Камера в смартфоне с большими пикселями или технология Ultrapixel (ультрапиксель)

В 2013 году был выпущен смартфон HTC One. Кроме прочих достоинств, устройство оснащалось нестандартной камерой, в которой была применена технология, получившая название Ultrapixel. Тайваньский производитель назвал внедрение ультрапикселей прорывом в сфере мобильного фото, поскольку, благодаря этому событию другие производители, наконец, перестанут измерять качество камер в смартфонах при помощи количества мегапикселей.

Светочувствительные элементы в обычных камерах

Для начала пройдем краткое знакомство с принципом расположения светофильтров на матрице по схеме Байера, который используется практически во всех мобильных фотографических модулях. На матрице располагаются элементы, чувствительные к свету. Их называют «сенсели». Эти элементы улавливают свет, преобразовывая его в электрический заряд. Каждый сенсель может воспринимать один цвет — синий, зеленый либо красный.

Схематический массив цветных фильтров Байера

Недостатком байеровского массива цветных фильтров считается появление цветных артефактов и муаров на фото. Чтобы исправить ситуацию, используют специальный сглаживающий фильтр, из-за чего изображения кажутся слегка замыленными (отсюда и название «мыльница»). Это хорошо видно во время изменения масштаба снимков, сделанных на любительские фотоаппараты и мобильные фотомодули.

100% кроп с фотографии (слева мыльница, справа зеркалка)

Фактически, производители большинства смартфонов пытаются поместить на датчик как можно больше пикселей, дабы увеличить исходное разрешение получаемого фото. С ростом количества мегапикселей уменьшается площадь каждого пикселя. Вследствие, они становятся менее восприимчивые к свету, фотографии получаются более темными, на них появляется шум. Чтобы компенсировать недостаток получаемого освещения, шире раскрывают диафрагму, а для борьбы с шумами используют объединение соседних пикселей.

Суть технологии UltraPixel и ее преимущества

HTC подошли к вопросу улучшения камеры с другой стороны: уменьшили разрешение до 4 Мп, а вот пиксели превратили в ультрапиксели, увеличив их размер до 2-х микрометров, против 1.1 микрометров (микронов) в датчиках на 13 Мп.

Сравнение размеров ультрапикселя и пикселя

Технология UltraPixel предусматривает размещение сенселей на фотоматрице в три слоя, каждый из которых отдельно воспринимает красный, синий и зеленый цвета. При этом площадь светочувствительных элементов больше в 3 разы (до 4 µm квадратных) по соотношению к «обычным» сенселям.

Cенсель в разрезе на матрице в три слоя (UltraPixel)

Подобный принцип уже давно используется в матрицах Foveon, с которыми поставляются зеркалки Sigma.

По сути, у такого решения есть сразу несколько преимуществ:

• ультрапиксели воспринимают примерно на 300% больше света, соответственно, можно получить более качественные фото в темное время суток;
• существенное снижение количества шумов при съемке в условиях недостаточной освещенности;
• движущиеся люди и объекты на получаемом фото практически не смазуются;
• благодаря более широкому диапазону HDR темные участки высветляются, а светлые — наоборот, не пересвечиваются;
• нет необходимости в сглаживающем фильтре, который является причиной замыливания в байеровской матрице.

Недостатки технологии UltraPixel

Теоретически, в этой задумке сплошные преимущества. Однако главной ошибкой было решение остановиться на 4-х Мп. Из-за это при съемке отдаленных объектов и пейзажей фотографии страдают низкой детализацией.

Но почему только 4 мегапикселя, разве нельзя больше? Конечно, можно. Однако, стоит учитывать, что ультрапикселям потребуется гораздо больше места, нежели «обычным». Соответственно, физический размер фотоматрицы «вырастет» в размерах, а вместе с ним и сам модуль. Массовый потребитель привык к маленькому, компактному глазку камеры в смартфонах, поэтому резкое изменение его диаметра воспримут далеко не все. Поэтому, в «ЭйчТиСи», внедряя UltraPixel, решили ограничиться меньшим разрешением в угоду дизайну корпуса мобильного устройства.

Возможно, в будущем камерфоны будут оснащаться намного большей матрицей, чем сегодня, где вместо «обычных» пикселей будут использоваться ультрапиксели.

Где еще применяются ультрапиксели

Слово «UltraPixel» придумали маркетологи HTC, впервые опробовав технологию увеличения пикселей на фотоматрице камеры в смартфоне. Идея оказалась перспективной, и позже нашла применение в устройствах Apple (iPad Air 2), а также Google, который совместно с LG и Huawei выпустил Nexus 5X и Nexus 6P. Название UltraPixel так и не прижилось, поэтому не применяется в описаниях характеристик этих устройств.

Позже Samsung показала на выставке новый смартфон — Galaxy S7 edge, с размером матрицы 1/2,5”, и увеличенными пикселями до 1.4 мкм. Для справки: в Galaxy S6 размер 16-мегапиксельной фотоматрицы составляет 1/2.6″, а каждого пикселя — 1.2 мкм.

Если посмотреть на эти примеры фото, сделанные на Note 5 (слева), и Galaxy S7 (справа), кажется, что оба снимка примерно одинакового качества.

Однако, при стопроцентном увеличении отдельных фрагментов сразу видно существенную разницу в детализации.

Кроп справа более детализированный

Увеличенные пиксели применяются в фототехнике профессионального уровня, то есть в зеркалках. Благодаря этому даже самые доступные в цене зеркальные фотоаппараты со стандартным (комплектным) объективом значительно опережают достаточно крутые мыльницы при съемке в условиях недостаточной освещенности. Они улавливают больше света, а на готовых снимках, как правило, меньше шумов. Если бы плотность пикселей в зеркалках была такая же, как в обычных компактных фотокамерах, а также смартфонах, разрешение превышало бы 120 Мп. Тем временем, самые навороченные модели на данный момент могут снимать с разрешением 36, максимум 51,4 Мп.

Разница съемки при плохом освещении камер с большими пикселями и обычными

https://www.youtube.com/watch?v=37ed7BRRm1Y