Цифровой предел обзор: — \\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\

Содержание

Камера на 200 мегапикселей от Samsung. Достигнут ли предел?

Оценка этой статьи по мнению читателей:

5

(185)

Поводом для написания этой статьи, помимо, собственно, появления первых 200-Мп мобильных матриц от Samsung, стали многочисленные обсуждения новостей, связанных с этим событием.

Зачастую в комментариях, написанных в саркастическом тоне, можно увидеть одни и те же повторяемые из года в год тезисы, отличающиеся только количеством обсуждаемых мегапикселей:

  • Какие еще 200 мегапикселей?! Профессиональные дорогущие сменные объективы для зеркальных камер не способны разрешить такую матрицу, а мы говорим о каком-то «дверном глазке», сделанном из пластмассы! О какой резкости может вообще идти речь?
  • Пиксели уже стали меньше длины волны света, соответственно, в такие пиксели просто «не влезет» нужный нам цвет!
  • Всё это маркетинговая ерунда, так как «реальных пикселей» здесь не 200 млн, а всего 12! Ведь все пиксели в такой матрице группируются по 16 штук под одним цветным фильтром. Да и сигнал считывается не с каждого пикселя, а только группами!
  • Даже природа ставит крест на подобных матрицах, уничтожая дифракцией саму идею сверхвысокого разрешения!

Что ж, возражения действительно интересные и многие из них вполне разумные. Тем не менее, тема мобильных объективов и мегапикселей окутана огромным количеством мифов и заблуждений.

Поэтому предлагаю детально обсудить вопрос разрешения камер современных смартфонов, пользуясь простым и понятным языком.

Действительно ли вам нужна матрица на 200 Мп для печати на билбордах?

Несмотря на то, что первый 200-Мп сенсор ISOCELL HP1 был представлен еще в сентябре прошлого года, он так и не появился ни в одном смартфоне.

Но Samsung уже показала продолжение линейки своих 200-мегапиксельных сенсоров в рекламе нового ISOCELL HP3. Суть этой рекламы сводится к тому, что снимки с нового мобильного сенсора теперь можно печатать даже на гигантских билбордах!

Вот сам ролик:

Кстати, если вы внимательно смотрели рекламу, то могли заметить, что на 24-й секунде к мобильной матрице ISOCELL HP3 через адаптер подключили огромный объектив от профессиональной камеры.

Этот момент смутил многих зрителей, хотя в действительности итоговый снимок, который был распечатан на билборде и показан в рекламе, компания сделала именно на крохотный мобильный объектив, без использования крупных линз.

Впрочем, это не так важно, и дальше вы поймете, почему.

Так причем здесь мегапиксели и билборд?

Упомянутая реклама явно рассчитана на людей, не имеющих никакого представления о билбордах, четкости изображения и физиологии зрения.

Неосведомленному зрителю может показаться невероятным тот факт, что снимки со смартфона уже можно распечатывать на площади в несколько сотен квадратных метров и всё это будет выглядеть вполне прилично.

На самом же деле, высокое разрешение не имеет никакого отношения к билбордам. И существует большое количество превосходно выглядящих рекламных щитов, снимки для которых сделаны на «старенький» iPhone:

Пример билбордов, снятых на различные модели 12-Мп iPhone

Чтобы лучше понять это, давайте представим фотографию формата А4 (обычный офисный листок бумаги 21×30 см). Это сравнительно большой снимок. Каким же разрешением должна обладать камера, чтобы вы не смогли разглядеть отдельных пикселей на итоговом снимке?

Ответ на этот вопрос зависит от того, с какого расстояния вы будете смотреть на снимок.

Несколько слов о PPI

Все мы понимаем, что чем выше плотность пикселей, то есть, чем больше пикселей (точек, из которых состоит изображение) помещается в один дюйм или миллиметр, тем выше качество. Измеряется этот показатель в ppi (от англ. pixels per inch — пикселей на дюйм).

Если, к примеру, плотность пикселей составляет 300 ppi, то это означает, что в одном дюйме или в 25,4 мм помещается 300 точек изображения. Соответственно, если мы разделим 1 дюйм на значение ppi, то узнаем размер одного пикселя: 25.4 мм / 300 ppi = 0,08 мм или 80 микрометров (мкм).

Теперь возвращаемся к вопросу о снимке формата А4. Какая же плотность пикселей нужна для идеальной детализации? Основываясь на физиологии нашего зрения, я могу предложить очень простую формулу, которая подходит для человека с хорошим зрением:

Плотность пикселей = 10500 / расстояние до изображения в (см)

То есть, нужно просто разделить число 10500 на расстояние в сантиметрах, с которого вы будете смотреть на снимок. Если мы будем всматриваться в листок А4 с расстояния в 30 см, тогда в идеале плотность пикселей должна составлять 350 ppi (10500/30 см).

Конечно, при печати нужно учитывать и детализацию самого принтера, то есть, какое максимальное количество капель он способен нанести на один дюйм бумаги (dpi). Но в рамках нашего разговора это не так важно.

Если для снимка А4, который мы будем рассматривать прямо перед глазами, нужно 350 ppi, тогда разрешение такого снимка в идеале должно составлять 12 Мп. Это число вычисляется очень просто:

  • Размер листа А4 в дюймах: 11.7″ на 8.3″
  • Размер в пикселях: 11.7 * 350 на 8.3 * 350
  • Получаем изображение 4095 на 2905 пикселей
  • Это равно 4095 * 2905 = 11.9 млн пикселей или ~12 Мп

А теперь самое интересное!

Представим, что на этот же снимок мы будем смотреть уже с расстояния в 1 метр. То есть, пусть это будет фотография формата А4, висящая на стене в ста сантиметрах от зрителя.

Какое теперь будет требование к детализации? Считаем: 10500/100 = ~105 ppi! Пересчитываем это на мегапиксели и получаем цифру: 1 Мп (1228 x 871)! Мы увеличили расстояние до снимка всего в ~3.3 раза (было 30 см, стало 100 см), а требование к общему разрешению упало в 12 раз!

Даже если мы заменим А4 на более крупный формат — А1 (60 на 84 см), требование к снимку составит всего 8.5 Мп!

