Как устроена камера в смартфоне

Камера, пожалуй, наиболее сложный элемент современного смартфона, если не учитывать аппаратную платформу. От чего зависит качество изображения, из каких компонентов состоит фотомодуль и так ли важно количество мегапикселей? Сегодня мы дадим тебе исчерпывающие ответы на эти и другие вопросы.

Стоит сказать сразу: количество мегапикселей камеры – важный, но не единственный параметр, влияющий на итоговое качество фото. Это одна из характеристик очень непростой системы, работу которой мы попытаемся сейчас описать максимально доступно.

Две главные составляющие камеры смартфона – матрица и оптическая система линз. Матрица – это прямоугольной формы элемент, на котором размещены миллионы невидимых невооруженным глазом светочувствительных диодов, которые отвечают за фиксацию изображения.

Но диоды неспособны делать этого без другого важного элемента – цветового фильтра. Прежде чем достичь фотоприемников матрицы, световой поток проходит через три светофильтра системы RGB: красный, зеленый и синий (отсюда и название данной цветовой модели). Поэтому каждая светочувствительная ячейка способна распознать лишь треть от поступившей на нее цветовой информации. Только один цвет (например, красный). Оставшаяся часть не проходит через фильтр, но зато воспринимается соседними диодами. К ним она поступает через другие цветовые фильтры (зеленый или синий). Обработкой поступившей информации занимается процессор, он же формирует итоговое значение цветного пикселя, принимая во внимание данные с нескольких светочувствительных ячеек. 

Один миллион пикселей = один мегапиксель. И разумеется, чем больше мегапикселей, тем большее количество точек будет формировать итоговое изображение и тем более детализированным получится каждое фото.

Наибольшее распространение среди камер смартфонов получили CMOS-матрицы. Они потребляют минимум энергии аккумулятора, позволяют быстрее формировать конечный файл изображения. Пиксель такой матрицы может оснащаться усилителем, что улучшит результат съемки при плохом свете.

На качество фото влияют и размеры каждого фотоприемника в отдельности и матрицы в целом. Чем больше пиксель, тем больше света он способен зафиксировать. Здесь все просто: 1,4 микрона лучше, чем 1,12 микрона. А вот с размером самой матрицы ситуация чуть интереснее. Чем она больше, тем легче уместить на ней много крупных по размеру пикселей, соблюдая при этом некоторую дистанцию между ними. А чем дальше пиксели друг от друга, тем меньше цифрового шума на фотографии.

Сделать матрицу большего размера просто лишь на словах. Речь ведь идет о смартфоне. Развернуться здесь практически негде, чего не скажешь о полноценной зеркалке. Чем меньше площадь матрицы, тем хуже, ведь много пикселей на ней не поместится, а запихнуть много светочувствительных ячеек можно, но все они будут мелкими, что отрицательно скажется на светочувствительности и шумности фотографий.

Но многие производители находят решение в технологиях. Например, есть способ изолировать пиксели друг от друга. Матрицы, сделанные с применением этой технологии, показывают более впечатляющие результаты съемки в условиях недостаточной освещенности. Другое решение – матрицы с фильтром RGBC. К стандартным цветовым фильтрам здесь добавлен еще один, прозрачный. Через него на фотоприемники поступают сведения о яркости света.  

Прежде чем через светофильтры попасть на фотоприемники матрицы, световой поток проходит через линзы объектива. В современных смартфонах их может быть и пять, и восемь, а расположены они обязательно в определенной последовательности. Все серьезно, почти так же, как в профессиональных аппаратах.

Плохой объектив может свести на нет все старания самой качественной матрицы. Если линза откровенно слабее сенсора, то фото ожидаемого разрешения ты получишь лишь на бумаге: мегапикселей много, файл весит прилично, а четкость явно оставляет желать лучшего. Другая проблема плохой оптики – размытость в углах фотографии.

Одна из важнейших характеристик объектива – фокусное расстояние. С этим почти у всех представленных на сегодняшнем рынке моделей все хорошо. Практически во всех камерах используется широкоугольный объектив, позволяющий вместить в кадре все, что пожелаешь. Некоторые камеры оснащаются сверхширокоугольными объективами, с их помощью хорошо получаются панорамные фото.

Другая важная характеристика – диафрагменное число. Его несложно найти в спецификации телефона, но именно оно часто вызывает вопросы. Здесь правило следующее: чем оно меньше, тем крупнее глазок объектива, тем большую пропускную способность он имеет. Соответственно, тем больше света через систему линз поступит на фотоприемники. Например, f/1.8 лучше, чем f/2.

