегапикселей не гарантирует высокое качество изображения. Камера смартфона на 108 Мп не обязательно окажется лучше, чем 64 или даже 48 Мп. Фактически этот параметр указывает лишь на размер фото. Когда в смартфоны устанавливали камеры на 2-3 Мп, производители действительно боролись за каждый мегапиксель и это давало ощутимое преимущество. Но как только их количество превысило два-три десятка, дальнейшая гонка перестала иметь смысл. Сейчас в китайских смартфонах камера на 108 Мп является скорее маркетинговым ходом, чем реальным конкурентным преимуществом. Например, такой модуль установлен в среднебюджетные модели Redmi Note 12S или Huawei Nova 10 SE.
Количество мегапикселей определяет количество пикселей или точек, из которых состоит изображение. Теоретически, чем их больше, тем более чётким должен быть снимок. Но не так все однозначно, потому что многое ещё зависит от размера матрицы. Когда количество мегапикселей наращивают увеличением её размера — это положительно сказывается на качестве снимков. Если же производитель уменьшает размер самого пикселя и использует маленькую матрицу, заметного улучшения это не даст.
Фото сделаны на Galaxy S22 Ultra: слева — 12 Мп, справа — 108 Мп. Источник: androidpolice.com
Для создания качественных кадров вполне хватит 12-16 Мп. Например, iPhone SE 2022 имеет всего одну главную камеру на 12 Мп, и снимает он очень достойно. Исключением может стать только съёмка в условиях плохого освещения, при которых 108 Мп иногда действительно дают лучшее качество за счёт пиксельного биннинга, о котором будет рассказано ниже.
Размер матрицы имеет значение
Матрица или сенсор — основа каждой цифровой камеры. Именно этот элемент улавливает свет, преобразуемый в фотографию. Главная характеристика матрицы — это размер. Учитывается диагональ сенсора и указывается в виде дроби типа 1/х. Чем ниже значение «х», тем крупнее матрица. Таким образом, сенсор размером 1/2.7” меньше, чем 1/1.4”.
Матрица состоит из пикселей. Каждый из них — это маленький кусочек кремния, улавливающий свет и преобразующий его в цветное изображение. Размер матрицы определяет количество размещаемых на ней пикселей и их размер (от 0.6 до 2.0 мкм).
Теоретически, чем крупнее пиксель, тем больше он способен уловить света и тем качественнее кадры, сделанные в темноте, но есть исключение — это пиксельный биннинг. Технология позволяет объединять соседние пиксели. Если в смартфоне 108 Мп, фактически это 12-мегапиксельный модуль. Просто в нем пиксели группируются по 9 штук.
Сравнение матриц в смартфонах Huawei. Источник: blogspot.com
Например, камера на 108 Мп с пикселями по 0.7 мкм может выдавать изображения лучшего качества, по сравнению с 12 Мп с пикселями по 1.8 мкм. Дело в том, что в 108-мегапиксельной камере девять рядом стоящих пикселей соединяются в один виртуальный суперпиксель размером 2.1 мкм. Итоговое разрешение кадра все равно остаётся 12 Мп.
При выборе камерофона важно учитывать размер матрицы и пикселей, из которых она состоит. Но и не стоит скидывать со счетов среднебюджетные смартфоны с модулем на 108 Мп. Пиксельный биннинг иногда творит чудеса. Но если стоит выбор между большим количеством мегапикселей или большой матрицей с меньшим разрешением, второй вариант предпочтительнее.
Размер диафрагмы
Её также называют апертурой. Этим параметром определяют размер пропускного отверстия объектива. Чем шире, тем больше света попадёт на матрицу и тем качественнее будут фото в условиях плохого освещения.
Диафрагму указывают в формате f/x. Чем меньше показатель «х», тем шире отверстие и тем значительнее светосила объектива. Например, камера смартфона с апертурой f/1.8 при слабом освещении будет снимать лучше, чем f/2.8.
Оптическая стабилизация
При съёмке на смартфон любые неосторожные движения рук могут смазать кадр. В солнечный день это происходит не так часто, как при съёмке в вечернее время или просто в условиях слабого освещения. В таком случае выдержка увеличивается, а камере нужно больше времени для пропуска достаточного количества света на матрицу. Пока диафрагма остаётся открытой, смартфон в руках и все объекты в кадре должны оставаться неподвижными. В противном случае, изображение смажется.