А если мы продолжим делать расчеты, то осознаем одну простую вещь: на большинстве огромных билбордов распечатаны снимки, разрешение которых не превышает 12 Мп! То есть, разрешения камеры того же iPhone вполне достаточно.

Использовать более высокое разрешение нет смысла, так как подобные рекламные щиты рассматриваются с большого расстояния. При таких условиях увидеть разницу между 12 и 120 Мп просто невозможно. Да и сами принтеры печатают на билборды с очень маленьким количеством капель на дюйм (dpi).

Поэтому, конечно же, реклама Samsung выглядит просто несерьезной, как и сама идея использовать смартфон с 200-Мп камерой для подобных задач.

Но мы понимаем, что мегапиксели в теории очень важны. Как минимум, такое высочайшее разрешение позволит нам иметь аналог оптического приближения без потерь качества. То есть, одна камера может сразу выполнять роль как основной, так и 5-кратного телеобъектива.

Более того, мы можем делать кадрирование уже после съемки, обрезая ненужные части кадра без ущерба качеству. Или же можно печатать снимки больших размеров, которые будут рассматриваться с очень близкого расстояния и т.д.

Вопрос лишь в том, способен ли смартфон выдать такое разрешение.

Мобильный объектив, дифракция и нано-пиксели

Сразу же хочу сказать то, что шокирует многих противников мобильной фотографии. Точнее, приведу дословную цитату из документа, подготовленного уважаемой компанией Carl Zeiss1:

Разрешающая способность небольшой мобильной оптики значительно превосходит лучшие 35-мм объективы

Другими словами, мобильный объектив Carl Zeiss, установленный в «древней» Nokia N8 2011 года выпуска, до сих пор превосходит по резкости дорогие профессиональные объективы.

Если вы умеете читать графики частотно-контрастной характеристики (MTF) объективов, то знаете, что тесты современной профессиональной оптики делаются на разрешении до 30 lp/mm (30 пар линий на миллиметр).

То есть, мы проверяем, насколько хорошо объектив способен передать контраст очень тонких линий (30 черных и 30 белых линий, помещающихся в одном миллиметре) или насколько хорошо разделяются эти линии:

Так вот, для мобильного объектива разрешить 30-40 пар линий на миллиметр — это вообще «ни о чем». Такие крохотные объективы превосходно справляются с 80 lp/mm и выше.

Для тех, кто понимает MTF-графики, просто приведу пример теста старенькой (11-летней давности) мобильной линзы от компании Carl Zeiss:

Если же вам этот график ни о чем не говорит, то просто знайте, что популярное мнение касательно превосходства в плане резкости профессиональных объективов — это миф.

Верно обратное — мобильные дешевые объективы дают картину в разы более резкую и детализированную, чем профессиональные объективы больших камер.

Почему так происходит?

Прежде всего, это связано с тем, что объектив находится очень близко к матрице (буквально в 5-7 миллиметрах) и проецирует очень маленькое, но при этом очень детальное изображение.

Чтобы осознать это интуитивно, представьте проектор. Чем сильнее мы отдаляем его от стены, тем крупнее и размытее становится изображение. И наоборот, чем ближе проектор к стене, тем меньше и чётче становится вся картинка. Так и с объективами.

Дифракция света и нано-пиксели

Как вы думаете, существует ли абсолютный предел четкости, за который никогда не выйдет ни один объектив? Да. И называется он дифракционным пределом.

Если вы забыли данный термин, то напомню, что дифракция — это свойство света огибать препятствия на своем пути.

Свет можно представить как жидкость. К примеру, если на пути световой волны будет стоять маленькое препятствие, то волна его просто обойдет. А если волна столкнется со стеной, в которой есть маленькое отверстие, то она пройдет через отверстие и начнет расходиться в стороны:

Когда мы говорим о фотографии и объективах, нас волнует именно второй случай — прохождение света через небольшое отверстие (объектив).

Чем меньше это отверстие, тем сильнее будет выражена дифракция, то есть, тем сильнее свет будет расходиться в стороны и оставлять более размытые пятна на матрице.

Соответственно, у нас не получается сфокусировать очень крохотную точку на мобильном сенсоре, так как свет от точки, пройдя через отверстие камеры, начнет «расплываться» в стороны и вместо этого мы получим размытый след.

Более того, световые волны начнут накладываться друг на друга и мы получим не просто размытую точку на матрице, а так называемый узор Эйри — это яркое большое пятно (диск Эйри) с концентрическими кольцами вокруг:

Узор Эйри (справа)

Какой бы маленькой ни была точка в реальном мире и каким бы качественным/дорогим ни был объектив, существует минимальный размер диска Эйри — минимальный диаметр центрального пятна узора Эйри, меньше которого сфокусировать свет не получится.

Отчего же зависит этот теоретический предел? Исключительно от трех вещей:

  • Длины волны света
  • Размера отверстия в объективе, через который проходит свет
  • Расстояния от объектива до матрицы

Длина волны зависит от цвета (точнее, цвет зависит от длины волны) и может варьироваться примерно от 0.4 до 0.7 мкм. Синий цвет — это короткие волны (до 0.48 мкм), зеленый — это волны до 0.55 мкм, красные цвета самые «длинные» и могут достигать размера 0. 7 мкм.

Чем короче волна, тем меньшее пятно света можно сфокусировать. Соответственно, если мы будем работать только с красным светом, то минимальное пятно (диск Эйри) будет большего размера, чем если бы мы работали с синим цветом.

В этой связи можно вспомнить компакт-диски. Первые CD использовали лазер красного цвета для чтения и записи информации. Поэтому существовал определенный минимальный размер дорожки, которую этот лазер мог выжигать.

Затем производители заменили красный лазер на синий, что позволило значительно сократить диаметр диска Эйри и размер дорожки, тем самым в разы увеличив объем памяти. Ведь дифракция позволяла сфокусировать пятно меньшей площади благодаря свету с более короткой длиной волны. Новую технологию так и назвали Blu-Ray (от англ. синий луч).

Но вернемся к объективам.

Как же нам посчитать минимальный размер пятна, которое конкретный объектив способен сфокусировать на матрице?

Диск Эйри (напомню, это размытое пятно, в которое превращается чёткая точка, когда свет проходит через отверстие объектива) измеряется в угловых размерах.

