Dual pixel что это: Технология Dual Pixel: что это и зачем нужно? – Мастерская творчества

Dual pixel что это: Технология Dual Pixel: что это и зачем нужно? – Мастерская творчества

admin 31.12.2017

Содержание

Технология Dual Pixel: что это и зачем нужно?

Мы уже привыкли, что обычные смартфоны способны делать отличные фотографии, которые по качеству не уступают цифровому фотоаппарату.

Что касается топовых смартфонов, то в них используются самые свежие разработки. Уровень снимков, сделанных с их помощью, настолько высок, что не отличим от зеркальных камер. Функционал смартфонов приближается к профессиональным фотоаппаратам.

Среди общих настроек при фотографировании, таких как ISO, выдержка, диафрагма, баланс белого, цветовой баланс, важнейшую роль играет фокусировка на нужном объекте. От правильности ее срабатывания напрямую зависит качество снимка. Именно фокусировка определяет резкость картинки.

Технология Dual Pixel

Что такое Dual Pixel?

Последнее достижение в этой области — Dual Pixel . Это новейшая технология, которая при фотографировании позволяет мгновенно фокусироваться на любом объекте и получить максимально четкое изображение. Чтобы понять, как она работает, рассмотрим основные виды автофокуса.

Автоматическая фокусировка избавляет пользователя от самостоятельного определения глубины резкости снимка. Процессор смартфона получает изображение с матрицы камеры и самостоятельно рассчитывает расстояние между линзами объектива, выделяя главный объект от фона.

Технология Dual Pixel

Пассивный способ автоматической фокусировки. Еще недавно он использовался на бюджетных телефонах и был весьма распространен в силу простого механизма и низкой стоимости. Процессор определял зону фокуса на основе контраста между объектом и фоном. Правда, фокусировка происходила не быстро и зачастую не совсем точно. Если же предмет съемки находился в движении, то вероятность сделать резкий снимок значительно снижалась.

Активный способ автоматической фокусировки более прогрессивный по сравнению с предыдущим. Он может быть реализован при помощи лазерного луча, который измеряет расстояние до предмета съемки, а также при помощи специальных сенсоров (фотодиодов), улавливающих световые потоки от разных точек кадра. Это фазовый вид активного автофокуса.

До недавнего времени он использовался исключительно в зеркальных фотоаппаратах, но корпорация Samsung внедрила его в один из своих флагманов прошлых лет — Galaxy S5.

Как работает технология двойных пикселей?

Технология Dual Pixel является более продвинутой разновидностью фазового способа фокусировки и разница состоит в следующем. Классическая технология подразумевает оснащение фотодиодами от 5 до 10% пикселей матрицы, которые равномерно распределены по ее поверхности.

Технология Dual Pixel обеспечивает сенсорами абсолютно каждый пиксель матрицы, то есть каждый пиксель является одновременно фотодиодом, выполняя двойную функцию. Отсюда и название Dual Pixel, что в буквальном переводе означает «двойной пиксель». Разработчиком Dual Pixel также является компания Samsung, которая использует технологию в последних флагманах, начиная с Galaxy S7.

Dual Pixel

Dual Pixel дает мгновенную и точную автофокусировку (не дольше 0,3 секунды) на любом объекте и отлично работает даже в условиях недостаточного освещения. За счет этой технологии фотография получается не только максимально резкой, но и насыщенно-контрастной. Маркетологи утверждают, что работа Dual Pixel подобна работе человеческого глаза.

Вслед за Samsung технологию Dual Pixel взяли на вооружение и другие производители смартфонов, например, HTC, Honor и Google Pixel.

Смартфон с Dual Pixel

Dual Pixel — отличное дополнение к возможностям камеры. Нужно ли при приобретении смартфона ставить эту технологию в приоритет – каждому решать самостоятельно. Истинные любители фотографии наверняка оценят Dual Pixel по достоинству, но часть пользователей может и не заметить разницы между новой технологией и обычной автофокусировкой.

Смартфон с Dual Pixel Загрузка…

Мастерская творчества

Технология Dual Pixel CMOS AF используется в камерах Canon не первый год. Напомню, что в произведённых по данной технологии сенсорах изображения светочувствительные элементы имеют пару фотодиодов. Первоначально технология была призвана ускорить автофокусировку по матрице, используя фазовый принцип наведения на резкость. Об этом мы ещё поговорим в нашем обзоре.

Однако Canon EOS 5D Mark IV стал первой камерой в мире, которая способна записывать Dual Pixel RAW. В этом сыром формате сохраняется информация от отдельных фотодиодов каждого пикселя. Поэтому в RAW содержится некоторая информация о параллаксе: левый и правый фотодиоды «видят» мир по-разному. Конечно же, подобные файлы «весят» больше обычного — порядка 66 МБ, так как вмещают в себя два изображения. Скорость работы камеры с Dual Pixel RAW снижается.

Поэтому вторым пунктом в меню Canon EOS 5D Mark IV стоит именно включение/выключение этого формата записи. Так какие же преимущества даёт Dual Pixel RAW?


В Dual Pixel RAW записывается информация от левого и правого фотодиода каждого пикселя отдельно

Скажем сразу, что на момент написания обзора работать с Dual Pixel RAW можно было только в оригинальной программе Canon Digital Photo Professional 4. Однако возможности, которые открывают перед фотографом подобные RAW-файлы, как минимум удивляют.

Микрорегулировка изображения

Принцип работы этой функции мы так и не смогли выведать ни у представителей Canon, ни в интернете. То, что происходит в процессе «оптимизации Dual Pixel RAW» (именно так называется соответствующий пункт меню), скорее похоже на маленькое чудо. Уже после съёмки у фотографа появляется возможность подвинуть глубину резкости в кадре вперёд или назад.

Скриншоты в процессе обработки:

Величина коррекции оказывается совсем небольшой. При съёмке со 100-мм объективом с дистанции около метра подвинуть ГРИП удалось лишь на 1,5–2 мм в одну и в другую сторону. Это немного, но такой регулировки может оказаться достаточно для микроподстройки при минимальных промахах в автофокусировке, которые в реальной съёмочной практике не редкость.

