Как устроена камера смартфона: ликбез и заблуждения

100500 МП как маркетинговый ход

Частая история: купил недорогой смартфон с четверной основной камерой на 200 МП, а на деле снимки получаются, мягко говоря, посредственные. Возникает вопрос: «Как же так, раз там аж столько мегапикселей»?

На самом деле, все очень просто. За качество съемки отвечают не только полумифические мегапиксели, но и много чего еще.
Объясняем на пальцах в статье.

База

Конструктивно, камера топового смартфона и камера бюджетника — почти одно и то же. Принципиальных отличий нет. Но есть отличия в другом: количество, качество и виды комплектующих, программное и аппаратное обеспечение девайса.

Причем тут ПО и «железо»? Фотографии получаются не благодаря нажатию на клавишу съемки, а благодаря обработке — огромное количество пикселей, «отпечатавшихся» на матрице, нужно сложить в единое изображение. За эффективность обработки отвечает и программная, и аппаратная части устройства. Первая — задает алгоритмы, методы и т. д. Вторая — обеспечивает первую вычислительными мощностями.

Соответственно, телефон со слабой однокристальной системой технически невозможно оснастить топовой камерой — не «потянет» процессор.

Но пока вернемся к количеству и качеству компонентов.

Из чего состоит камера телефона

1. Матрица (сенсор)

Именно ее разрешение в технических характеристиках устройства указывается в мегапикселях (МП), большое количество которых может ввести в заблуждение.

Сегодня наиболее часто в мобильные устройства устанавливается CMOS-матрица. Она состоит из светочувствительных элементов, которые объединены в блоки. Большое количество элементов — больше разрешение. В теории при большом разрешении должны получаться четкие и детализированные фото. На практике большое разрешение бессмысленно при невысоком качестве самой матрицы, других комплектующих и сборки.

Есть и еще один важный момент. «Общепринятые» габариты мобильных устройств предопределяют, даже ограничивают физические размеры комплектующих. Но большое количество мегапикселей неплохо продается, поэтому многие производители идут на ухищрения:

• Сохраняют размер матрицы, но увеличивают количество светочувствительных элементов.
• Сохраняют количество светочувствительных элементов, но уменьшают размер матрицы.
• Сохраняют размер матрицы, но уменьшают расстояние между светочувствительными элементами.

В итоге страдает качество изображения, ведь чем больше пиксели и расстояние между ними, тем больше света они могут принять. А чем больше света принимает пиксель, тем ниже уровень шумов. Размеры светочувствительных ячеек измеряются в микронах. 
Что нужно знать о работе матрицы:

• На поверхность матрицы нанесены RGB-фильтры. Они пропускают красный, зеленый и синий цвета.
• Свет, попадая на матрицу, «отпечатывается» на светочувствительных элементах в соответствии с цветом. Так определяются цвета на фото.

Примечание: матрицы Sony и Samsung в контексте смартфонов — одни из лучших. Что касается матриц Sony, то их ставят даже в устройства Samsung для дополнительных модулей.

2. Оптика

В хорошей матрице нет никакого смысла, если используется плохая оптика. Объективы современных телефонов имеют конструкцию, аналогичную той, что используется в объективах «зеркалок». То есть это не одна линза, а целая система, которая обычно состоит из четырех, а иногда из восьми и более штук разных видов. Сами же линзы изготавливаются из особого пластика или стекла.

Работа оптики заключается в следующем: она собирает пучок света таким образом, чтобы он равномерно распределялся по светочувствительным элементам сенсора.

Одна из важнейших характеристик оптики — светосила. Определяет качество съемки в условиях недостаточной освещенности или в темноте. Она указывается в ТХ камер почти всегда. Формат: f/X, где X — десятичная дробь. Чем меньше X, тем лучше. То есть объектив со светосилой f/2.5 хуже, чем с f1.6.

Если не нашли на официальном сайте производителя, то он что‑то не договаривает. Вероятно, оптика используется как минимум посредственная.

Еще одна характеристика — фокусное расстояние. Чем меньше «фокус», тем больше угол обзора и, соответственно, меньшими кажутся удаленные объекты. Работает это и наоборот. Нельзя сказать, какое фокусное расстояние лучше. Все зависит от того, что и как снимать — неспроста профессиональные фотографы имеют в распоряжении несколько объективов.