Пример работы оптического стабилизатора при создании ночных кадров. Источник: xiaomiui.net
Оптический стабилизатор или OIS способен спасти ситуацию. Технология основана на отсутствии жёсткой фиксации модуля камеры к корпусу. Небольшая подвижность нивелирует дрожание смартфона в руках. Тем самым чёткость фотографий повышается, особенно при слабой освещённости.
В бюджетных смартфонах оптического стабилизатор нет, и в среднебюджетниках он встречается нечасто. Максимум, на что можно рассчитывать — это электронная стабилизация. Но по качеству работы она сильно уступает полноценной оптической.
Зум — оптический или цифровой
Зум определяет возможности камеры приближать изображение. Цифровом исполнении функция работает очень просто: увеличение происходит за счёт обрезания полноразмерного кадра. Это приводит к неизбежному снижению качества.
Сравнение цифрового и оптического зума. Источник: techijau.com
У оптического зума другой принцип действия. Для него в смартфон устанавливают дополнительные объективы с другими линзами. Так в Samsung Galaxy S23 Ultra сразу два оптических зума — 3х и 10х. Вдобавок ещё имеется 100-кратный цифровой. Китайский Xiaomi 13 Ultra наступает ему на пятки со своими камерами с оптическим зумом 3.2х и 5х. А вот продвинутый iPhone 14 Pro может похвастаться только телеобъективом с 3-кратным увеличением.
Количество и виды модулей камеры
Даже в самом бюджетном смартфоне есть минимум две камеры — основная и фронтальная. Также производители устанавливают дополнительные. В недорогих моделях они нужны преимущественно для маркетинга и придания устройству более солидного вида, в то время как в продвинутых гаджетах они играют реальную практическую роль.
Сверхширокоугольный модуль — дополнительный объектив с увеличенными углами обзора. Предназначен для съёмки пейзажей или объектов архитектуры. В кадр можно вместить больше деталей даже с относительно близкого расстояния. В недорогих смартфонах у данного модуля небольшое разрешение, поэтому качество снимков намного ниже, чем на основную камеру.
В бюджетном Honor X6 три тыльные камеры, но в реальности используется только одна. Источник: techlekh.com
Телеобъектив — это модуль, отвечающий за увеличение изображения. Именно от него зависит кратность оптического зума. Его устанавливают преимущественно во флагманские модели устройств.
Макромодуль — встречается в бюджетных и среднебюджетных гаджетах. Разрешение у него обычно небольшое — 5-8 Мп. На практике им почти никто не пользуется.
Сенсор глубины резкости — предназначен для размытия заднего фона в портретном режиме. Этот модуль можно встретить во многих бюджетных смартфонах. Его используют, чтобы сделать блок с камерами на тыльной стороне корпуса более солидным.
Заключение
Покупая смартфон с хорошей камерой, необходимо учитывать не только обещанные производителем мегапиксели. Не менее важны такие параметры, как размер матрицы, наличие оптического стабилизатора и максимальная диафрагма. Если планируется снимать что-либо издалека, необходимо обратить внимание на наличие и кратность оптического зума. А вот на датчик глубины резкости и макромодуль можно не обращать особого внимания.
Из чего сделана камера
Из чего сделаны объективы ИК-камеры?
Объективы ИК-камеры изготовлены из таких веществ, как германий или другие материалы с низким поглощением в инфракрасном спектре. Но почему необходимо использовать эти специализированные компоненты вместо более распространенного вещества, такого как стекло?
Инфракрасные камеры работают не так, как обычные камеры видимого света. Обычные камеры функционируют более или менее так же, как и человеческий глаз, получая излучение в спектре видимого света и превращая его в изображение. Инфракрасные камеры, с другой стороны, делают изображения от тепла, иначе инфракрасного или теплового излучения, вместо видимого света.
Инфракрасное излучение ведет себя совсем иначе, чем видимый свет. Из-за этого объективы инфракрасной камеры должны быть изготовлены из материалов, отличных от обычных камер. Свойства данного материала в видимом мире могут не иметь никакого отношения к его свойствам в инфракрасном мире — стекло, например, чрезвычайно прозрачно для излучения в видимом спектре, но в инфракрасном диапазоне стекло полностью непрозрачно:
Обратное может быть правдой. Германий, полуметаллический элемент, похожий на кремний, полностью непрозрачен в видимом мире, но почти 100% прозрачный в инфракрасном диапазоне.
Именно по этой причине объективы камер Teledyne Flir изготовлены из германия или других материалов, прозрачных в инфракрасном спектре.