Элемент хоть и вспомогательный, но очень важный. Без автофокуса можно снимать общие планы и доставать объекты на значительном расстоянии от себя, но нельзя навести резкость на конкретный участок кадра и фотографировать в режиме «Макро». 

Во многих камерах телефонов используется контрастный автофокус. Он не берет в учет расстояние до объекта съемки, а полагается на цифровой анализ изображения. Определив четкий цветовой контраст одного объекта на фоне другого, он наведет резкость на основании этих данных, самостоятельно установив и границы объекта. 

Фазовая автофокусировка точнее, эта система за счет дополнительных датчиков на матрице получает больше сведений об объекте съемки, срабатывает быстрее и способна поймать быстродвижущиеся объекты. Причем эта технология по-разному называется разными производителями. В iPhone это Focus Pixels, в Samsung – Dual Pixel. Но принцип работы один. 

При помощи лазерного автофокуса сенсор камеры может измерить расстояние до объекта съемки. Расположенный рядом с объективом излучатель освещает предмет, а сенсор принимает во внимание время поступления отраженного луча, делая вывод о дистанции до объекта. К сожалению, эта система работает только на расстоянии нескольких метров. При нацеленности на удаленные объекты камера задействует другие способы автофокусировки. 

В смартфонах используется цифровая или оптическая стабилизация кадра. 

В оптической системе (OIS) работают специальные гироскопы (устройства, реагирующие на смену положения в пространстве). Они фиксируют тряску смартфона, а система, получив информацию об этом, физически меняет и положение линз, подстраивая его под нестабильные условия съемки. Такая система позволяет избежать смазанных фото и максимально снизить количество шума.

При цифровой стабилизации работает исключительно центральная часть матрицы, а фотоприемники вокруг нее нужны лишь на случай тряски. Когда изображение смещается в любую из сторон, его ловит часть оставленных про запас пикселей, не позволяя фотографии или видео смазаться. Кстати, именно в случае со съемкой роликов цифровая стабилизация (EIS) работает наиболее эффективно.

На секунду вернемся к разговору о широкоугольных объективах. Расширенный угол, который так активно рекламируется производителями, хорош не во всем и не всегда. Чем больше угол обзора, тем более заметны будут естественные геометрические искажения. Например, эффект «рыбьего глаза», который известен многих фанатам селфи. 

Если отдаленный от тебя объект нужно увеличить, то на помощь придет зум. Цифровой зум устроен несложно: нужная часть кадра вырезается из середины фото программным методом, что возможно благодаря запасу мегапикселей.

А настоящий зум, оптический, в смартфонах редкость. Можно вспомнить любопытную модель Galaxy K Zoom от Samsung, где объектив выезжает, будто у цифрового фотоаппарата, или обратить внимание на более свежий девайс ZenFone 3 Zoom от ASUS с 2,3-кратным оптическим зумом. 

Двойной камерой в современных смартфонах уже не удивишь. Популярное нынче решение несет в себе реальную пользу. Например, одна камера снимает обычное цветное фото, а вторая, вспомогательная, делает черно-белый снимок, получая за счет этого больше информации об объекте: световому потоку не приходится пробиваться через цветовой фильтр. Объединение двух изображений (в специальном программном режиме съемки смартфона) позволяет совместить данные сразу с двух сенсоров, что неизбежно ведет к улучшению качества фото на выходе.

Другой сценарий реализации двойной камеры в смартфоне предполагает, что один модуль имеет более широкий угол обзора, а второй позволяет качественно снимать приближенные объекты, делать фото с эффектом размытия и крупные планы.

Подробнее о возможностях двойной камеры можно узнать в нашем обзоре.

Со съемкой видео все обстоит так же неочевидно, как и с вопросом о количестве мегапикселей. Разрешение ролика – это не единственное, что влияет на его итоговое качество. Следует обратить внимание еще на два параметра – FPS и битрейт.

FPS – количество кадров в секунду. Чем выше это значение, тем плавней будет видео. А чем выше битрейт, тем лучше будет качество изображения внутри видео. И добиться максимальных показателей сразу по трем параметрам (разрешение, FPS, битрейт) могут немногие смартфоны. Здесь все сильно зависит от программных возможностей смартфона, а в отличие от максимального разрешения съемки другие параметры производителями хоть и не скрываются, но и не афишируются. Узнать их можно либо покопавшись в Сети, либо отсняв пару пробных роликов в рамках тест-драйва понравившейся модели. 

Спасибо за внимание к обзору «Как устроена камера в смартфоне». Есть что добавить? Тогда добро пожаловать в раздел «Комментарии». Смело выражай свое мнение, задавай вопросы и рассказывай, о каких еще девайсах ты бы хотел прочитать!