Оригиналы кадров:

Для эффективного применения функции «оптимизации Dual Pixel RAW» есть конкретные рекомендации, которые нам удалось запросить в Canon. Вот они:

  • Съёмка должна производиться с фокусным расстоянием не менее 50 мм и диафрагменным числом не более f/5,6.
  • ISO при этом не должно превышать 1600.
  • Полученный эффект может различаться в зависимости от ориентации кадра (горизонтальная/вертикальная). 
  • Для максимальной эффективности необходимо придерживаться следующих параметров («Фокусное расстояние»: «Расстояние до объекта»):

o 50 мм: 1–10 м
o 100 мм: 2–20 м
o 200 мм: 4–40 м

Соблюдая эти правила, можно немного подкорректировать промах в фокусировке, например, при портретной съемке. На кадрах ниже я смог сделать резче ближний глаз модели уже после съемки.


Сдвиг резкости назад


Сдвиг резкости вперед

Сдвиг эффекта боке

Ещё более сюрреалистичной выглядит функция «сдвиг эффекта боке». Двигая ползунок в фоторедакторе, можно сдвигать фон относительно находящегося в фокусе объекта съёмки. Ощущение, что фотоаппарат «заглядывает за угол», за границу кадра. Безусловно, величина коррекции получается не слишком большой, однако она заметна на снимках.

Скриншоты в процессе обработки:

Как применять эту функцию на практике — решать вам. У нас же есть лишь одно предположение. Сдвиг боке может пригодиться, когда при съёмке в кадре случайно оказался мешающий объект, который частично закрыл собой основной объект съёмки. В редакторе можно получить эффект сдвига точки съёмки. Таким образом мешающий объект может быть передвинут.

Оригиналы кадров:

Уменьшение паразитной засветки

После всех чудес, которые мы увидели в первых двух пунктах оптимизации Dual Pixel RAW, уменьшение паразитной засветки выглядит простой и прозаической функцией. Ведь при изменении точки съёмки меняется положение бликов и засветок в кадре. А магическое изменение точки съёмки мы уже видели в предыдущем пункте настройки.


Так выглядит снимок, если включить уменьшение паразитной засветки для всего кадра. Картинки от левых и правых фотодиодов каждого пикселя накладываются друг на друга. CANON EOS 5D MARK IV / (505) УСТАНОВКИ: ISO 160, F2, 1/80 S, 15.0 МБ

Примечательно, что боке при уменьшении паразитной засветки очень сильно меняется: оно становится контрастным, начинает «двоить». Одним словом, выглядит размытие непрезентабельно. Поэтому этот инструмент был дополнен функцией выделения зоны, к которой применяется уменьшение паразитной засветки. Тогда боке на остальной площади кадра остаётся нетронутым. 

Скриншоты в процессе обработки:

Важно отметить, что эффективность инструмента не стоит переоценивать. Сильные пересветы он не убирает. Однако яркость одиночных бликов, а также засветки у ярких объектов можно заметно снизить.

Оригиналы кадров:

Предварительные выводы о Dual Pixel RAW

На данный момент возможность работать с Dual Pixel RAW является скорее технологическим прорывом, нежели широко применимой на практике функцией. В процессе настройки вы можете выбрать лишь одну регулировку из трех. Нельзя одновременно сдвинуть боке и подстроить фокусировку для одного кадра. Сами границы коррекции сравнительно малы. На наш взгляд потенциал есть у микроподстройки фокуса. Эта функция может пригодиться портретным фотографам для идеального попадания в резкость при фокусировке на глазах модели. Также мы обращаем внимание читателей, что Dual Pixel RAW никак не влияет на разрешение снимка. Удвоения разрешения от применения двух раздельных фотодиодов не происходит.

Рассказать друзьям:

Что такое PDAF и Dual Pixel? Или как работает автофокус на смартфонах

Оценка этой статьи по мнению читателей:

В первой части статьи мы подробно рассмотрели базовые понятия о том, что такое матрица, каким образом она формирует изображение. В частности, было рассказано о популярных технологиях Quad Bayer и Tetracell, которые используются на современных смартфонах в матрицах с высоким разрешением (от 48 мегапикселей).

В этой части мы затронем еще несколько интересных технологий, связанных с процессом фокусировки и получения изображения. Понимание этих вещей не только удовлетворит праздное любопытство, но и принесет практический смысл, позволяя вам более осознанно подходить к выбору смартфона с хорошей камерой даже в средне-бюджетном ценовом сегменте.

Перед тем, как приступить к основной теме, хочу предупредить, что многое, о чем будет говорится ниже я привожу лишь в качестве иллюстрации. Принцип работы некоторых систем я буду сильно упрощать, чтобы статья была понятной и доступной широкому кругу читателей.

Как смартфоны научились фокусироваться и делать изображение резким

Вы задумывались над тем, как смартфон понимает, какую часть изображения необходимо сделать резкой и как именно он это делает?

Аналогия с нашими глазами здесь не совсем уместна, так как глаза делают резким то изображение, которое мы хотим разглядеть. В отличие от смартфона мы отлично распознаем то, что видим, фокусируясь на желаемом предмете. А вот для смартфона наша фотография — это бессмысленный набор цветных точек. И камера не понимает, на чём ей следовало фокусироваться, чтобы не испортить очередной кадр.

Конечно, существует такое понятие, как семантическая сегментация. Но несмотря на активное развитие машинного обучения и нейронных сетей, современные смартфоны еще не научились определять предметы на фото так же хорошо, как это делают люди, чтобы использовать для фокусировки искусственный интеллект.

Четкая или размытая фотография?

Для того, чтобы фотография получилась четкой, необходимо соблюсти всего одно условие — лучи света, отраженные от снимаемого объекта, должны пересекаться в точке на матрице.

Чтобы лучше это понять, вспомним, как вообще свет попадает на матрицу и формирует там изображение. Представим, что мы хотим сфотографировать цветок. Внутри камеры смартфона вначале располагается объектив с линзами, а затем матрица:

линза объектива смартфона и цветок

Лучи света, отраженные от каждой точки этого цветка, попадают на матрицу смартфона, проходя через линзы объектива. И когда лучи света проходят через объектив, они преломляются, пересекаясь в одной точке. В этой точке изображение и будет максимально резким и четким.

К примеру, вот как свет, отраженный от красного лепестка, оказался на матрице смартфона:

свет, отраженный от красного лепестка на матрице

Не обращайте внимание на то, что картинка на матрице получилась перевернутой. Ведь текст, который вы сейчас читаете (как и весь окружающий мир), вы точно также видите перевернутыми. Просто мозг скрывает это от вас, «на лету» переворачивая обратно сформированное на сетчатке глаза изображение.

