Почему и как «большие пиксели» делают картинку лучше?

Краткое резюме

Да, большие пиксели действительно улучшают производительность при прочих равных условиях, и Apple поступает правильно, сосредоточившись на размере сенсора. Однако в этом случае увеличение размера настолько незначительно, что разница будет незначительной, вероятно, не достигая того уровня улучшения, который вы можете ожидать от их маркетинга.

Что значит большие пиксели?

Это относится к размеру фотодетекторов, которые представляют собой пиксели на датчике камеры.

Короче говоря, чем больше света достигает этих фотодетекторов, тем точнее они могут измерять уровень освещенности, тем самым уменьшая шум. Чтобы упростить ситуацию, шум обычно является фактором при съемке в условиях низкой освещенности или в помещении.

Есть два способа получить большие фотодетекторы на датчике:

1. Иметь меньше пикселей.

2. Сделайте датчик больше.

Первое является компромиссом с разрешением, которое может привести к чистому улучшению, а может и не привести, тогда как второе является общим выигрышем. В iPhone 5S они пошли с последним, и это хорошо.

Маленькие сенсоры, такие как в мобильных телефонах и компактных камерах, больше всего страдают от маленьких пикселей, потому что для того же количества пикселей их пиксели должны быть намного, намного меньше, чем в зеркальных фотокамерах и других профессиональных/потребительских камерах.

Гонка за мегапикселями

Желание втиснуть все больше и больше пикселей в датчики камеры привело к уменьшению отдачи в разрешении и начало вредить — или пренебрегать улучшением — чувствительности маленьких датчиков в мобильных телефонах и компактных камерах.

К сожалению, это было вызвано менталитетом, что «больше пикселей = лучшая камера», поскольку количество мегапикселей очень легко продать вашу камеру. На самом деле убывающая отдача гарантирует, что чем больше пикселей вы добавляете, тем менее важно добавлять больше, и мы приближаемся к моменту, когда многие датчики, особенно крошечные внутри мобильных телефонов, не могут даже обеспечить достаточное разрешение. в любом случае, чтобы оправдать количество мегапикселей из-за свойств используемого объектива и самого резкого изображения, которое они могут создавать на датчике.

Достижения в сенсорных технологиях, такие как микролинзы и задняя подсветка, наряду с более продвинутыми алгоритмами шумоподавления, в какой-то степени компенсировали потерю чувствительности из-за увеличения количества пикселей в таком маленьком сенсоре, но этого недостаточно: современные камеры мобильных телефонов по-прежнему шумно в помещении и при слабом освещении из-за небольшой площади светосбора.

Очень сложно продвигать вашу камеру на основе чувствительности или других аспектов качества изображения, когда количество мегапикселей остается основной маркетинговой статистикой, связанной с цифровыми камерами, хотя и вводящей в заблуждение.

Так почему же Apple продвигает его таким образом?

Неосведомленная общественность по-прежнему ожидает, что если камера улучшится, количество ее мегапикселей возрастет.

Apple, однако, выпускает «лучшую» камеру в своем мобильном телефоне, но без увеличения количества мегапикселей.

Технически это хорошая идея для качества изображения. Однако трудно объяснить людям, почему это так, когда их приучили верить, что количество мегапикселей является основным показателем качества изображения.

Такой маркетинг камеры iPhone 5S является попыткой:

1. Сместите маркетинг датчиков камеры от количества пикселей к чувствительности и другим аспектам качества.

2. Отвлекитесь от того факта, что количество мегапикселей, которое, по мнению многих людей, до сих пор определяет качество изображения, не увеличилось.

К сожалению, они не первые, кто пытается осуществить эту революцию, и не будут последними. Миф о мегапикселях очень прочно укоренился.

Примечание: в ответ на некоторые комментарии ниже я определяю «миф о мегапикселях» как миф о том, что количество пикселей является основным фактором, определяющим качество изображения, и что чем больше пикселей, тем лучше качество, а не то, что количество пикселей не имеет никакой пользы. Неотъемлемой проблемой мифа о мегапикселях является и то, что он отвлекает от важных статистических данных, таких как размер сенсора, о котором практически никогда даже не говорят для мобильных телефонов и компактных камер.

Это правда или маркетинговый ход?

Технически это верно, но в данном случае разница настолько мала, что несущественна.

Это правда, что сохранение того же количества пикселей и увеличение размера каждого пикселя приводит к лучшей чувствительности, и это то, что они сделали здесь. Это должно привести к меньшему шуму (или, если в результате камера может использовать более высокие скорости, возможно, к меньшему размытию движения при слабом освещении). Их фактическое заявление о том, что «больше пикселей = лучшее изображение», является упрощением и потенциально может сбить людей с толку, заставив их думать, что их изображения при дневном свете также могут быть улучшены, что не соответствует действительности. Но в условиях низкой освещенности улучшенная чувствительность даст преимущество.

Тем не менее , они не сделали их намного больше. При увеличении размера сенсора всего на 6,6% любой полученный прирост чувствительности будет крошечным: настолько маленьким, что он незначителен. Чтобы представить это в перспективе, DSLR имеет датчик, который примерно на 500-900% больше, чем у компактной камеры. Это привело бы к значительному увеличению чувствительности на несколько ступеней диафрагмы. Увеличение на 6,6% очень незначительно. Он составляет примерно одну шестую диафрагмы.

