Почему размер сенсора камеры важнее числа мегапикселей

Качество камер в современных смартфонах постоянно растёт. Главный вклад в улучшение фотографий вносит сенсор камеры. Основной тенденцией является увеличение числа мегапикселей. Однако, размер сенсора камеры ещё важнее. Например, Huawei постоянно говорит об увеличении размера сенсора на флагманских аппаратах по сравнению с предшественниками. Производители компонентов вроде Sony и Samsung также говорят о размерах сенсоров своих камер. Почему это так важно для получения качественных фотографий?

Чтобы понять это, нужно вернуться к фундаментальному принципу фотографирования — захвату света. Более крупный сенсор собирает больше света по сравнению с небольшим. Чем больше света, тем лучше фотографии. Конечно, в реальности не всё так просто.

Захват максимально возможного количества света

Размер сенсора определяет, сколько света камера способна получить для создания изображения. Разрешение важно для детализации, а количество света определяет баланс экспозиции, динамический диапазон и даже чёткость. Именно поэтому цифровые зеркальные фотоаппараты с разрешением 16 и 20 Мп по-прежнему лучше, чем камеры смартфонов 108 Мп.

Размер сенсора в большинство смартфонов 1/2,55 дюйма или примерно 1 см. Бывают и более крупные 1/1,7 дюйма и выше. Для сравнения, у цифровых зеркальных фотоаппаратов размер сенсоров больше дюйма. Это превосходит размер сенсоров камер на смартфонах в 4-5 раз. По сравнению с этим сенсоры на смартфонах крошечные. Правда, некоторые производители сокращают отставание от традиционных камер и их сенсоров. Смартфон Huawei P40 предлагает максимальные сенсоры размером 1/1,28 дюйма.

Чем крупнее сенсор, тем больше света он собирает при определённой скорости затвора, ISO и апертуре. Можно компенсировать недостатки маленького сенсора при помощи более длительной выдержки, чтобы собрать больше света, но из-за этого снимки становятся более размытыми из-за тряски рук и движения в кадре. Размытие сокращает чёткость изображения вне зависимости от разрешения сенсора. Объектив с более широкой апертурой приводит к повышению искажения изображения и меняет поле обзора. Более крупные сенсоры лучше подходят для съёмки при слабом освещении по сравнению с небольшими.

Светочувствительные элементы сенсора, которые отвечают за преобразование света в электрические сигналы, должны получать этот свет. Их можно разместить в разном порядке в зависимости от сенсора. Обычно на смартфонах один пиксель на светочувствительный элемент. Чем больше света получают эти элементы, тем лучше динамический диапазон, то есть различие между светом и тенью. Это можно определить как возможность чётко различать, что пиксель более светлый или тёмный по сравнению с соседним. Понять это намного проще, когда камера собирает достаточно света с минимумом шума.

Светочувствительные элементы могут иметь разный размер в зависимости от разрешения камеры и размера сенсора. При одинаковом размере сенсора увеличение разрешения приводит к уменьшению размера светочувствительных элементов. При одинаковом разрешении увеличение размера светочувствительных элементов увеличивает размер сенсора.

Светочувствительные элементы объединены в небольших сенсорах. Их близость друг к другу означает, что иногда свет от одного пикселя попадает на соседний. Это называется шум и иногда отчётливо заметно на фотографиях при слабом освещении и на однотонных изображениях, вроде синего неба. Небольшие сенсоры и элементы увеличивают шум и уменьшают динамический диапазон.

Почему размер сенсора камеры так важен?

Разрешение сенсора становится всё крупнее, более 100 Мп. В результате размер сенсора важен как никогда. Достаточно крупные пиксели нужны для максимального раскрытия потенциала камер с разрешениями 48, 64 и 108 Мп. Хотя пока не было камер смартфонов, которые могли бы получить полный уровень детализации фотоаппаратов с таким разрешением. Несмотря на это, подобные сенсоры при хорошем освещении обеспечивают как никогда высокую детализацию.

Ещё одна современная тенденция мобильных камер заключается в технологии объединения пикселей. Сенсоры с высоким разрешением могут сочетать пиксели для улучшения захвата света. Крупные сенсоры и крупные пиксели значительно улучшают качество съёмки в темноте. В результате становится меньше шума и намного лучше цвета, даже если освещения мало.

Крупные сенсоры влияют на внешний вид и качество снимков даже без учёта разрешения. Высокая скорость затвора и низкие значения ISO обеспечивают чёткость изображения. Для захвата большого количества света не требуется широкая апертура, чтобы не было лишних искажений.

Крупные сенсоры помогают создавать эффект Боке с размытием фона, что раньше могли только настоящие фотоаппараты. Объект на переднем плане кажется изолированным от остального изображения, которое размыто. Крупные сенсоры могут использовать более высокие значения апертуры и широкоугольные линзы, чтобы создать такой же эффект на небольших сенсорах. Или могут применяться такие же апертуры и более узкие объективы для создания более сильного эффекта Боке. Хотя небольшие мобильные сенсоры не могут на равных конкурировать с фотоаппаратами, крупные сенсоры помогают сократить отставание.

Сравнение сенсоров камер смартфонов

Чтобы показать доступные сейчас в смартфонах сенсоры изображений, был создан представленный ниже график.

Пришлось ждать 2020 года, чтобы достаточно большое количество камер смартфонов преодолели размер сенсора 1/1,5 дюйма. Такой размер был ещё у Nokia Lumia 1020 в 2013 году, который оставил большой след в истории мобильной фотографии. В крупных сенсорах нет ничего нового, но теперь производители готовы компенсировать их недостатки.

Можно отметить, что Google Pixel 4 и iPhone 11 по размеру сенсоров среди современных флагманов находятся внизу. Несмотря на это, их камеры считаются одним из лучших. Очевидно, что кроме размера сенсоров есть и другие важные параметры.

Всего лишь один кусок головоломки

Крупные сенсоры изображения являются важной частью мобильной фотографии, но не единственной. Качественные камеры требуют также отличных объективов, мощной обработки изображений и программного обеспечения, которое извлечёт максимум возможностей из аппаратных компонентов. В списке спецификаций нужно смотреть на всё это вместе.

Качество камер смартфонов повышает также вычислительная фотография и машинное обучение. В качестве примера можно привести Google Pixel 4. Умное программное обеспечение для качество фотографий зачастую важнее, чем число мегапикселей. Однако, даже лучшие программы не могут превратить плохие компоненты в хорошие. Лучшие камеры должны обладать серьёзной базой и размер сенсора изображений является важным компонентом в гонке производители смартфонов за звание обладателя лучших камер.