что такое пиксель в фотоаппарате
Что такое пиксели, разрешение изображения и плотность пикселей
При покупке фотокамеры, вы смотрите на количество мегапикселей? У вас проблемы с обменом фотографиями в Интернете? Ваше фото выглядит некачественно, даже если на экране он выглядит великолепно? Кажется, существует большая путаница между пикселями и байтами (размер изображения и размер файла), качеством и количеством, размером и разрешением.
Итак, давайте рассмотрим некоторые основы, чтобы сделать вашу жизнь проще, а ваш рабочий процесс более эффективным.
Разрешение – это тоже самое что и размер?
Одно из самых больших недопониманий исходит из концепции разрешения. Если это ваш случай, поверьте мне, вы не одиноки.
Так что же такое разрешение? – разрешение, это количество пикселей в изображении. Разрешение иногда определяется шириной и высотой изображения, а также общим количеством пикселей в изображении. Например, изображение шириной 2048 пикселей и высотой 1536 пикселей (2048 x 1536) содержит 3145728 пикселей (или 3,1 мегапикселя).
Окей, но что же тогда пиксель?
Количество этих пикселей и способ их распределения являются двумя факторами, которые необходимо учитывать, чтобы понять разрешение.
Количество пикселей
Первый фактор, влияющие на качество фотографии, это количество пикселей, из которых состоит ваше изображение. Чтобы рассчитать это значение, вы просто используете ту же формулу, что и для площади любого прямоугольника, то есть нужно умножить ширину на высоту.
Например, если у вас есть фотография, которая имеет 4500 пикселей по горизонтали и 3000 по вертикали, это дает в общей сложности 13 500 000. Поскольку использовать это число очень непрактично, вы можете просто разделить его на миллион, чтобы преобразовать в мегапиксели. Таким образом, 13 500 000/1 000000 = 13,5 мегапикселей.
Плотность пикселей
Другой фактор, который влияет на качество фотографии (в контексте разрешения), является плотностью пикселей.
Теперь разрешение измеряется в dpi (или ppi), что является аббревиатурой dots (или pixels) per inch, то есть количество точек (или пикселей) на дюйм. Итак, если вы видите 72 dpi, это означает, что изображение будет иметь 72 пикселя на дюйм; если вы видите 300 точек на дюйм, значит 300 пикселей на дюйм, и так далее.
Окончательный размер вашего изображения зависит от выбранного вами разрешения. Если изображение имеет разрешение 4500 x 3000 пикселей, то при печати размером 15 x 10 дюймов (38х25 сантиметров), оно будет иметь плотность пикселей (ppi) 300 точек на дюйм. А если вы будете печатать на бумаге размером 62,5 x 41,6 (158х106 сантиметров), то плотность будет 72 dpi. Хотя размер вашего отпечатка меняется, вы не изменяете размер фотографии (файл изображения), вы просто реорганизуете существующие пиксели.
Представьте себе резинку, вы можете растянуть или сжать ее, но вы не меняете ее состав, не добавляете и не режете резину.
Итак, количество равно качеству?
Поскольку разрешение в пикселях и плотность пикселях имеют определенную взаимосвязь, то многие люди считают, что чем больше мегапикселей, тем больше качество изображения. И в некотором смысле это происходит потому, что чем больше пикселей вы напечатаете на бумаге, тем выше будет плотность пикселей, а значит, и качество отпечатка.
Тем не менее, в дополнение к количеству вы также должны учитывать глубину пикселей. Это то, что определяет количество тональных значений, которые будет иметь ваше изображение. Другими словами, это количество цветов в пикселе. Например, 2-битная глубина может хранить только черный, белый и два оттенка серого.
Но более распространенное значение глубины цвета – 8 бит. Значения растут в геометрической прогрессии, поэтому, например, с 8-битной фотографией (2 в степени 8 = 256) вы получите 256 тонов зеленого, 256 тонов синего и 256 тонов красного, что означает около 16 миллионов цветов.