Почему в угловых? Да потому, что расходящийся в стороны пучок света оставит разные по размеру следы на матрице в зависимости от того, как далеко эта матрица будет находиться от объектива:

Если матрица будет находиться очень близко, свет просто не успеет достаточно «расплыться» в стороны, чтобы оставить широкие пятна. В результате мы будем видеть очень маленькие «пятнышки».

Именно поэтому удобно использовать угловой размер пятна света, который рассчитывается по формуле:

θ = 2.44 * λ / D

Здесь: θ — это угловой размер (в радианах), λ — длина волны, а D — диаметр отверстия объектива.

Но, согласитесь, использовать эту формулу не очень удобно. Многие люди попросту не понимают, что такое угловой размер и как его перевести в привычные нам миллиметры или микрометры. Кроме того, нужно знать диаметр мобильного объектива.

Поэтому на основе простых геометрических соотношений можно изменить эту формулу, сделав её более понятной каждому человеку:

d = 2. 44 * λ * N

Здесь: d — это диаметр пятна света (диска Эйри) в привычных миллиметрах/микрометрах, λ — длина волны (можно брать зеленый цвет как среднее значение — 0.55 микрометров), а N — это относительное отверстие объектива — те самые f/1.8 или f/2.4, которые указаны в характеристиках камеры любого смартфона.

Теперь посчитать нужное нам значение не представляет никакой сложности.

Для примера возьмем объектив Samsung Galaxy S22 Ultra. В технических характеристиках видим относительное отверстие его основной камеры — f/1.8. Подставляем эти значения в формулу:

d = 2.44 * 0.55 * 1.8

Получаем результат 2.4 мкм. Это и будет минимальный диаметр пятна света, которое мобильный объектив способен спроецировать на матрицу Galaxy S22 Ultra.

Но ведь мы знаем, что размер пикселя 108-Мп камеры Galaxy S22 Ultra составляет 0.8 мкм, что в 3 раза меньше! Получается, никакого смысла в таких маленьких пикселях нет? Ведь минимальная деталь на фото (минимальный размер пятна света) будет всегда в 3 раза крупнее пикселя:

На самом деле, всё не так просто и об этом знали еще бароны в 1879 году.

Критерий третьего барона Рэлея

Когда два пятна света начинают сближаться друг с другом, до какого-то момента мы еще можем их различить. И Джон Стретт, более известный по своему титулу (третий барон Рэлей), определил момент, когда сделать это становится почти невозможной задачей.

Согласно так называемому критерию Рэлея две точки еще можно различить, если центры их дисков Эйри (размытых пятен) разделены радиусом диска Эйри. Когда же расстояние между двумя пятнами становится меньше их радиуса, изображение двух точек сливаются в одно пятно:

На этой иллюстрации мы видим, что в первом случае (A) две точки различаются превосходно, так как находятся далеко друг от друга.

Во втором случае (B) расстояние между пятнами равняется их радиусу и это критический момент, когда отдельные пятна еще различимы. Третий вариант (C) — две точки слились в одно пятно, так как расстояние между ними меньше их радиуса.

Из этого мы можем сделать вывод, что минимальный размер объекта, который можно различить на матрице, равен радиусу диска Эйри. То есть, объекты различимы, пока между ними есть расстояние, равное радиусу диска Эйри.

К слову, выше в статье я упоминал о разрешении объективов, измеряемом в парах линий на миллиметр или lp/mm. Так вот, радиус диска Эйри — это и есть та самая одна пара линий (lp).

Теперь нам нужно вместо рассмотренной выше формулы диаметра диска Эйри, использовать радиус, то есть, разделить выражение (2.44 * λ * N) на два, так как радиус — это половина диаметра. Получаем:

r = 1.22 * λ * N

По этой финальной формуле и вычисляется так называемый оптический предел разрешения объектива. Забегая наперед, скажу, что речь идет исключительно об «идеальном объективе», то есть, это теоретический предел, связанный с дифракцией.

Соответственно, в теории объектив Galaxy S22 Ultra способен различить две отдельные точки, если расстояние между ними не будет превышать 1.2 мкм для зеленого цвета с длиной волны 0.55 мкм (r = 1. 22 * 0.55 * 1.8).

Что ж, получается, нет смысла в случае с Galaxy S22 Ultra делать пиксели размером менее 1.2 мкм, ведь это оптический предел разрешения? Не совсем так.

Теория цифровой обработки сигналов

На самом деле есть еще одна очень важная деталь, которую следует знать, прежде, чем говорить о размере пикселя.

Когда мы записываем звук или делаем снимок на смартфон, мы фактически пытаемся записать непрерывный сигнал в виде отдельных и независимых друг от друга (дискретных) значений.

В результате мы сталкиваемся с довольно серьезной проблемой. Ведь мы не можем выделять для одной картинки бесконечное количество информации, чтобы записать положение, условно говоря, каждого атома.

Представьте, что объектив проецирует на матрицу изображение красного сердечка и мы хотим оцифровать его:

Как нам это сделать?

Можно разбить всю матрицу, скажем, на 9 одинаковых клеточек — так называемых «пикселей». Теперь нужно смотреть в центр каждой клетки (показано на рис. черной точкой) и проверять, какой здесь цвет.

Если красный — окрашиваем всю клеточку/пиксель в красный цвет (мы не можем окрасить только часть пикселя — либо всё, либо ничего). Если же цвета нет — оставляем пиксель неокрашенным. В итоге получим такой результат:

Согласитесь, оцифрованный результат имеет мало общего с первоначальным сердечком. Это и понятно, ведь 9 пикселей явно недостаточно для точной передачи изображения. А сколько же пикселей нужно брать?

Другими словами, с каким шагом нужно сканировать изображение, чтобы оцифровывать его? Будем анализировать цвет каждый миллиметр или каждый микрометр? А может лучше вообще взять нанометр?

На самом деле, ответ на этот вопрос уже давно существует и сформулирован он в теореме Котельникова (или Найквиста-Шеннона).

Если говорить об оцифровке изображения, тогда минимальный шаг должен равняться половине размера самой мелкой детали оригинала.

Как мы уже определили, самая мелкая деталь изображения на матрице равняется радиусу диска Эйри. Соответственно, чтобы передать эту деталь без искажения, нужно иметь минимум 2 пикселя на радиус. Но это самый необходимый минимум, а лучше и вовсе иметь 3 пикселя на радиус.