Хрусталики наших глаз напоминают по форме линзу, выпуклую с двух сторон — как та, что используется в объективе камеры смартфона и показана на наших картинках. А когда через такую линзу проходят лучи света, они, как уже было сказано, преломляются под определенными углами, из-за чего изображение получается перевернутым. Эти углы подчиняются определенным правилам (законам физики). Они очень просты для понимания, но в рамках этой статьи мы не будем их рассматривать, чтобы сэкономить время.

Ровно таким же образом на матрице формируются и другие части нашего цветка, например, зеленый стебель:

свет, отраженный от зеленого стебля на матрице

В рассмотренном примере цветок на матрице получился четким, то есть, в фокусе. Но если бы наш цветок находился чуть дальше, лучи проходили бы через линзу немножко под другим углом, соответственно, угол преломления также слегка бы отличался и пересекались бы эти лучи еще до попадания на матрицу. А на матрицу вместо одной точки падало бы множество лучей, накладываясь друг на друга с небольшим смещением, что делало бы общую картинку размытой (не в фокусе):

почему фото со смартфона получается смазанным

В реальной жизни, когда объект отдаляется от нашего глаза, мозг просто слегка изменяет форму хрусталика, растягивая его или, наоборот, сжимая. Из-за этого меняется угол преломления лучей, которые в итоге пересекаются в одной точке прямо на сетчатке. А те объекты, что находятся ближе или дальше, оказываются размытыми, так как лучи света, отраженные от них, пересекаются еще до сетчатки или в условной точке за нею.

Но смартфон не может изменять форму линзы, растягивая ее, как хрусталик, ведь она сделана из стекла. Вместо этого смартфон перемещает линзу внутри объектива вперед или назад таким образом, чтобы лучи снова пересеклись в одной точке — на матрице. Проблема со смартфоном заключается лишь в том, как определить, в какую сторону двигать эти линзы и как понять, что нужный объект уже в фокусе.

Контрастный автофокус (CDAF). Или определяем резкость «на глаз»

Еще недавно смартфоны вообще не умели фокусироваться. К примеру, первые два поколения iPhone не имели системы автофокусировки. Она появилась лишь в 2009 году с выпуском iPhone 3GS.

Сегодня все бюджетные и многие средне-бюджетные смартфоны используют самый старый, простой и надежный метод фокусировки под названием контрастный автофокус.

Суть его работы очень проста. Вы выбираете пальцем на экране смартфона нужную область фокусировки или смартфон самостоятельно выбирает центральную часть кадра, после чего камера пытается сделать так, чтобы объект в этой части кадра был в фокусе.

Но делает он это не так как люди. Мы понимаем, что цветок находится в фокусе, когда отчетливо видим его очертание, смартфон же просто оценивает гистограмму изображения (график распределения яркости). Ведь, как уже было сказано ранее, для смартфона все предметы — это просто пятна различной яркости.

Лучше всего это понять на следующем примере. Ниже вы можете увидеть изображение одного и того же цветка с разной степенью резкости, а под каждым цветком — его гистограмму (график распределения яркости), с которой и работает смартфон:

как работает контрастный автофокус на смартфонах

По горизонтали на маленьких гистограммах представлены уровни яркости изображения — от ее полного отсутствия слева (черный цвет) до самого яркого участка справа (белый цвет). А по вертикали отображается количество пикселей в кадре соответствующей яркости.

А теперь обратите внимание на закономерность — чем более размыта картинка, тем меньше здесь контрастных четких контуров темного цвета. На самом размытом цветке (первый слева) вообще отсутствуют черные/темные цвета, то есть, контуров нет вообще и график очень сильно смещен вправо.

Что же делает смартфон? Он берет небольшой участок изображения (на котором мы хотим сфокусироваться или же центральную часть кадра) и оценивает его гистограмму. Затем смартфон начинает передвигать лизну внутри объектива вперед и анализирует, как меняется распределение яркости. Если контраст падает (то есть, разброс по яркости уменьшается), смартфон начинает передвигать линзу в обратную сторону, пока не найдет самый высокий контраст. А в конце, чтобы наверняка не промахнуться, передвигает линзу еще немножко дальше. Если контраст снова начинает падать — возвращается обратно в ту позицию, где контраст был максимальным.

Что не так с контрастным автофокусом и почему он используется только на дешевых смартфонах?

Я думаю, вы уже догадались по описанию работы контрастного автофокуса, что с ним не так. Смартфон понятия не имеет, четкая ли сейчас картинка и в каком направлении нужно переместить объектив, чтобы еще увеличить резкость.

Для этого он начинает просто передвигать линзу вперед-назад, чтобы оценить, меняется ли контраст сцены. А в это время мы видим на экране «прыгающий» автофокус. То есть, изображение на доли секунды становится то размытым, то снова резким.

Если при съемке фотографий это не является проблемой, то при записи видео контрастный автофокус может хорошенько подпортить результат. Вероятно, вы не раз замечали, как картинка на видео периодически «дергается» и фокус то пропадает на мгновение, то снова появляется. Когда вы снимаете видео на смартфоне с контрастным автофокусом и вся сцена идеально сфокусирована, смартфон все равно будет периодически передвигать линзу, чтобы убедиться, что в данный момент времени картинка максимально резкая. И это будет хорошо заметно на записи.

Другими словами, контрастный автофокус очень плохо справляется с видеозаписью и вам следует об этом помнить, если вы любите снимать видео на смартфоне.

А продолжают его использовать по той причине, что это самый простой и дешевый метод фокусировки, не требующий никакого дополнительного оборудования. Но если вы хотите иметь более быстрый и качественный автофокус, необходимо при выборе смартфона искать в его характеристиках аббревиатуру PDAF.

Что такое PDAF (или фазовый автофокус) на современных смартфонах?

Сам термин PDAF (Phase-Detection Autofocus) переводится с английского, как фазовый автофокус. Впервые этот метод фокусировки появился на зеркальных фотоаппаратах достаточно давно. Но первым в мире смартфоном с PDAF автофокусом, если мне не изменяет память, стал Samsung Galaxy S4, вышедший в 2014 году. Затем последовал iPhone 6 от компании Apple и с тех пор все флагманские смартфоны стали выпускаться с PDAF.