Такая глубина, уже больше того, что глаз может различить. А это, в свою очередь означает, что 16-битные или 32-битные будут выглядеть относительно схоже. Конечно, это означает, что ваше фото будет иметь больший размер файла, поскольку в каждом пикселе содержится больше информации. Это одна из причин, почему почему качество и количество не обязательно одинаковы.
Количество пикселей помогает улучшить качество фотографии. Но также важны еще и размер конечного снимка, и глубина цветности. Вот почему вы должны смотреть все характеристики камеры и ее датчика, а не только количество мегапикселей. В конце концов, существует ограничение на размер изображения, которое вы можете распечатать или просмотреть, более того, оно приведет только к увеличению размера файла (мегабайт) и не повлияет на размер изображения (в мегапикселях) или на качество.
Как выбрать и контролировать размер изображения и размер файла?
Прежде всего, вам нужно определится, что вы собираетесь делать со своими фото. Если вы собираетесь разместить свое изображение в Интернете, вы можете сделать это с разрешением всего 72 dpi, но это слишком мало для печати фотографии. Если вы собираетесь распечатать его, вам нужно от 300 до 350 точек на дюйм.
Конечно, мы говорим об обобщениях, потому что каждый монитор и каждый принтер будут иметь немного разные разрешения. Например, если вы хотите напечатать фотографию с разрешением 8 × 10 дюймов, то необходимо, чтобы изображение имело разрешение 300 точек на дюйм, что получится 8х300 = 2400 пикселей и 10х300 = 3000 пикселей (то есть 2400 × 3000 для печати 8 × 10 с разрешением 300 точек на дюйм). Все, что больше, будет занимать только место на вашем жестком диске.
Почему в камерах смартфонов много пикселей: польза или маркетинг
Содержание
Содержание
В век цифровых технологий все компании в мобильной индустрии придерживаются девиза 3 Б «больше, быстрее, безрамочнее». Процессоры становятся более производительными и энергоэффективными, уже выходя за рамки гаджетов. Площадь экрана все увеличивается и увеличивается, покрывая всю лицевую часть и стремится к заветным 100 %, а в случае Xiaomi Mi Mix Alpha выходит за рамки фронтальной части смартфона, переходя на корпус.
Вот и мегапикселей в камерах все больше и больше, как, впрочем, и самих модулей. Есть ли польза от такого количества пикселей или же это всего лишь маркетинг? На данный момент уже есть модули на 48 Мп, 64 Мп, 108 Мп и даже готовится на 150 Мп от Samsung. Но такие значения характерны для бюджетных и среднеценовых смартфонов. В премиальном сегменте больше 48 МП у камер вы не встретите. Исключениями являются Huawei P 40 Pro с 50 МП и Samsung S 20 Ultra с 108 МП, что наводит на мысль: а почему во флагманах нет таких «крутых» фотомодулей?
Общие понятия о характеристиках камер
Разрешение камеры
Разрешение камеры измеряется в пикселях (точках). Чем больше мегапикселей, тем больше деталей будет на фотографии, это хорошо проявляется при увеличении фото — четкость и детализация будут возрастать. При увеличении Мп в сенсоре должна либо возрастать площадь матрицы, либо должно быть сокращения размера пикселя.
Размер объектива
Чем больше размер объектива, тем больше света он может физически пропустить через себя. Не стоит забывать про качество исполнения линз, если их прозрачность далека от идеала и элементы недостаточно подогнаны, хороших фотографий можно не ждать.
Зум — способность фотокамеры увеличивать изображение во время съемки с предварительной фокусировкой. Существует два вида зума: цифровой (софтверный) и оптический.
Стабилизация изображения
Так же как и зум, стабилизация бывает цифровой и оптической. Цифровая стабилизация считается программной, а вот оптическая приводится в действие с помощью маленьких гироскопов, которые физически перемещают объектив камеры во избежание каких-либо движений, это и обеспечивает снимок высокой четкости.
Матрица
Матрица — это ряд светочувствительных фотодиодов с нанесенным на них тончайшим фильтром. Размер матрицы напрямую влияет на количество пропускаемого света, это ведь важно для качества изображения, опять же чем больше света способна пропустить матрица, тем качественней будет конечная фотография.