Только в этом случае матрица не станет ограничивающим фактором.

Мы уже посчитали, что в теории из-за дифракции объектив Galaxy S22 Ultra способен сфокусировать диск Эйри с минимальным радиусом в 1.2 мкм. Согласно теореме Котельникова, нам нужно иметь минимум 2 пикселя на этот радиус, а значит, нужны пиксели размером 0.6 мкм!

А если говорить об идеальном варианте, то размер пикселя и вовсе должен составлять 0.4 мкм (3 пикселя на радиус диска Эйри, в нашем случае радиус = 1.22 мкм)!

Но всё это только в теории. То есть, если исключить массу других факторов, то в новом 200-Мп сенсоре ISOCELL HP3 размер пикселя идеален с точки зрения цифровой обработки сигнала. Он составляет всего 0.56 мкм при необходимом минимуме в 0.6 мкм.

А красный свет «влезет» в такой пиксель?

Прежде, чем мы перейдем к печальным выводам, хочу еще буквально два слова сказать о том, сможет ли красный цвет с длиной волны 0. 6 мкм поместиться в пиксель размером 0.4 или 0.1 мкм.

Если мы схематически нарисуем световую волну большой длины и крохотный пиксель, то поставленный выше вопрос должен сразу отпасть:

То есть, мы видим, что по всей ширине волна непрерывна и накрывает пиксели, какими бы маленькими они ни были. Длина волны — это, скорее, частота, с которой отдельные волны «ударяются» в пиксель. Чем длиннее волна, тем больше времени проходит между тем, как очередной «гребень» столкнется с пикселем. Вот и всё!

В конце концов пиксель «ловит» отдельные фотоны света. А у фотона-то и размера как такового нет. Это безмассовая фундаментальная частица, которая точно меньше любого физического объекта во вселенной, чем является кусочек кремния под названием пиксель.

Так что переживать о том, что крупный красный фотон не «влезет» в крохотный пиксель, явно не стоит. Не стоит думать о длине волны света как о размере фотона.

Достигла ли новая 200-Мп матрица Samsung лимита разрешения?

Всё это время мы рассматривали идеальный сценарий, игнорируя массу проблем и особенностей реальных сенсора и объектива.

Размер статьи не позволяет нам глубоко окунуться в эти проблемы, поэтому я постараюсь лишь тезисно их очертить:

Неидеальные линзы. На самом деле диск Эйри не всегда выглядит так красиво, а его диаметр не всегда равняется расчетным значениям. Дело в том, что помимо дифракции все объективы в той или иной степени дают такие искажения, как:

  • Сферические аберрации
  • Хроматические аберрации
  • Кома
  • Астигматизм
  • Кривизна поля изображения
  • Дисторсия

Добавьте к этому проблемы со стабилизацией или автофокусом на микро-уровне, что приводит к размытию изображения в масштабах микрометров.

Всё это может значительно увеличивать минимально различимый объект на матрице, а потому добиваться минимального размера пикселя зачастую бессмысленно. Особенно, когда речь идет о смартфонах, а не медицинских микроскопах.

Особенности современных матриц. Мы говорили о том, что в идеале размер одного пикселя должен составлять половину радиуса диска Эйри.

Но когда мы говорим о той же матрице ISOCELL HP3, то нужно понимать, что здесь пиксели собраны по 16 штук под одним цветным фильтром.

То есть, ширина цветного фильтра составляет 2.24 мкм (4 пикселя * 0.56 мкм). Соответственно, такой цветной пиксель превышает в 2 раза радиус диска Эйри.

Другими словами, даже с учетом 200 мегапикселей, «цветного разрешения» такой матрицы не достаточно для данного объектива. В цвете такая матрица может оцифровать минимальное пятно света радиусом в 5 мкм. А значит, что ни о каких 200-Мп даже речь не идет.

Более того, мы не можем просто сокращать размер пикселя в погоне за разрешением. Ведь с уменьшением пикселя мы уменьшаем динамический диапазон и увеличиваем уровень шума.

Первая проблема решается за счет различных ухищрений, вроде съемки с разной выдержкой каждого пикселя в группе или съемки с несколькими последовательными затворами. А проблему шума частично решают биннингом пикселей. Но при этом значительно падает разрешение.

Более того, сколько бы ни было мегапикселей на матрице, каждый пиксель считывается отдельно. В случае с 200-Мп матрицей ISOCELL HP3 при каждом снимке считываются все 200 млн фотодиодов по отдельности, даже если вы снимаете в режиме биннинга 16-в-1 с разрешением в 12 Мп. Это просто особенности технологии CMOS.

Из-за этого в разы возрастает требования к вычислительной мощности смартфона. Нужно не только считывать несколько сотен миллионов пикселей, но и обрабатывать их.

Кроме того, если снимать в режиме 200-Мп, тогда возрастает и размер одного файла. Он легко может достигать 60 Мб и выше. Соответственно, растет требование к памяти. И ради чего всё это?

Одним словом, бесконечно уменьшать пиксель в погоне за разрешением — довольно глупая затея. Хотя в теории это можно делать вплоть до 0.3 мкм, если работать над уменьшением диска Эйри (например, разработать объектив с f/1.2).

Так почему же производители это делают?

Как минимум на это есть три причины:

  • Экономия. Делать маленькие пиксели очень удобно, если из этих пикселей складывать небольшие по размеру сенсоры. Samsung может опробовать 0.56-мкм пиксели на 200-Мп матрице, а затем выпустить на базе этих же пикселей 48-Мп матрицу крошечного размера. А чем меньше матрица, тем больше их можно нарезать из одной пластины, что значительно сокращает себестоимость сенсора.
  • Удобство для производителей. Производители смартфонов не хотят делать толстые устройства, а именно модуль камеры является одним из самых толстых элементов смартфона. Маленькие пиксели позволяют сократить размер матрицы и, соответственно, фокусное расстояние объектива, чтобы он не выступал за пределы корпуса.
  • Маркетинг. По большому счету, нет никакой разницы, будете ли вы просматривать на маленьком экране смартфона 12-Мп снимок или 200-мегапиксельный. Но для обывателя камера на 200-Мп звучит на порядок внушительней. Покупатели в подавляющем большинстве ничего не понимают в физике камер, они обращают внимание только на цифры.