Принцип работы фазового автофокуса выглядит следующим образом. Когда объект находится в фокусе, отраженные от него лучи света будут в равной степени освещать противоположные стороны объектива. Если объект не в фокусе, лучи света по-разному проходят через края линзы.

Другими словами, чтобы сфокусироваться, камера должна получить два изображения одного и того же кусочка кадра — одно изображение с левой половины линзы, а другое — с правой. Если изображения будут немного смещены относительно друг друга, значит, снимаемый объект не в фокусе.

Рассмотрим простой пример:

как работает фазовый автофокус (pdaf)

Здесь мы видим изображение, полученное с одной стороны линзы (A) и с противоположной (B). Если эти сигналы сравнить, то мы увидим небольшое смещение (C). Так как камера хорошо знает свои параметры (размер объектива и линз, фокусное расстояние), ей не составляет труда определить расстояние, на которое нужно переместить линзу, чтобы сигналы с противоположных сторон объектива совпадали.

В этом и заключается главное преимущество фазового автофокуса над контрастным. При фазовом автофокусе камере достаточно одного кадра, чтобы рассчитать, в какую сторону и как далеко нужно переместить линзу. А при контрастном автофокусе, каким бы идеальным он ни был, приходится проверять множество кадров при разных положениях линзы, чтобы поймать самый высокий контраст.

Неужели у смартфона две матрицы!?

Действительно, каким образом смартфон получает две картинки с противоположных сторон линзы? Ведь, когда свет проходит через объектив, он освещает всю матрицу сразу. Все верно, но здесь есть один небольшой трюк.

В типичной матрице с PDAF автофокусом не все пиксели используются для получения картинки. Среди «обычных» пикселей встречаются пиксели PDAF, которые не участвуют в построении изображения, а служат лишь для фокусировки. Чтобы понять, в чем разница между этими пикселями, давайте посмотрим на их схематическое изображение:

нормальный пиксель и PDAF-пиксельОбычный пиксель (слева) и PDAF-пиксель (справа)

Слева изображен обычный пиксель. Здесь мы видим, как лучи света с противоположных сторон объектива (A и B) падают на микролинзу (C), прикрывающую сам фотодиод (E). Затем идет цветной фильтр (D), который пропускает только свет определенного цвета (в данном случае, красного). Если все это кажется вам немного сложным, почитайте первую часть статьи.

Справа изображен PDAF-пиксель, который имеет ряд отличий. Прежде всего, здесь нет цветного фильтра по нескольким причинам. Во-первых, цвет совершенно не играет никакой роли при оценке смещения изображения, а во-вторых, цветной фильтр пропускает только треть света, падающего на микролинзу.

Черная область на картинке справа (D) — это перекрытие половины фотодиода, которое блокирует весь свет, падающий с левой половины линзы объектива. То есть, этот пиксель содержит только те лучи света, что прошли через правую половину объектива. Если мы возьмем еще один PDAF-пиксель и перекроем другую половину его фотодиода, он будет содержать только те лучи, что прошли также через другую половину объектива. Такая пара PDAF-пикселей и содержит информацию с противоположных сторон объектива, которую мы можем теперь сравнивать.

Таких пар PDAF-пикселей на самом деле достаточно много «разбросано» по всей матрице — десятки тысяч. И каждый из них не содержит никакой информации о фотографии. Если ничего не предпринимать, на любом снимке со смартфона при детальном рассмотрении можно было бы отыскать десятки тысяч маленьких черных точек.

Но, к счастью, вы их не найдете. Смартфон прекрасно «знает» позицию каждого PDAF-пикселя и после съемки «зарисовывает» черные точки, примерно подбирая нужный цвет. Если на готовой фотографии PDAF-пиксель окружают зеленые точки, смартфон предполагает, что и на месте PDAF-пикселя должна была быть зеленая точка.

Что такое Dual Pixel от компании Samsung?

Это маленькая революция в области фокусировки камер. Правда, придуманная не компанией Samsung и не для смартфонов.

Впервые автофокус Dual Pixel был представлен компанией Canon в 2013 году с анонсом зеркальной камеры Canon EOS 70D. А спустя 3 года ту же технологию компания Samsung принесла в мир мобильных камер. Первым в мире смартфоном с Dual Pixel PDAF стал Samsung Galaxy S7.

Что интересно, на iPhone этой технологии до сих пор нет. Там используется гибридный автофокус — вначале смартфон примерно «прицеливается» с помощью PDAF, а затем доводит резкость контрастным автофокусом. Дело в том, что точность PDAF-автофокуса при столь редком «вкраплении» PDAF-пикселей ниже точности контрастного автофокуса, хотя он и быстрее. Поэтому, PDAF используется на iPhone лишь для того, чтобы понять, в какую сторону двигать линзы, чтобы фокус не прыгал туда-сюда, как на дешевых бюджетных камерах.

Такой же принцип используется и на других средне-бюджетных аппаратах с PDAF, но без Dual Pixel.

Каждый пиксель — это и PDAF, и обычный пиксель одновременно!

При использовании технологии Dual Pixel, каждый пиксель на матрице (или 80-90% всех пикселей) используется для работы фазового автофокуса. Но в таком случае, кто же тогда будет делать снимок, если все пиксели используются для фокусировки?

Давайте схематически изобразим Dual Pixel и все вопросы сами отпадут:

dual pixel от samsung

Здесь мы видим те же лучи света с противоположных сторон объектива (A и B), микролинзу (C) и цветной фильтр (D). Однако дальше картина немного отличается. Вместо одного фотодиода, собирающего весь свет, размещаются 2 отдельных фотодиода (E и F). А микролинза спроектирована так, чтобы на каждый отдельный фотодиод конкретного пикселя попадала только часть лучей с одной из сторон объектива.

Таким образом, каждый пиксель содержит информацию о фазе световых лучей. Здесь больше нет никаких перекрытий фотодиодов, блокирующих 50% всего света. Для фокусировки камера использует информацию с каждого фотодиода по отдельности (левая и правая стороны объектива), а во время съемки, сигналы с двух фотодиодов объединяются в один.

Камера не теряет информацию, так как здесь нет отдельных PDAF-пикселей, не захватывающих изображение. Также областью фокусировки является вся матрица, а не 5% ее пикселей.