Диафрагма
Говоря по-простому, диафрагма — это «отверстие в объективе», которое пропускает свет в матрицу. Диафрагма регулирует световой поток, что дает возможность изменять глубину резкости. Чем ниже данный показатель, тем лучше детализация фотографии в темноте и выше скорость съемки.
Иногда производители камер для смартфонов интегрируют переменную диафрагму, например, Samsung S9 и S9+. Это должно было хорошо сказаться на фотографиях, но оказалось — при маленькой матрице переменная диафрагма попросту лишняя и маркетинговая уловка.
Дополнительные модули
Существует несколько видов: широкоформатный (ширик), телеобъектив (телевик), черно-белый, цветной и с эффектом боке.
Программное обеспечение
Софтверная часть занимает львиную долю работы с фото, поскольку уже не единожды смартфоны Google Pixel с одним 12 МП модулем доказали, что качественную картинку можно получить с помощью анализа и подбора оптимальных настроек. Именно ПО позволяет максимально раскрыть потенциал камеры.
Bayer
На сегодняшний день известно несколько основных структурированных технологий размещения светофильтров пикселей в камере: Bayer, Quad Bayer, TetraCell и NanoCell.
NonaCell в камерах от Samsung не путать с Nanocell от LG в телевизорах.
Bayer — это двумерный массив цветофильтров, покрытых фотодиодами матрицы. В классическом фильтре Байера применяются светофильтры трех основных цветов RGB. Как видно на первом рисунке, количество зеленого цвета больше, чем у красного и синего цветов. Также разрабатывались другие светофильтры, но данный фильтр Bayer широко распространен.
Принцип работы светофильтра Bayer
Quad Bayer/Tetracell
Quad Bayer — это структура размещения светофильтров пикселей в модуле камеры и разбивание пикселя на группы по четыре субпикселя. То есть соседние субпиксели в квадрате 2х2 накрываются общим светофильтром RGB, а точнее — GR-GB.
Принцип работы Quad Bayer
Quad Bayer/TetraCell — удешевляет процесс производства модулей камер для смартфонов благодаря «разбивке» пикселей и их группировке под одним большим покрытием, что ведет к увеличению разрешения. Если бы производитель хотел «честные» 48 мегапикселей, то ему бы пришлось утончать тех процесс, а тут всего лишь используется тоже самое покрытие в 12 мегапиксельной версии.
Quad Bayer это термин активно используемый в камерах Sony, TetraCell тоже самое только от Samsung.
Но все таки имеются и плюсы данных технологий:
Это работает только при хорошей оптимизации и, зачастую, во флагманских устройствах.
Nonacell
Отдельного упоминания стоит NonaCell от компании Samsung. Этот тот же Bayer, только с формированием группы субпикселей 3х3. Данная структура будет применяться в 150 МП модулях камер, но пока неизвестно, будут ли улучшения по сравнению с предшественником.
Сравнение Tetracell и Nonacell
На этой картинке виден изначальный размер субпикселя 0,8µm, на Tetracell 2х2-1,6µm и Nonacell 3х3-2,4µm. Так же идет «искусственное» увеличение пикселей, не ведущее к заметному повышению качества изображения.
NonaCell — это усовершенствованная версия Tetracell, формирующая группы 3х3 субпикселя.
Специфика камер со структурой Quad Bayer/Tetracell/Nonacell делает их интересным решением на рынке сенсоров. Как говорилось выше, данные структуры хорошо себя показывают при достаточной освещенности, в темное время суток, также при однокадровом HDR, который позволяет уменьшить время съемки. Но все это работает только при условии качественного ПО, что доказывают 12 МП модули флагманов «яблочка» и «корпорации добра».
Так уж повелось маркетологи приучили нас мерить качество фотографий мегапикселями и это выливается в хорошую картину: 48 МП = 12 МП, 64 МП= 16 МП, 108 = 27 МП, а 150 МП = 16,6 МП.
Что такое пиксельная бинаризация (биннинг) и как она работает
Содержание
Содержание
За последние пару лет камеры смартфонов существенно прибавили в разрешении — появились модули на 48, 64 и даже 108 Мп. Фотографии такого большого разрешения не нужны рядовому пользователю, поэтому по умолчанию телефон сохраняет их в формате 12 или 16 Мп. При этом используется технология биннинга. Давайте разберемся, что это такое.