В общем, если делать выводы из статьи, то я бы сказал следующее. В крохотных 0.56-мкм пикселях теоретически есть смысл. В паре с идеальным объективом f/1.8 они способны значительно увеличить детализацию изображения.

Но практического смысла в этом нет. Даже с учетом вычислительной фотографии.

Было бы куда лучше остановиться на 48 мегапикселях (в отличие от полнокадровых зеркалок для мобильного объектива 12 мегапикселей всё же слишком мало) и доводить их до ума: увеличивать размер и ёмкость (динамический диапазон), повышать «светочувствительность» (квантовую эффективность), экспериментировать с цветными фильтрами и работать над качеством оптики.

Однако в реальности мы будем наблюдать другое — всё более агрессивную обработку нейросетями и дальнейшее уменьшение пикселей. Как минимум, 0.4-мкм — вполне ожидаемый размер в ближайшие год-два.

Эта тема слишком обширна и сложна, чтобы раскрыть её в одной статье, но, надеюсь, после прочтения данного материала вы узнали что-то новое о мегапикселях и объективах.

Алексей, главред Deep-Review

 

P.S. Не забудьте подписаться в Telegram на наш научно-популярный сайт о мобильных технологиях, чтобы не пропустить самое интересное!

Если вам понравилась эта статья, присоединяйтесь к нам на Patreon — там еще интересней!

 

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?

Размер сенсора цифровой камеры: влияние на фотографию

Данная глава посвящена вопросу: как размер сенсора цифровой камеры влияет на различные типы фотографии? Выбор размера сенсора аналогичен выбору между плёночными камерами 35 мм, среднего и большого формата — с некоторыми существенными отличиями, присущими цифровым технологиям. Эта тема порождает множество недоразумений, поскольку размеры сенсоров существенно варьируются, и плюс к тому есть много параметров выбора, включая глубину резкости, визуальный шум, дифракцию, стоимость и размер/вес.

Я написал эту статью после того, как провёл собственное исследование, которое имело целью выяснить, является ли Canon EOS 5D в действительности шагом вверх по сравнению с 20D для моих целей. Основные понятия, обсуждаемые в этой статье, можно найти в главе, посвящённой сенсорам цифровых камер.

Обзор размеров сенсоров

Существует множество сенсоров разного размера, в зависимости от их использования, ценовой категории и требуемой портативности. Относительные размеры для многих из них показаны ниже:

Canon 1Ds/1DsMkII/5D и Kodak DCS 14n являются наиболее распространёнными полнокадровыми сенсорами. Такие камеры Canon, как 300D/350D/10D/20D, все используют кроп-фактор 1.6, тогда как в камерах Nikon, таких как D70(s)/D100 используется кроп-фактор 1.5. В диаграмме отсутствует кроп-фактор 1.3, который используется в серии 1D камер Canon.

Камеры телефонов и другие компактные камеры используют сенсоры в диапазоне от ~1/4″ до 2/3″. Olympus, Fuji и Kodak объединились для создания стандарта 4/3, который имеет кроп-фактор 2 относительно плёнки 35 мм. Существуют сенсоры среднего формата и даже больше, однако они намного менее распространены и в настоящее время невозможно дороги, в связи с чем мы не рассматриваем их здесь, хотя к ним применимы те же принципы.

Кроп-фактор и множитель фокусного расстояния

Кроп-фактором называют отношение диагонали полного кадра (35 мм) к диагонали сенсора. Называют его так, поскольку при использовании 35 мм объектива сенсор по сути обрезает края изображения (в связи со своим уменьшенным размером).

Угол зрения полного кадра 35 мм

На первый взгляд можно предположить, что потеря информации об изображении никогда не будет уместна, но в действительности в ней есть свои преимущества. Практически все объективы наиболее резки в центральной части, и по мере приближения к краю деградация качества нарастает. Это означает, что урезанный сенсор по сути теряет части изображения худшего качества, что может оказаться весьма полезным при использовании объективов низкого качества (поскольку у них граничное качество, как правило, наихудшее).

Полный снимокЦентральный фрагментУгловой фрагмент

С другой стороны это означает, что используется намного больший объектив, чем эт ов действительности необходимо — что становится особенно заметно, если камеру приходится носить долгое время (см. ниже). В идеале следовало бы использовать практически всё изображение, передаваемое объективом, и объектив должен быть при этом достаточно высокого качества, чтобы изменения резкости от центра к краям были пренебрежимо малы.

Вдобавок, оптическое качество широкоугольных объективов редко настолько же велико, как у объективов с большими фокусными расстояниями. Поскольку обрезанный сенсор вынужден использовать более широкоугольные объективы для получения того угла обзора, который возможен для сенсора большего размера, это ухудшает качество. Кроме того, сенсоры меньшего размера больше используют центральное поле зрения объектива, так что пределы его разрешающей способности станут более заметны для объективов худшего качества.

Аналогично, множитель фокусного расстояния относит фокусное расстояние объектива, используемого с сенсором меньшего формата, к фокусному расстоянию объектива с таким же углом зрения на 35 мм, и он равен кроп-фактору. Это означает, что объектив 50 мм, используемый с сенсором, кроп-фактор которого равен 1.6, обеспечит тот же угол зрения,что и объектив 1.6 x 50 = 80 мм для полно кадрового сенсора 35 мм.

Калькулятор фокусного расстояния
Тип сенсора:цифровая зеркальная, кроп-фактор 1.6цифровая компактная, сенсор 1/3″цифровая компактная, сенсор 1/2″цифровая компактная, сенсор 1/1.8″цифровая компактная, сенсор 2/3″цифровая зеркальная, сенсор 4/3″цифровая зеркальная, кроп-фактор 1.5APSцифровая зеркальная, кроп-фактор 1.335 мм6×4.5 см 6×6 см6×7 см5×4 дюйма10×8 дюймов
Фокусное расстояние: мм
Множитель фокусного расстояния
Истинное фокусное расстояние

Учтите, что каждый из этих терминов может несколько дезориентировать. Фокусное расстояние объектива в действительности не меняется при использовании его с сенсором другого размера — изменяется исключительно угол зрения. Объектив 50 мм всегда будет объективом 50 мм, вне зависимости от типа сенсора. В то же время «кроп-фактор» может быть неподходящим термином для описания малых сенсоров, поскольку обрезание изображения далеко не всегда имеет место (если используются объективы, разработанные для данного сенсора).