В реальности, на матрице Samsung Galaxy S10 или Note10 с разрешением 12 мегапикселей используется 24 миллиона фотодиодов. Но работают они по отдельности только при фокусировке, а во время съемки сигнал обрабатывается совместно, да и линз с цветными фильтрами на такой матрице 12 миллионов.

Получается, на 108-Мп матрице в реальности используется 216 мегапикселей?

Нет. Размер одного пикселя на любой современной матрице с высоким разрешением (48/64/108 Мп) составляет рекордные 0.8 мкм. Если предположить, что каждый пиксель содержит еще по 2 отдельных фотодиода, мы получим размер каждого из них по 0.4 мкм. Но до этого технологии еще не дошли.

Чтобы ответить на этот вопрос, предлагаю взглянуть на реальную фотографию небольшого участка матрицы от Sony под микроскопом:

pdaf пиксели на матрице SonyМатрица Sony

То, что вы видите — это реальные микролинзы, прикрывающие пиксели. Под ними расположены цветные фильтры и фотодиоды. Обратите внимание на крупный пузырек в центре кадра. Это микролинза PDAF-пикселя, скрывающая под собою два фотодиода.

Если мы посмотрим под микроскопом на матрицу Samsung, то увидим немножко другую картину:

pdaf пиксели на матрице SamsungМатрица Samsung, вид сверху

Здесь уже показан вид сверху. Но мы не видим никаких больших пузырьков, как у Sony, а вместо этого в центре находятся половинки пикселей. Это и есть «классические» PDAF-пиксели, у которых просто одна половина перекрыта, чтобы на них попадали только те лучи света, что прошли через одну половину объектива.

И пусть вас не смущает то, что на этой матрице идут подряд 4 пикселя, у которых перекрыта правая половина. Все дело в том, что перед вам — Tetracell матрица, у которой 4 пикселя объединяются в один. Соответственно, и PDAF-пиксели размещаются по такому же принципу. Подробно о Tetracell-матрицах было рассказано в первой части статьи.

Вместо заключения…

Надеюсь, эта часть не была слишком перегруженной и дала базовое понимание того, как устроен автофокус на современных смартфонах.

Dual Pixel — это логическое продолжение и развитие технологии PDAF-автофокуса. Если выбирать между смартфоном с PDAF и Dual Pixel, предпочтение следует однозначно отдавать Dual Pixel. К слову, такие матрицы используются далеко не только на флагманах от Samsung. Вы можете встретить технологию Dual Pixel на таких аппаратах, как:

  • Asus ROG Phone
  • Google Pixel 3a
  • Google Pixel 3
  • Google Pixel 2
  • HTC Exodus 1
  • HTC U12+
  • LG V50
  • LG G8 ThinQ
  • Meizu 16X
  • Motorola Moto Z3 Play
  • Motorola Moto G6 Plus
  • Nokia 8.1 aka Nokia X7
  • Sony Xperia 1
  • Vivo V15
  • Xiaomi Mi 8 Pro
  • и многих других

Фото на обложке (c) Thor Alvis, все иллюстрации в статье принадлежат Deep-Review.

 

P.S. Мы открыли Telegram-канал! Подписывайтесь, чтобы не пропустить самое интересное!

 

Понравилась статья? Поделитесь с другими:

Как бы вы оценили эту статью?

Нажмите на звездочку для оценки

Оценить!

Внизу страницы есть комментарии…

Напишите свое мнение там, чтобы его увидели все читатели!

Если Вы хотите только поставить оценку, укажите, что именно не так?

Отправить

Большое спасибо за отзыв!

от контрастного до Dual Pixel / М.Видео-Эльдорадо corporate blog / Habr

Привет, Гиктаймс! При съемке на смартфон (да и не только) очень важно, чтобы фотографии получались четкими и ясными. Для этого объект снимка должен быть в фокусе до того, как вы нажмете на кнопку «Сделать фото». В последнее время многие производители смартфонов работают над улучшением технологий автоматической фокусировки, и сегодня мы рассмотрим плюсы и минусы каждой, и чем они отличаются. Как обычно все подробности под катом.


При выборе камерофона многие уделяют внимание количеству мегапикселей — мол, у кого их больше, тот и круче. Однако зачастую важнее и полезнее взглянуть на другие факторы, которые оказывают не менее серьезное влияние на качество фотографий. Среди них — тип автофокуса камеры смартфона. В эту область сейчас активно погрузились Apple, Samsung, LG и другие производители, причем многим действительно удалось значительно продвинуться вперед.

Что такое автофокус, и почему он нам нужен?


При помощи системы автоматической фокусировки камеры объектив настраивается таким образом, чтобы сфокусироваться непосредственно на объекте, обеспечивая тем самым разницу между четким снимком и упущенной возможностью.

Упрощенно принцип работы камеры состоит в том, что лучи света отражаются от фотографируемых объектов и затем попадают на сенсор, который преобразовывает поток фотонов в поток электронов. После этого ток преобразовывается в набор битов, данные обрабатываются и записываются в память камеры. Особой популярностью у производителей смартфонов сейчас пользуются CMOS-сенсоры, которые преобразуют заряд в напряжение прямо в пикселе, обеспечивая впоследствии прямой доступ к содержимому произвольного пикселя.

В теории все работает так: линзы фокусируют свет на сенсоре, сенсор затем создает цифровую фотографию.

В реальности же все происходит не так просто. Угол входящих лучшей света зависит от дистанции, на которой находится фотографируемый объект. На диаграмме ниже продемонстрированы линзы, фокусирующие лучи света на голубом объекте: зеленый и красный объект оказываются не в фокусе и будут размыты на финальном снимке. Если мы хотим сфокусироваться на зеленом или красном объекте, необходимо изменить дистанцию между линзами и сенсором.

На заре камерофоностроения большинство устройств имели фиксированный фокус. В современных же смартфонах предусмотрена возможность регулировать расстояние между линзами и сенсором. Поэтому вы получаете качественные детализированные снимки. Сейчас для реализации автофокуса в смартфонах в основном используют три метода: контрастный, фазовый и лазерный.