Влияет ли размер пикселей на качество фотографии?
Для ответа на вопрос «что такое биннинг?» нужно понимать основы фотографии. Пиксель — это физический элемент модуля камеры, который «ловит» свет. Чем больше площадь пикселя, тем больше света он может захватить.
Например, компактная камера и профессиональный зеркальный фотоаппарат могут иметь одинаковое количество пикселей. Но у «зеркалки» размер пикселя будет намного больше.
Благодаря этому, изображение становится более детальным и имеет меньшее количество шумов. Особенно это актуально для ночной и вечерней фотографии. Динамический диапазон также возрастает при увеличении размера пикселя. В отличие от человеческого глаза, камера способна воспринять лишь ограниченный охват по яркости. Иногда в кадре сложно показать одновременно и солнце, и темные детали.
Размер пикселей измеряется в микронах (в 1 миллиметре — 1000 микрон). В основном модуле iPhone 12 Pro Max используются пиксели 1,7 мкм, в то время как у 12 Pro — «обычные» 1,4 мкм. Как это влияет на съемку? Большие пиксели улучшают качество фото при недостаточном освещении, в том числе в помещениях или в сумерках. Например, Pro Max в ночном режиме сокращает время выдержки из-за меньшего количества шумов в кадре. Оно составляет 2 секунды вместо 3 секунд, необходимых для iPhone 12 Pro.
В одинаковых условиях iPhone 12 Pro Max и 12 Pro поставили выдержку 2 и 3 секунды соответственно. Фото: droider.ru
У производителей есть два пути улучшения качества мобильной фотографии. Если дополнительно увеличить размер пикселя, то вырастет и размер самой камеры, что повлияет на габариты и вес смартфона. Мобильные камеры должны оставаться небольшими, чтобы сохранить общепринятую толщину смартфонов: никому не нужен огромный блок, торчащий из корпуса, хотя уже сегодня камеры зачастую слегка выступают за пределы задней панели. С другой стороны, можно уменьшить количество крупных пикселей, но тогда пострадает разрешение фото. Чтобы решить эту дилемму, был придуман компромиссный вариант — пиксельная бинаризация.
Как работает пиксельная бинаризация
Бинаризация или биннинг — это технология объединения соседних пикселей. Четыре небольших субпикселя превращаются в один большой «суперпиксель», а разрешение пропорционально падает в четыре раза.
Например, смартфон OnePlus Nord имеет основную камеру 48 Мп с размером пикселя 0,8 мкм. При съемке в стандартном режиме получится фото с разрешением 12 Мп, качество которого будет аналогично модулю с размером пикселя 1,6 мкм. При этом в приложении камеры также будут доступны «честные» 48 Мп, но снимать детализированные фото можно только при хорошем освещении, поскольку уровень шумов также возрастет.
Объединение пикселей происходит при помощи фильтра Байера. Сотрудник Kodak Брюс Байер запатентовал изобретение еще в 1976 году — это набор цветных фильтров, которым накрывают диоды матрицы. Он состоит на четверть из красных, на четверть из синих и на половину из зеленых элементов. Фильтр имитирует глаз человека, который наиболее восприимчив к желто-зеленому диапазону спектра.
Фильтр Байера группирует эти цвета в кластеры по четыре, а после того, как изображение сделано, используется программная обработка, которая объединяет пиксели, чтобы получить окончательное полноцветное изображение.
Технология совмещения пикселей оказалась успешной с точки зрения маркетинга. Основные производители смартфонов, включая Xiaomi, Huawei, Samsung и Realme, стали комплектовать камерами 48 и 64 Мп даже бюджетные модели.
Во флагманских решениях применяют 108 Мп. Главное отличие в том, что в этом случае объединяют уже не четыре, а девять пикселей в один.