В случае смартфонов проблема выбора объектива практически неактуальна: если основная камера устройства состоит из двух полноценных модулей, то один объектив будет широкоугольным, а второй — сверхширокоугольным. Но есть исключения.

Примечание: если оптическая система камеры изготовлена топовым брендом, то это обязательно будет указано в маркетинговой информации и ТХ на сайте производителя. Почти беспрекословно доверять можно Carl Zeiss, Leica и Hasselblad. Но и забывать о принадлежности девайса к конкретному ценовому сегменту не стоит. Также можно сбрасывать со счетов премиальные смартфоны — они обычно оснащаются отличными оптическими системами.

3. Тип автофокуса

Автофокусировка помогает настроить объектив камеры так, чтобы он «обратил внимание» непосредственно на целевой объект. В современных смартфонах встречаются следующие типы системы:

• Контрастный. Такие системы сравнивают контрастность фрагментов снимка, попадающего на матрицу при разных положениях объектива.
• Лазерный. Система определяет физическое расстояние до объекта и подбирает оптимальные настройки фокусировки на нем.
• Фазовый. Система настраивает фокусировку, исходя из расстояния между потоками разделенного пучка света, попавшими на специальный сенсор.

Примечание: топовые девайсы обычно оснащаются комбинированными системами автофокуса, которые могут работать либо вместе, дополняя друг друга, либо по отдельности, отталкиваясь от условий.

4. Масштабирование и стабилизация изображения

Есть два типа зума — оптический и цифровой. Первый подразумевает приближение изображения до захвата при помощи физического перемещения линз в объективе. Второй — кадрирование полученного матрицей изображения. То есть нужный фрагмент вырезается и растягивается до исходного разрешения.

Также есть оптическая и цифровая стабилизация изображения (уменьшение эффекта тряски). Работает аналогично зуму:

• Оптическая — за счет смещения линз в объективе.
• Цифровая — за счет обрезания краев изображения.

Примечание: оптические зум и стабилизация лучше цифровых, но в компактные объективы смартфонов невозможно установить настолько же эффективные системы, как в случае с объективами профессиональной фото- и видеотехники. Соответственно, даже премиальные мобильные девайсы комбинируют оба решения.

5. Количество и тип модулей

На смартфоны устанавливаются следующие типы модулей (объективов):

• Широкоугольный. Как правило, это основной модуль — стандартный. Его примем за эталон.
• Телеобъектив (он же телефото). Объектив с большим фокусным расстоянием, который предназначен для съемки вдаль с существенной долей увеличения объекта.
• Портретный. Как и телефото, разновидность длиннофокусного объектива. Как правило, отличается увеличенной светосилой.
• Макро. Специальный объектив, который предназначен для детализированной близкой съемки мелких объектов.
• Ультраширокий/Сверхширокий. Объектив с маленьким фокусным расстоянием, который нужен для панорамной съемки или съемки в ограниченном пространстве.
• Времяпролетный (он же датчик глубины). Этот сенсор излучает свет и принимает назад после того, как тот отразился от объектов. Используется для придания фотографии 3D-эффекта.

Важный момент: большое количество камер — не гарантия качественных фотографий во всех режимах. Обычно в качестве основного объектива используется широкоугольный — он наиболее универсальный, подходит для фотографий большинства типов. Также именно этот модуль имеет матрицу с наибольшим разрешением.

Остальные же камеры могут устанавливаться в смартфон по принципу «лишь бы были». Например, основной модуль может иметь разрешение 200 МП, а камера со сверхширокоугольным объективом — 8 МП. Скорее всего, обе окажутся посредственными. В первом случае будет иметь место «искусственное» увеличение разрешения (чрезмерно маленькие пиксели), а во втором — недостаточное разрешение в принципе.

К слову, бывает и по-другому: камера с невысокими физическими и техническими характеристиками снимает лучше, чем аппарат с топовыми. Это может быть связано с алгоритмами обработки фотографий.

Поэтому наиболее рациональный способ выбрать девайс с хорошей камерой — не только изучить характеристики, но и поискать реальные снимки. А еще лучше — протестировать лично.