Контрастный автофокус


Контрастный автофокус относится к пассивному виду автофокуса. До сих пор это решение применяется в большинстве смартфонов — во многом потому, что является одним из самых простых. При помощи сенсора происходит замер количества света на объекте, после этого он же перемещает линзу в зависимости от контраста. Если контраст максимальный, то и объект съемки находится в фокусе.
Вообще, контрастный автофокус вполне неплохо справляется со своей задачей и имеет большой жирный плюс — он довольно прост и не требует какого-то сложного «железа» для своей работы.

Но есть у него и несколько недостатков. В частности, контрастный автофокус работает медленнее остальных — обычно ему требуется около секунды, чтобы сфокусироваться на объекте. За это время вы можете перехотеть делать снимок, или момент будет упущен, если хотели заснять, к примеру, быстро движущийся объект. Это происходит из-за того, что львиную долю времени занимает процесс «сдвиг точки фокусировки/линз объектива — оценка контрастности — сдвиг — оценка контрастности». Кроме того, у контрастного автофокуса отсутствует возможность следящей фокусировки, да и в условиях плохого освещения он вряд ли вас впечатлит. Поэтому данный тип автофокуса на сегодняшний день используется преимущественно в бюджетных смартфонах, таких как Lenovo A536, ASUS Zenfone Go и других.

Фазовый автофокус: быстрая и продвинутая альтернатива


Одним из первопроходцев здесь была компания Samsung, которая позаимствовала технологию у цифровых зеркальных фотокамер и оснастила фазовым автофокусом свой смартфон Galaxy S5. Суть в том, в данном случае применяются специальные датчики — они ловят проходящий световой поток от разных точек изображения, используя линзы и зеркала. Внутри датчика происходит деление света на две части, каждая из которых попадает на сверхчувствительный сенсор. Расстояние между потоками света измеряется датчиком, после чего он сам определяет, насколько нужно сдвинуть линзу для точной фокусировки. Так, например, Samsung Galaxy S5 требуется всего 0,3 секунды, чтобы сфокусироваться на объекте.

Визуально принцип работы фазового автофокуса представлен ниже.


Первое и главное преимущество фазового автофокуса — он намного быстрее контрастного, это просто must have для съемки движущихся объектов. Кроме того, камера может оценивать движение объекта при помощи датчиков, отсюда получаем возможность следящего автофокуса.

Но есть и минусы. Фазовый автофокус, как и контрастный, также не очень хорошо справляется со своими задачами в условиях недостаточного освещения. Также для него необходимо более мощное «железо», поэтому он, как правило, доступен в смартфонах сегмента high-end. Среди них Huawei Honor 7, Sony Xperia M5 и Samsung Galaxy Note 5, которые, кстати, можно найти в М.Видео.

Одни производители пошли дальше и решили использовать в смартфонах лазерный автофокус (об этом чуть позже), другие же активно занялись совершенствованием технологии фазового автофокуса. Так, например, Apple в своем iPhone 6s и iPhone 6s Plus использует так называемые «фокусные пиксели» — суть в том, что технология использует часть пикселей в качестве фазового сенсора, и съемка на смартфоны от Apple получается действительно быстрой. По сути это тот же самый фазовый автофокус, здесь уже надо отдать должное маркетологам.

А вот технология Dual Pixel, которую компания Samsung применяет в своих смартфонах Galaxy S7 и Galaxy S7 Edge, действительно отличается от фазовой фокусировки в камерах других смартфонов. Она хоть и является разновидностью фазового автофокуса, но все же имеет некоторые отличия и тонкости. В смартфонах фазовый автофокус несколько ограничен — чтобы присвоить каждому пикселю фокусный сенсор, нужно сильно его уменьшить, отсюда получим шумы и нечеткость фотографий. Обычно датчиками оснащают около 10 % светочувствительных точек, некоторые производители, впрочем, не выходят и за 5 %.

В Dual Pixel же каждый пиксель оснащен отдельным датчиком из-за увеличения размеров пикселей. Процессор обрабатывает показания каждого пикселя, но делает это настолько быстро, что автофокусировка все равно занимает десятые доли секунды. В Samsung говорят, что технология Dual Pixel подобна фокусировке при помощи человеческого глаза, но это опять же маркетинговый ход.

Тем не менее надо признать инновационность данного подхода к фазовому автофокусу в современных смартфонах. Сейчас это настоящий эксклюзив для Galaxy S7 и Galaxy S7 Edge.

Лазерный автофокус: самый активный


Как и фазовый, лазерный автофокус относится к активному типу автофокуса. Этим направлением долгое время занималась компания LG, которая сперва реализовала лазерный автофокус в своем смартфоне G3. В основе работы технологии лежит принцип лазерного дальномера: лазерный излучатель освещает объект, а сенсор замеряет расстояние до него и время поступления отраженного лазерного луча.

Одно из главных преимуществ данного автофокуса — время. Как говорят в LG, весь процесс автофокусировки при помощи лазера занимает 0,276 секунды. Значительно быстрее контрастного автофокуса и немного пошустрее, чем фазовый.

Очевидный плюс лазерного автофокуса — он невероятно быстрый и хорошо отрабатывает в условиях недостаточного освещения. Но работает он только на определенной дистанции — самый лучший эффект достигается, если расстояние от смартфона до объекта составляет менее 0,6 метра. А после пяти метров — привет, контрастный автофокус.

Лазерным автофокусом оснащены преимущественно смартфоны LG — к примеру, LG G4. Но есть и исключения: тот же One Plus 2 или Asus Zenfone 2 Laser. Впрочем, у последнего все ясно из названия, да и цена привлекательная для такого набора возможностей.

Двойная камера: смело, но не всем понятно


В какой-то момент производители поняли, что надо бы сделать что-нибудь диковинное, за пределами фазового или лазерного автофокуса. Так на свет появились двойные камеры: для получения четких снимков используется не один, а сразу два объектива. В то время, как одна камера с фиксированным фокусом получает снимок удаленных предметов, другая фокусируется на объектах, которые расположены рядом.

Важное преимущество двойной камеры — возможность быстро сделать снимок, а фокус сделать потом, прямо как в камере Lytro. Но если говорить о более аккуратном фокусе, здесь двойная камера явно проигрывает фазовому фокусу.


Пока что не очень много смартфонов на рынке доступны с двойной камерой — это устройства от HTC (например, One M9+), Honor 6 Plus и другие. Ходят слухи, что и Apple в своем новом iPhone решится на использование двойной камеры.