Пиксельная бинаризация по технологии Samsung. Фото: samsung.com
В качестве примера возьмем Samsung Galaxy S20 Ultra. Смартфон получил 108-мегапиксельную камеру. Пиксельная бинаризация с соотношением 9:1, которую использует Samsung, уменьшит изображение до 12 Мп, в результате пиксели станут значительно больше и, следовательно, захватят больше света. По этой причине Galaxy S20 Ultra в режимах Night и Pro снимает с разрешением не 108 Мп, а 12 Мп.
Почему не все производители смартфонов используют биннинг
У пиксельной бинаризации есть свои минусы. Самый большой недостаток — это разрешение. Оно уменьшается в четыре раза, поскольку именно четыре пикселя объединяются, чтобы выступить в качестве одного большого пикселя. Так, снимок, сделанный 48-мегапиксельной камерой, на самом деле будет 12-мегапиксельным, а если снимать 16-мегапиксельной камерой, разрешение снимка и вовсе составит 4 Мп. Следует также отметить, что, если сенсор камеры небольшой или не слишком качественный, пиксельная бинаризация не способна заметно улучшить конечное изображение.
И хотя биннинг обеспечивает два варианта съемки (например, 12 Мп и 108 Мп) для одного и того же сенсора, на 12-мегапиксельном снимке, как и следовало ожидать, окажется меньше деталей по сравнению с фото, снятым на 108 Мп. По этой причине пиксельную бинаризацию не применяют повсеместно. Чаще всего она задействована в определенных режимах съемки.
Как определить, использует ли ваш смартфон биннинг? Если гаджет оснащен камерой от 32 Мп и выше, он почти гарантированно использует пиксельную бинаризацию. Кроме того, некоторые смартфоны, использующие камеры с более низким разрешением, также применяют биннинг. В их числе компания LG, которая использовала технологию для режима Super Bright в 16-мегапиксельных камерах, а также китайский производитель Xiaomi, который применил биннинг в камерах на 16 Мп и 20 Мп. Камеры на 16 Мп с пиксельной бинаризацией использовали в своих моделях Huawei и OnePlus. Тем не менее, это скорее исключение из правил, и камеры с более высоким разрешением лучше подходят для бинаризации. Если вы обладатель iPhone, то можно с уверенностью сказать, что ваш смартфон не использует биннинг. Apple пошла по другому пути: компания решила совершенствовать собственные технологии, чтобы улучшить режим ночной съемки. То же можно сказать и о Google: технологический гигант рассчитывает на собственные алгоритмы для оптимизации изображений и не торопится применять биннинг.
В целом, объединение пикселей — это удачное решение, которое позволяет получить яркие фотографии при слабом освещении, однако конечные изображения будут иметь меньшее разрешение по сравнению с камерой, при помощи которой были сделаны эти фото. Бинаризация остается компромиссом, на который приходится идти, чтобы смартфон показывал себя одинаково хорошо в различных условиях съемки. Однако смартфоны, оснащенные камерами с более низким разрешением, также могут создавать качественные изображения, если используют искусственный интеллект или детально проработанные программные настройки.
Производители работают над тем, чтобы увеличить размеры сенсора камеры и разместить там больше пикселей. Это позволит дополнительно улучшить фотографии посредством пиксельной бинаризации. Помимо этого, компании оптимизируют работу мобильных камер в целом. Так, ночные режимы используют более высокие значения ISO и длинную выдержку. Благодаря этому в будущем объединение пикселей, возможно, не будет использоваться столь широко: его заменят более современные технологии.
Артем Кашканов, 2020
Стоит ли менять старый фотоаппарат на такой же по функциям, но «более мегапиксельный?»
А давайте возьмем калькулятор и посчитаем, какой реальный прирост разрешения фотографии будет при переходе с 12 на 18 мегапикселей. 18-мегапиксельная матрица того же 700D дает изображение шириной 5184 пикселя, в то время как максимальная ширина изображения у 12-мегапиксельного 1100D составляет 4272 пикселя (данные взяты из технических характеристик фотоаппарата). Поделим 5184 на 4272 и получим разницу всего в 21%. То есть, при увеличении разрешения матрицы в 1.5 раза, фотография увеличивается в размерах всего в 1.21 раза. Если изобразить это графически, то получится такое сравнение.