Размер и вес объектива

Меньшие сенсоры требуют более лёгких объективов (для эквивалентного угла зрения, диапазона зума, качества сборки и диапазона диафрагм). Это отличие может быть критично для съёмок дикой природы, в походах и поездках, поскольку в них зачастую требуется использовать более тяжёлые объективы или носить оборудование длительные периоды времени. Следующий график иллюстрирует этот тренд на примере выбора типичных телеобъективов Canon для съёмок спорта и дикой природы:

Подразумевается, что если требуется достичь на 35 мм камере того же приближения, которое достигается объективом 200 мм f/2. 8 на камере с кроп-фактором 1.5 (то есть, использовать объектив 300 мм f/2.8), придётся носить в 3.5 раза больший вес! Это если не принимать в расчёт разницу в размерах между ними, которая может быть важна, если не хочется привлекать внимание публики. Вдобавок, более тяжёлые объективы обычно значительно дороже стоят.

В зеркальных камерах увеличение размера сенсора означает заодно увеличение размера и прозрачности картинки в видоискателе, что может быть особенно полезно при ручной фокусировке. Однако, такая конструкция также будет тяжелее и стоить больше, поскольку требует большего размера пентапризмы (или пентазеркала), чтобы передать свет от объектива к видоискателю и далее на сетчатку вашего глаза.

Требования к глубине резкости

При увеличении размера сенсора глубина резкости при заданной диафрагме уменьшится (для предмета съёмки тех же размеров и на том же расстоянии). Происходит это потому, что сенсор большего размера для заполнения кадра потребует либо приблизиться к предмету съёмки, либо использовать большее фокусное расстояние. Сокращение дистанции фокусировки означает сокращение глубины резкости, для компенсации которого потребуется увеличить число диафрагмы (закрыть её сильнее). Следующий калькулятор определяет необходимые диафрагму и фокусное расстояние для сохранения глубины резкости (при неизменной перспективе).

Эквиваленты ГРИП
Сенсор №1цифровая зеркальная, кроп-фактор 1.6цифровая компактная, сенсор 1/3″цифровая компактная, сенсор 1/2″цифровая компактная, сенсор 1/1.8″цифровая компактная, сенсор 2/3″цифровая зеркальная, сенсор 4/3″цифровая зеркальная, кроп-фактор 1.5APSцифровая зеркальная, кроп-фактор 1.335 мм6×4.5 см 6×6 см6×7 см5×4 дюйма10×8 дюймов
Выбранная диафрагмаF 1.2F 1.4F 1.8F 2F 2.8F 4F 5.6 F 8F 11F 16F 22F 32F 64
Фокусное расстояние мм
Сенсор №2цифровая зеркальная, кроп-фактор 1. 6цифровая компактная, сенсор 1/3″цифровая компактная, сенсор 1/2″цифровая компактная, сенсор 1/1.8″цифровая компактная, сенсор 2/3″цифровая зеркальная, сенсор 4/3″цифровая зеркальная, кроп-фактор 1.5APSцифровая зеркальная, кроп-фактор 1.335 мм6×4.5 см 6×6 см6×7 см5×4 дюйма10×8 дюймов
Фокусное расстояние (та же перспектива)
Требуемая диафрагма

В качестве примера расчёта, если захотеть воспроизвести ту же перспективу и глубину резкости на полнокадровом сенсоре, которые были получены при помощи объектива 10 мм при диафрагме f/11 на камере с кроп-фактором 1.6, понадобилось бы использовать объектив 16 мм и диафрагму порядка f/18. Иначе, если использовать объектив 50 мм f/1.4 на полнокадровом сенсоре, полученная глубина резкости была бы настолько мала, что на камере с кроп-фактором 1.6 для этого потребовалась бы диафрагма 0.9 — для потребительских объективов недостижимая!

 

Малая глубина резкости может быть желательна для портретов, поскольку она улучшает размытие фона, тогда как большая глубина резкости желательна для пейзажно-ландшафтной съёмки. Вот почему компактные камеры бьются за получение хорошего размытия фона на портретах, тогда как камеры большого формата бьются за требуемую глубину резкости пейзажей.

Примите во внимание, что вышеприведенный калькулятор предполагает, что у вас есть объектив для второго сенсора, который может воспроизвести угол зрения первого. Если вы используете один и тот же объектив, требования по диафрагме сохранятся, но вам потребуется приблизиться к объекту (или отдалиться от него). Однако при этом заодно изменится перспектива.

Влияние дифракции

Сенсоры большего размера могут использовать меньшие диафрагмы, прежде чем кружок рассеивания станет больше, чем кружок нерезкости (определяется печатным размером и критериями резкости). Происходит это в первую очередь потому, что большие сенсоры не требуют настолько большого увеличения зафиксированного ими изображения для получения аналогичного печатного размера. Например, если использовать (теоретически) цифровой сенсор размером 20×25 см, отпечатки размером 8×10 см вообще не потребуют увеличения, тогда как отпечаток с сенсора 35 мм потребовал бы существенного увеличения.

Следующий калькулятор может быть использован для оценки дифракционного предела резкости. Учтите, что его результаты справедливы только для визуального контроля изображения на экране в масштабе 100% — то есть, различимость дифракции в отпечатке будет также зависеть от расстояния просмотра и печатного размера. Для получения расчёта по этим параметрам используйте калькулятор, приведенный в главе о дифракционном пределе в фотографии.

Не забывайте, что усиление влияния дифракции происходит постепенно, так что диафрагмы несколько меньшие или большие полученного значения дифракционного предела не станут внезапно выглядеть лучше или хуже, соответственно. Используя Canon 20D, например, зачастую можно применять f/11 без заметных изменений резкости в фокальной плоскости, но если закрывать диафрагму сильнее, дифракция становится хорошо заметна. Далее, вышеприведенная цифра является всего лишь теоретическим пределом, в действительности значение будет также зависеть от характеристик объектива. Следующая диаграмма показывает размер диска Эйри (теоретического максимума разрешающей способности) для двух диафрагм в матрице, отображающей размер пикселя:

 
Разрешение ограничено плотностью пикселей
(требование малой ГРИП)		Разрешение ограничено диском Эйри
(требование большой ГРИП)

Важным следствием этих явлений является то, что дифракционный предел размера пикселя увеличивается для сенсоров большего размера (если требуемая глубина резкости остаётся неизменной). Именно размер пикселя определяет момент, когда размер кружка рассеивания становится ограничивающим фактором общего разрешения — но не плотность пикселей. Далее, дифракционный предел ГРИП является константой для всех размеров сенсоров. Этот фактор может быть критическим при выборе новой камеры для целевого использования, поскольку большее число пикселей необязательно обеспечит прирост разрешающей способности (для определённых требований к глубине резкости). Фактически, увеличение числа пикселей может даже повредить качеству изображения, повысив шумность и сократив динамический диапазон (в следующем разделе).