Так что это тоже своего рода маркетинговый ход. Чтобы добиться каких-либо значительных успехов, им пришлось бы намного больше увеличить размер сенсора. Это также маркетинговый ход, потому что раньше их маркетинг был сосредоточен на количестве мегапикселей, а теперь они изменили способ маркетинга , потому что решили не увеличивать количество мегапикселей и все еще хотят иметь возможность похвастаться тем, что они улучшили камеру. .

Теоретически лучше иметь больше маленьких пикселей, чем меньше больших пикселей.

Маленький пиксель будет захватывать меньше фотонов, и, следовательно, его вывод будет более шумным, но, взяв больше выборок, шум усредняется, простой повторной выборкой вы можете смоделировать результат датчика с меньшим количеством больших пикселей.

Но вы можете сделать лучше, чем просто сопоставить результат с большими пикселями. Более мелкие пиксели вместе собирают больше информации. Большие пиксели позволяют узнать, сколько фотонов попало, скажем, в область размером 5 мкм x 5 мкм. Маленькие пиксели также сообщают, сколько фотонов попало в ту же область, но также могут показать, сколько фотонов попало в верхнюю левую область 25 мкм x 25 мкм, нижнюю правую область 25 мкм x 25 мкм и т. д. более детализированные изображения с тем же разрешением, что и у камеры с более крупными и более чувствительными пикселями.

На практике вещи никогда не бывают совершенно равными. Когда учитывается шум чтения, чтение значений из 4 пикселов меньшего размера означает четырехкратный штраф за шум чтения, что приводит к большему шуму в тенях и снижению DR. Это не должно быть проблемой с новейшими датчиками Sony Exmor со сверхнизким уровнем шума считывания, но может быть причиной того, что Canon по состоянию на 2013 год не производила корпус с разрешением более 22 МП).

Пиксели не являются плоскими объектами. Обычно светочувствительная часть находится внизу, а окружающая электроника слоями выше. Это делает пиксели немного похожими на колодец. Когда вы делаете пиксели очень-очень маленькими, доля светочувствительной области уменьшается, а глубина лунки как доля ее ширины становится намного больше, уменьшая количество углов, с которых он может получать свет, и, следовательно, чувствительность.

Вот где они находятся с датчиками камеры телефона, они не могут увеличить количество пикселей без серьезного ущерба для доли заполнения и угловой эффективности, поэтому, чтобы попытаться привлечь потребителей, они сокращают количество пикселей. Лучшее решение — увеличить сенсор, но для этого потребуется объектив большего размера, а сверхтонкий корпус, который продается во многих телефонах, невозможен.

Есть и недостатки в меньшем количестве больших пикселей. Уменьшенная частота дискретизации приводит к усилению муара, что требует более сильных фильтров сглаживания, что усугубляет проблему снижения разрешения. Более низкая частота дискретизации также приводит к большему количеству ошибок демозаики.

К сожалению, мантра «маленькие пиксели плохие» применяется ко всем размерам формата и заставляет производителей камер неохотно продвигать качество вперед, увеличивая количество пикселей, поскольку «общепринятое мнение» состоит в том, что это плохая идея и делает изображения более шумными, более подверженными камерам. дрожит и требует более качественных объективов (каждый из этих пунктов не соответствует действительности).

Основная идея здесь заключается в том, что датчик большего размера дает лучшее изображение (если датчики используют одну и ту же технологию). Что Apple сделала, так это увеличила размер сенсора, и при сохранении того же количества пикселей каждый пиксель будет иметь более высокое отношение сигнал-шум, что приведет к лучшему изображению.

Все дело в том, чтобы как можно точнее поймать падающий свет.

Это довольно просто, с большей поверхностью (на пиксель) вы поймаете больше света и сможете сделать более точное представление этого света в конечном результате.

Это правда, что фотографии будут лучше, но всего 15% на пиксель не впечатляет. Так что это тоже маркетинг. Nokia сделала то же самое со своим PureView. Понижение разрешения с 41 мегапикселя до 5-10 мегапикселей также значительно снизит уровень шума. PureView от Nokia будет лучше, если вы спросите меня.

Есть два основных преимущества увеличения пикселей:

1. пиксели большего размера собирают больше света, поэтому сенсор более чувствителен. Это означает, что в условиях низкой освещенности вы можете снимать с низким значением ISO и, следовательно, с низким уровнем шума.

2. при больших значениях диафрагмы (например, f/2.2) и небольшом сенсоре многие световые лучи случайным образом взаимодействуют с разными пикселями, размывая изображение. А это понизить разрешение.

Однако, даже если мы развенчиваем известный миф о мегапикселях, мы обобщаем правду о сенсорах «чем больше, тем лучше» . Конечно, то, что сказано выше, верно, но производительность камеры зависит от многих других факторов. Чтобы проецировать изображение на датчик большего размера, сохраняя короткое расстояние между фронтальной линзой и датчиком (как это должно делать в iPhone), вам нужно больше объективов, и если качество одного из этих объективов неудовлетворительное, все характеристики система будет хуже. Так что «Большие пиксели = лучшее изображение» — это скорее лозунг, чем закон.