Рост мегапикселей в ряде случаев снижает резкость даже при использовании хорошей оптики!
Я уже рассказывал о такой вещи как дифракция. Не вдаваясь в подробности, напомню, что это свойство волны огибать препятствие, чуть меняя при этом направление. При прохождении пучка света через узкое отверстие, этот пучок имеет свойство как-бы распыляться, подобно спрею (да простят меня физики за такое сравнение 🙂
В нашем случае в качестве отверстия выступает апертура (диафрагменное отверстие). Чем сильнее зажата диафрагма, тем под большим углом «распыляется спрей». В итоге, «идеально четкая» точка после прохождения апертуры превращается в размытое пятнышко. Чем меньше диаметр апертуры, тем сильнее это размытие. А теперь давайте к этой картинке добавим небольшой кусочек матрицы с пикселями и попробуем приблизительно представить, как будет выглядеть эта «идеально четкая» точка на фотографии.
Невысокое разрешение, крупные пиксели  | Высокое разрешение, мелкие пиксели  |
Что из этого получилось? Будем считать, что пиксели имеют квадратную форму.
Диаметр пятна размытия оказался меньше размера пикселя и «идеально четкая» точка получилась размером в 1 пиксель (это идеальный вариант).
Диаметр пятна размытия оказался больше размера пикселя и его края попали на соседние пиксели, в итоге на картинке «идеально четкая» точка оказалась размытым пятнышком.
Чтобы подавить муар, нужно чуть размыть картинку. При этом будет страдать детализация, но муар уменьшится (или исчезнет). Сглаживающий фильтр выполняет именно эту роль. Насколько эффективно он это делает? Давайте попробуем смоделировать работу сглаживающего фильтра и сделать размытие картинки до полного исчезновения муара.
Согласитесь, такое качество никого не устроит. Именно поэтому сглаживающий фильтр не убирает муар полностью, а лишь чуть его ослабляет, но при этом снижает микроконтраст картинки.
Купили современную тушку? Позаботьтесь о хорошей оптике!
Разрешение матриц большинства современных любительских фотоаппаратов со сменной оптикой находится между 20 и 30 мегапикселями. Со временем этот диапазон неизбежно будет смещаться в сторону больших значений. Как правило, при этом совершенствуется и оптика. Современные китовые объективы хоть и существенно прибавили в качестве, но все же являются «компромиссными» вариантами. Прорисовать картинку во всех нюансах для запечатления на 30-мегапиксельной матрице они, чаще всего не способны (либо способны, но в очень узком диапазоне настроек, например, только в диапазоне 28-35 мм при диафрагме 8). Если вы ищете бескомпромиссный вариант, вам потребуется качественная и, соответственно, дорогая оптика. Стоимость объектива, схожего с китовым по функциональности, но имеющего лучшую разрешающую способность, в разы превосходит стоимость китового объектива.
Матрица смартфона по размеру сопоставима с матрицей компактного фотоаппарата (цифромыльницы). До недавнего времени разрешение камер смартфонов не превышало 12, ну максимум 16 мегапикселей. Но в определенный момент появился смартфон с 40+ мегапикселями (Nokia Lumia 1020), а еще спустя какое-то время в рекламе смартфонов из Китая замелькали цифры 48, 64 и даже 108 мегапикселей! Неужели произошла революция в «матрицестроении», причем только в мобильном? И да, и нет.
1. Так выглядит 100% кроп с 12 мегапиксельной фотографии на смартфон
2. Так выглядит 100% кроп с 12-мегапиксельной полнокадровой зеркалки Canon EOS 5D
3. Так выглядит 100% кроп с 48-мегапиксельной фотографии на смартфон.
Так сколько же должно быть мегапикселей в фотоаппарате?
Возвращаемся к основному вопросу, которому посвящена статья. Все зависит от типа фотоаппарата, размера матрицы и возможностей оптики. Лично я считаю, что разумное количество мегапикселей такое:
Поддержать проект
Вероятно, вы обратили внимание, что на сайте почти нет рекламных баннеров. Согласитесь, без них читать статьи гораздо приятнее. Но сайту надо на что-то существовать.