Технология инфракрасного автофокуса, которую компания Lenovo показала на MWC в прошлом году, работает по сути как лазерный автофокус, но по скорости он примерно в два раза быстрее контрастного. Протестировать её можно на примере Lenovo Vibe Shot.

Что же выбрать?


Поскольку смартфон каждый выбирает под свои нужды, сложно посоветовать что-то такое, что подойдет сразу всем. Кто-то в восторге от настраиваемого после съемки автофокуса у Huawei, другие считают оптимальным Dual Pixel. Если брать в целом, на данный момент фазовый автофокус является верным решением для большинства флагманов, и производители нам с вами постоянно это доказывают.

Dual Pixel — наведение на резкость за доли секунды

В чём преимущества технологии Dual Pixel, всё чаще внедряемой в камеры смартфонов?

Производители компактных устройств всеми силами стараются добиться улучшения качества снимков без увеличения размеров модуля камеры. Для этого вовсю внедряются необычные технологии, которыми раньше не могли похвастать даже зеркальные фотоаппараты. В частности, всё чаще можно встретить в описании смартфона упоминание о Dual Pixel. Что же это за технология?

Суть работы

Обычно в цифровых фотокамерах используется фазовый автофокус, состоящий из так называемых фотодиодов. Беда в том, что эти датчики раньше нельзя было разместить на всей поверхности матрицы. Обычно фотодиодами покрыты около 10% поверхности сенсора, из-за чего камера не может автоматически сфокусироваться на объекте, расположенном где-нибудь в углу.

Технология Dual Pixel заключается в том, что фотодиодом обладает абсолютно каждый пиксель матрицы. Создание такого сенсора становится более дорогим, но зато отныне камера получает возможность сфокусироваться на любом объекте, даже на разместившемся на краю кадра.

Основное преимущество Dual Pixel

На самом деле технологию внедрили не только ради того, чтобы камера идеально «понимала» расположение объекта съемки. Многие пользователи знакомы с тем, как долго некоторые фотоаппараты и смартфоны справляются с автофокусировкой. Это происходит именно из-за того, что фазовому AF приходится работать с недостаточным количеством материала. Системе сложно понять, стал ли объект съемки резким. Если же в работе находится камера Dual Pixel, то она справляется со своей задачей практически мгновенно.

Ускорение автофокусировки особенно заметно при видеосъемке. Фокус от одного объекта к другому может переходить практически мгновенно. Но ещё важнее то, что человек или автомобиль будет уверенно держаться в зоне резкости даже в случае перемещения по кадру. Что касается фотографирования, то этот процесс теперь занимает меньше времени. Также лучшая автофокусировка уменьшает количество смазанных снимков.

Почему появления технологии пришлось ждать так долго?

Производство матрицы для камеры или любого другого портативного устройства имеет ряд технологических сложностей. В частности, современные смартфоны имеют минимальную толщину, из-за чего встраиваемый в них сенсор должен быть маленьким. Но фотоэлементы нельзя уменьшать до бесконечности, иначе матрица перестанет нормально улавливать свет. Если бы каждый пиксель придумали снабжать фотодиодом лет восемь назад, то ничего хорошего из этого не вышло бы. Дело в том, что пиксели на тех матрицах были очень крохотными, а в данном случае их бы пришлось уменьшить ещё сильнее.

К счастью, технологии постепенно совершенствуются. Сейчас смартфоны снабжаются объективом с достаточно широко раскрывающейся диафрагмой, что увеличивает приток света к сенсору. А ещё производителям стали доступны более крупные матрицы. При сохранении прежнего разрешения вполне можно снабдить каждый пиксель фотодиодом. Именно поэтому в последнее время производители смартфонов перестали повышать разрешение камеры — вместо этого была сделана ставка на новую технологию, значительно ускоряющую работу системы автофокусировки.

В каких камерах присутствует технология Dual Pixel?

Многие компании до сих пор используют обычный модуль камеры. И это при том, что впервые технология Dual Pixel стала применяться ещё несколько лет назад. Сначала нововведением оснащались сенсоры для зеркальных и системных фотоаппаратов. Позже эту технологию позаимствовали и создатели смартфонов. В частности, упоминание о Dual Pixel легко можно встретить в описании топовых аппаратов от Samsung. Например, данная технология внедрена в Samsung S8. А вот в недорогих устройствах используется рядовая матрица, без такого полезного улучшения.

Ставку на новую технологию пока делает только южнокорейский гигант. Такая конструкция матрицы запатентована, поэтому у других компаний есть лишь один выход — заказывать модули камеры у Samsung. Пока на это решились только создатели Google Pixel 2. Впрочем, в будущем всё может измениться, так как собственный аналог Dual Pixel разрабатывает компания Sony. Напомним, сейчас это один из самых крупных производителей мобильных модулей камеры.

Стоит ли ради Dual Pixel покупать новый смартфон?

Однозначно нет! Выбирать аппарат с поддержкой новой технологии стоит в том случае, если требуется получение и остальных функций флагмана. Также покупать подобный девайс стоит только если у вас есть достаточная сумма. Не нужно залезать ради какого-нибудь Samsung Galaxy S8 или Google Pixel 2 в кредит.

Пользователь обязательно почувствует поддержку камерой технологии Dual Pixel. Однако это не значит, что съемка станет приносить большее удовольствие. Просто данный процесс будет занимать меньше времени. Что касается качества фотографий, то на этот параметр вышеупомянутая технология влияет лишь косвенно.

Dual Pixel в Samsung S7, или все о технологии автофокуса

Одним их настоящих нововведений в новых флагманах Samsung Galaxy S7 стала камера, которая подверглась существенным доработкам. Разрешение ее матрицы уменьшилось с 16 до 12 МП, зато диаметр пикселя вырос до 1,44 мкм, а светосила увеличилась до f/1,7. Но главным прорывом стало внедрение системы автофокуса Dual Pixel, ранее доступной только в профессиональных «зеркалках». По заявлениям производителей, инновация позволяет камере S7 фокусироваться на объектах в кадре значительно быстрее, и более качественно обнаруживать их контуры.

Dual Pixel в камере смартфона, или все о технологии автофокуса в Samsung S7

Чем особенна система Dual Pixel, действительно ли она является революционной, или же это – всего лишь очередной маркетинговый ход, поможет разобраться этот короткий материал.