Размер пикселя: уровень шума и динамический диапазон

Сенсоры большего размера обычно имеют пиксели большего размера (хотя это не всегда так), что потенциально означает меньший визуальный шум и больший динамический диапазон. Динамический диапазон описывает диапазон оттенков цветности, которые сенсор в состоянии записать, прежде чем пиксель окажется абсолютно белым, но не ниже уровня, при котором текстура становится неотличима от фонового шума (близко к чёрному). Поскольку пиксели большего размера занимают больший объём — и, следовательно, имеют большую фотонную ёмкость — их динамический диапазон тоже как правило больше.

Примечание: ёмкости показаны без цветофильтров

Далее, более крупные пиксели получают больший поток фотонов за время заданной экспозиции (при одинаковой диафрагме), так что их светосигнал намного сильнее. Для аналогичного количества фонового шума достигается более высокое соотношение сигнал-шум — и как следствие, более гладкое фото.

 
Крупные пиксели
(часто больший сенсор)		Мелкие пиксели
(часто меньший сенсор)

Однако это не всегда так, поскольку уровень фонового шума зависит также от технологии производства сенсора и от того, насколько эффективно камера извлекает тональную информацию из каждого пикселя (не внося дополнительный шум). В остальном вышеописанная тенденция верна. Ещё один аспект, который имеет смысл учитывать, состоит в том, что даже если два сенсора имеют одинаковый видимый шум при просмотре в масштабе 100%, сенсор с большим числом пикселей выдаст более чистый финальный отпечаток. Произойдёт это потому, что на сенсоре с большим числом пикселей шум будет меньше увеличен (для заданного печатного размера), следовательно, это будет более высокочастотный шум, с более мелким зерном.

Стоимость производства цифрового сенсора

Стоимость цифрового сенсора драматически повышается по мере увеличения его площади. Это означает, что сенсор удвоенной площади будет стоить гораздо более, чем вдвое дороже, так что вы в действительности платите больше за единицу площади сенсора по мере увеличения его размера.

 
Кремниевый диск
(поделен на маленькие сенсоры)		Кремниевый диск
(поделен на большие сенсоры)

Понять это можно, взглянув на процесс производства цифровых сенсоров. Каждый сенсор вырезается из большого листа кремния, называемого подложкой, который может содержать тысячи индивидуальных чипов. Каждый лист невероятно дорог(тысячи долларов), и как следствие, чем меньше чипов можно получить из листа, тем дороже будет каждый из них. Далее, степень отбраковки (слишком много сгоревших пикселей или что-нибудь ещё) нарастает по мере прироста размера сенсора, то есть процент пригодных к использованию сенсоров (выход с листа) падает. Считая эти факторы (количество чипов с листа и доход) самыми важными, считаем стоимость возрастающей пропорционально квадрату площади сенсора (сенсор двойного размера будет стоить вчетверо дороже). В действительности отношение размера к стоимости имеет более сложную форму, но квадратичный расчёт поможет вам оценить, насколько быстро растёт стоимость.

Это не значит, что сенсоры определённого размера всегда будут невозможно дороги; их стоимость может однажды упасть, но относительная стоимость большого сенсора всегда будет намного больше (за единицу площади) по сравнению с некоторым меньшим размером.

Прочие соображения

Некоторые объективы доступны только для определённых размеров сенсоров (в противном случае могут не работать), что тоже может оказаться соображением, если они нужны для вашего стиля фотографии. Одним из примечательных типов объективов является сдвиго-поворотный (tilt/shift), который можно применять для увеличения (или уменьшения) видимой глубины резкости посредством поворота или управления перспективой с помощью сдвига для снижения (или исключения) завала вертикали, вызванного отклонением камеры от линии горизонта (полезно при съёмке архитектуры).

Итоги: общая детальность изображения и взаимоисключающие факторы

Глубина резкости для сенсоров больших форматов намного меньше, однако они также позволяют закрыть диафрагму намного сильнее, прежде чем дифракционный предел будет достигнут (для выбранного печатного размера и критериев резкости). Так у какого же из вариантов есть потенциал сделать наиболее детальный снимок? Большие сенсоры (и соответствующие большие количества пикселей) без сомнения создают более детальные изображения, если вы можете позволить себе пожертвовать глубиной резкости. С другой стороны, если вы хотите сохранить определённую глубину резкости, большие размеры сенсоров необязательно имеют преимущество в разрешающей способности. Далее, дифракционный предел глубины резкости одинаков для всех размеров сенсоров. Другими словами, если требуется использовать предельно закрытую диафрагму до проявления эффекта дифракции, все размеры сенсоров создадут одинаковую глубину резкости — несмотря на то, что дифракционный предел числа диафрагмы будет различным.

Техническое примечание: подразумевается, что размер пикселя сравним с размером дифракционного кружка рассеивания (диска Эйри) для каждого из сенсоров, и что используются объективы сравнимого качества. Более того, поворотные объективы гораздо больше распространены для камер больших форматов — позволяя изменить угол фокальной плоскости и, как следствие, увеличить видимую глубину резкости.

Ещё одно важное следствие таково: если решающим параметром оказывается глубина резкости, требуемая длительность экспозиции увеличивается вместе с размером сенсора при одинаковой чувствительности ISO. Этот фактор, пожалуй, максимально влияет на макросъёмку и ночную фотографию, поскольку для каждой из них может потребоваться большая глубина резкости и разумная длительность экспозиции. Заметьте, что если снимок может быть сделан с рук на меньшем формате, необязательно то же самое можно снять с рук на большем.