Немного теории

В цифровых камерах (как выполненных в виде самостоятельного устройства, так и встраиваемых в электронику) получили распространение два вида автофокуса: пассивный и активный.

Первый пасивный вид автофокуса функционирует по принципу анализа контраста картинки, попадающей на матрицу. При фокусе на указанную точку процессор устройства обрабатывает оптические данные с этого участка, подбирая оптимальный контраст. Такой автофокус используется в большинстве мобильных камер, а также бюджетных мыльницах. Недостатками системы являются медлительность, не всегда корректное срабатывание, неспособность качественно запечатлеть объект в движении.

Второй тип автофокуса – активный, который может быть фазовым или лазерным. В последние пару лет оба принципа начали набирать популярность не только в сегменте DSLR, но и любительской фототехнике, добравшись даже до смартфонов. При лазерном автофокусе матрица камеры оснащена своего рода дальномером, луч которого позволяет анализировать трехмерное пространство, сохраняя его глубину на снимке.

Фазовый автофокус предполагает разделение оптического тракта на две части, для последующего их сравнения и выравнивания. Фокусировка производится на основе анализа разности фаз по этим двум каналам, отсюда и название технологии. За эту функцию отвечает специальный сенсор, который находится возле матрицы на таком же расстоянии от объектива. Именно подобный механизм и стал предтечей технологии Dual Pixel.

Ранее такой метод был доступен только в полноразмерных зеркальных камерах, так как требовал применения дополнительных сенсоров и их точного расположения. Но тенденция к уменьшению в области полупроводниковых технологий сделала возможной установку датчиков прямо на матрицу.

Технология Dual Pixel, примененная в смартфоне Samsung S7, является именно разновидностью фазового автофокуса, но есть в ней и свои отличия.

Чем отличается Dual Pixel в S7 от фазовой фокусировки в камерах других смартфонов?

Главным отличием камер смартфонов от матриц зеркалок является миниатюрный (в 5-15 раз меньший) размер. Поэтому технология фазового автофокуса имеет свои ограничения: чтобы оснастить отдельным фокусным сенсором каждый пиксель, придется уменьшить его размеры, что приведет к появлению большего количества шумов и артефактов. Поэтому датчиками оснащаются только 5-10 % от общего числа светочувствительных точек.

Dual Pixel в Galaxy S7 отличается тем, что благодаря увеличению размеров пикселя стало возможным оснащение каждого пикселя отдельным датчиком.

Dual Pixel в Galaxy S7

Мощный процессор смартфона в режиме реального времени отслеживает показания каждого пикселя, позволяя производить фокусировку значительно быстрее. Так что по сути, Dual Pixel в S7 – это не более, чем полноценная реализация уже проработанной технологии. Тем не менее, отрицать ее инновационность нельзя, так как в смартфонах подобное встречается впервые.

Как работает автофокус Dual Pixel в камере Galaxy S7

Компания Samsung презентовала видео, где в условиях специального тестового стенда показаны различия в работе автофокуса камер южнокорейских смартфонов. На примере сравнения Galaxy S6 и S7 видно, что новая технология Dual Pixel позволяет значительно быстрее сосредоточиться на кадре, сделав его четким и контрастным.

На видео хорошо видно, как в условиях резкой смены дистанции Dual Pixel в S7 практически мгновенно отображает картинку во всех деталях, в то время как камере S6 требуется время, которое может составить около секунды. Если при съемке на смартфон пейзажей или людей, которые стоят, этот промежуток можно считать несущественным, то при фотографировании движущихся объектов – каждая доля секунды имеет значение. Таким образом, можно констатировать, что Dual Pixel – действительно важное нововведение, которое преподносит мобильное фото на новый уровень.

 

Что такое автофокус Dual Pixel и почему он лучший

Буквально только что Samsung представила свое новое поколение флагманов Galaxy S7 и Galaxy S7 Edge, изо всего, чем могут похвастаться смартфоны, мы выделили их камеру. Что такое автофокус Dual Pixel и почему он лучший

Samsung использует 1/2.5″ сенсор Sony IMX260. По сравнению с прошлогодним Galaxy S6, отдельные пиксели нового сенсора увеличены в размерах (1.44 микрон), а линзы получили более широкую диафрагму (f/1.7). Производитель также сделал модуль камеры компактнее, чтобы он не так сильно выступал из корпуса. Более того, камеры обоих флагманов используют автофокус Dual Pixel.

Из-за множества интереснейших нововведений, эта технология уходит на задний план, но мы считаем ее самым продвинутым аспектом нового модуля. По своей сути, Dual Pixel это то же самое, что Phase Detect флагманских смартфонов.

Так или иначе, Samsung решил назвать эту технологию по другому, так как их последняя реализация отличается от того, что мы видели на мобильных гаджетах ранее. Чтобы вам было понятно, это Phase Detect 2.0 для мира смартфонов.

В прошлом году мы уже видели несколько смартфонов, камеры которых рекламировали фазовый автофокус. Все они используют гибридные решения, которые сочетают преимущества контрастной и фазовой систем автофокусировки. Это решение позволяет более быстро и точно навести фокус, чем обычное.

Реанимированная система фазового автофокуса в смартфонах обычно полагается на специальных фотодиодах, вмонтированных в пиксели на сенсоре. Компания Apple даже дошла до того, что назвала их “Focus pixels”, когда она анонсировала iPhone 6 — запатентованный ими термин, который описывает обычную технологию.

Эти фотодиоды, так или иначе, рассеяны по всей поверхности сенсора и только 5-10% от общего количества пикселей относятся к фазовому автофокусу.

Использование технологии Dual Pixel означает, что в каждый пиксель сенсора камеры встроен фазовый фотодиод. Камера может быстро и точно сфокусироваться на любом объекте в кадре, независимо от их положения.

Что такое автофокус Dual Pixel и почему он лучший

Новая система работает впечатляющее хорошо — даже по стандартам обычных камер.

Фокусировка происходит практически мгновенно:

Технология Dual Pixel не новая — она уже достаточно давно используется во многих цифровых камерах. В этом году произошел огромный прорыв в развитии камер мобильных устройств.


Также подписывайтесь на наши страницы Вконтакте, Facebook или Twitter, чтобы первыми узнавать новости из мира Samsung и Android.

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о