С другой стороны, длительности выдержки необязательно вырастут настолько сильно, как может показаться на первый взгляд, поскольку большие сенсоры обычно меньше шумят (и, соответственно, могут позволить использовать большую чувствительность ISO с сохранением аналогичного уровня визуального шума).

В идеале, уровень визуального шума (на данном печатном размере) обычно падает при увеличении размера сенсора цифровой камеры (вне зависимости от размера пикселя).

Вне зависимости от размера пикселя, большие сенсоры неизбежно имеют большую площадь светосборника. Теоретически сенсор большого размера с маленькими пикселями по-прежнему будет показывать меньше визуального шума (для выбранного печатного размера), чем меньший сенсор с большими пикселями (и значительно меньшим числом пикселей, как следствие), поскольку шум камеры с высокой разрешающей способностью подвергается меньшему увеличению, даже если при просмотре в масштабе 100% на экране компьютера снимок выглядит более зашумленным. Иначе, можно усреднить смежные пиксели сенсора с большим числом пикселей (тем самым уменьшив случайный шум), достигнув при этом разрешения сенсора с меньшим числом пикселей. Именно поэтому изображения, уменьшенные для публикации на сайтах и мелкоразмерных отпечатков, выглядят настолько бесшумно.

Технические примечания: все эти утверждения предполагают, что разница в эффективности микролинз и межпиксельном расстоянии для различных размеров сенсоров несущественна. Если межпиксельное расстояние остаётся неизменным (в силу наличия цепей считывания и прочей схемотехники чипа), более высокая плотность пикселей означает уменьшение площади светосборника, если микролинзы не смогут компенсировать эти потери. Вдобавок, здесь игнорируется влияние структурного и линейчатого шума, который может значительно отличаться между моделями камер и схемотехникой считывания сенсора.

В целом: сенсоры больших размеров обычно предоставляют больше контроля и художественной гибкости, но за счёт увеличения размера и веса объективов, а также общей стоимости. Такая гибкость позволяет использовать меньшую глубину резкости, чем это возможно для меньшего сенсора (если это требуется), и при этом позволяет достичь сравнимой глубины резкости при использовании меньшего отверстия диафрагмы и более высокой чувствительности ISO (или штатива).

Стоит ли? (2022)

Единовременная плата → 95 долларов

Годовая плата → 75 долларов в первый год, 48 долларов после

Ежемесячная плата → 0 долларов в 1 год, 6,25 доллара после

35,99%

, 2022

Первая цифровая карта Плюсы и минусы

Квалифицируется с ограниченной кредитной историей или без нее

Не требует залога

Единовременные сборы

Высокий обычный годовых

Иностранный сбор

Обзор первой цифровой карты

0015

1.0 / 5

Первая цифровая карта Mastercard — это дорогая необеспеченная кредитная карта для людей с ограниченной или плохой кредитной историей. Он взимает «плату за программу» в размере 95 долларов США до открытия счета и имеет ежегодную плату в размере 75 долларов США в первый год. Затем, начиная со второго года, годовая плата снижается до 48 долларов, но к ней присоединяются… показать еще

Просмотр 252 отзывов пользователей

Не можете найти то, что ищете? Задайте свой вопрос о First Digital Mastercard® нашему сообществу. Редакционный и пользовательский контент не предоставляется, не проверяется и не одобряется эмитентом этой карты.

Самый популярный

Как я могу войти в свою учетную запись First Digital Card онлайн?

1

Upvote

Чип Лупо, составитель кредитных карт

@CLoop

Вы можете войти в свою учетную запись First Digital Mastercard®, перейдя на страницу входа на веб-сайте First Digital или в мобильное приложение и введя свое имя пользователя и пароль в соответствующие поля. Затем нажмите «Войти», чтобы получить доступ к своей онлайн-учетной записи.

Как зарегистрироваться для онлайн-доступа к вашей первой учетной записи цифровой карты

  1. Зарегистрируйте свою первую цифровую карту для доступа к учетной записи в Интернете. Нажмите «Новый здесь? Зарегистрируйтесь» и введите свой 16-значный номер счета, последние 4 цифры номера социального страхования, почтовый индекс и адрес электронной почты для подтверждения учетной записи кредитной карты.
  2. Выберите имя пользователя и пароль для первой цифровой карты. Имя пользователя должно содержать от 8 до 50 символов и может содержать буквы, цифры, точки, символы подчеркивания и знак @. Ваш пароль должен содержать от 8 до 17 символов; не иметь пробелов; и иметь по крайней мере 1 строчную букву, прописную букву, цифру и специальный символ.
  3. Войдите в систему, используя свои новые учетные данные First Digital Card. На странице входа на веб-сайте или в мобильном приложении First Digital для iOS и Android заполните поля «Идентификатор пользователя» и «Пароль», используя новые учетные данные, и нажмите «Войти», чтобы получить доступ к своей учетной записи.

После того, как вы зарегистрируетесь и войдете в систему, вы сможете управлять своей учетной записью First Digital Card онлайн. Вы можете оплачивать счета по кредитной карте, просматривать выписки по кредитным картам, отслеживать активность учетной записи и изменять информацию учетной записи, такую ​​как пароли и автоматические платежи.

Если вы забыли данные для входа, нажмите «Забыли пароль» на странице входа в систему First Digital. Затем просто следуйте инструкциям, чтобы сбросить или восстановить имя пользователя или пароль.

Какой кредитный лимит у первой цифровой карты?

Upvotes

Чип Лупо, составитель кредитных карт

@CLoop

Кредитный лимит первой цифровой карты составляет 300 долларов США или более. Каждому, кто получает одобрение на первую цифровую карту, гарантируется кредитный лимит не менее 300 долларов, а особо кредитоспособные заявители могут получить лимиты намного выше этого. Чем выше кредитный рейтинг и доход заявителя, тем…

показать еще

Законна ли первая цифровая карта Mastercard?

9

Upvotes

Чип Лупо, составитель кредитных карт

@CLoop

Да, карта First Digital Mastercard® является законной. Эта карта выпускается Synovus Bank, членом FDIC, аккредитованным Better Business Bureau и имеющим рейтинг «A+» BBB. Первая цифровая карта также ежемесячно предоставляет информацию в основные кредитные бюро.

Вот почему…

показать больше

Посмотреть больше ответов