Почему и как «большие пиксели» делают картинку лучше?

Это выходит из сегодняшнего анонса iPhone 5S, когда Фил Шиллер сказал, что «большие пиксели» - это ключ к лучшей картине.

1. Что это значит?
2. Это правда или просто маркетинговый ход?

Краткое резюме

Да, большие пиксели улучшают производительность при прочих равных условиях, и Apple делает хорошую вещь, фокусируясь на размере сенсора. Однако в этом случае увеличение размера настолько незначительно, что разница будет незначительной, вероятно, не соответствуя уровню улучшения, который вы можете ожидать от их маркетинга.

Что означают пиксели большего размера?

Это относится к размеру фотоприемников, которые представляют пиксели, на датчике камеры.

Короче говоря, чем больше света достигает этих фотоприемников, тем точнее они могут измерять уровни света, тем самым уменьшая шум. Чтобы упростить задачу, шум обычно является фактором при съемке в условиях низкой освещенности или в помещении.

Есть два способа получить большие фотоприемники на сенсоре:

1. Иметь меньше пикселей.

2. Сделайте датчик больше.

Первый - это компромисс с разрешением, который может или не может привести к чистому улучшению, в то время как последний - общий выигрыш. В iPhone 5S они ушли с последним, что хорошо.

Маленькие датчики, такие как в мобильных телефонах и компактных камерах, больше всего страдают от маленьких пикселей, потому что для того же количества пикселей их пиксели должны быть намного, намного меньше, чем у зеркальных и других профессиональных / профессиональных камер.

Мегапиксельная гонка

Желание втиснуть все больше и больше пикселей в датчики камеры приводит к уменьшению отдачи в разрешении и стало вредить - или пренебрегал улучшением - чувствительности маленьких датчиков в мобильных телефонах и компактных камерах.

К сожалению, это было обусловлено менталитетом, что «больше пикселей = лучшая камера», поскольку количество мегапикселей очень легко продать вашу камеру. На самом деле, уменьшение отдачи гарантирует, что чем больше пикселей вы добавляете, тем менее важно добавить больше, и мы приближаемся к тому моменту, когда множество датчиков, особенно крошечные внутри мобильных телефонов, не могут даже разрешить достаточное разрешение в любом случае, чтобы оправдать количество мегапикселей, из-за свойств используемого объектива и самого четкого изображения, которое они могут создать на сенсоре.

Достижения в области сенсорных технологий, таких как микролинзы и задняя подсветка, наряду с более продвинутыми алгоритмами шумоподавления, в некоторой степени компенсировали потерю чувствительности из-за увеличения числа пикселей в таком маленьком сенсоре, но не достаточно далеко: современные камеры мобильных телефонов все еще шумно в помещении и при слабом освещении из-за их небольшой площади для сбора света.

Продвигать вашу камеру на основе чувствительности или других аспектов качества изображения очень сложно , когда количество мегапикселей остается основной маркетинговой статистикой, связанной с цифровыми камерами, однако вводящей в заблуждение.

Так почему же Apple продвигает это так?

Неосведомленная публика все еще ожидает, что если камера улучшится, число ее мегапикселей возрастет.

Apple, однако, выпускает «лучшую» камеру в своем мобильном телефоне, но без увеличения числа мегапикселей.

Технически, это хорошая идея для качества изображения. Тем не менее, людям сложно объяснить, почему это так, если они были уверены, что количество мегапикселей является основным показателем качества изображения.

Маркетинг камеры iPhone 5S таким способом является попыткой:

1. Сместите маркетинг датчиков камеры от количества пикселей к чувствительности и другим аспектам качества.

2. Отвлекают внимание от того факта, что количество мегапикселей, которое многие люди все еще считают определяющим качеством изображения, не возросло.

К сожалению, они не первые, кто попытается совершить эту же революцию, и не будут последними. Мегапиксельный миф очень прочно укоренился.

Примечание: в ответ на некоторые комментарии ниже я определяю «миф о мегапикселях» как миф о том, что количество пикселей является основным фактором, определяющим качество изображения, и что большее количество пикселей всегда имеет лучшее качество, а не то, что количество пикселей не приносит никакой пользы. Проблема, связанная с мифом о мегапикселях, также связана с тем, что она отвлекает от важной статистики, такой как размер сенсора, о которой практически никогда не говорят в отношении мобильных телефонов и компактных камер.

Это правда или маркетинговый ход?

Это технически верно, но в этом случае разница настолько мала, чтобы быть незначительной.

Это правда, что сохранение одинакового количества пикселей и увеличение каждого пикселя приводит к лучшей чувствительности, и это то, что они сделали здесь. Это должно привести к снижению шума (или, если в результате камера может использовать более высокие скорости, возможно, к уменьшению размытости при слабом освещении). Их фактическое утверждение о том, что «больше пикселей = лучшая картинка», является упрощением этого и может ввести в заблуждение людей, полагая, что их изображения при дневном свете на открытом воздухе также могут быть улучшены, но это не так. Но в сценариях при слабом освещении улучшенная чувствительность принесет пользу.

Тем не менее , они не сделали их намного больше. При увеличении размера датчика всего на 6,6% любое увеличение чувствительности будет крошечным: настолько маленьким, что будет незначительным. Чтобы поместить это в перспективу, у DSLR есть датчик, который приблизительно на 500-900% такой же большой как компактная камера. Это привело бы к значительному увеличению чувствительности нескольких диафрагм. Увеличение на 6,6% очень незначительно. Это составляет примерно одну шестую одного f-стопа.

Так что это своего рода маркетинговый ход. Чтобы получить какие-либо существенные выгоды, они должны были бы увеличить размер датчика намного больше. Это также маркетинговый ход, потому что раньше их маркетинг фокусировался на количестве мегапикселей, и все же они теперь изменили способ, которым они продают, потому что они решили не увеличивать количество мегапикселей и все еще хотят похвастаться тем, что они улучшили камеру ,

В теории иметь больше меньших пикселей лучше, чем иметь меньше больших пикселей.

Небольшой пиксель будет захватывать меньше фотонов, и, следовательно, его выходной сигнал будет более шумным, но, беря больше выборок, шум усредняется, простой повторной дискретизацией вы можете смоделировать результат датчика с меньшим количеством больших пикселей.

Но вы можете сделать лучше, чем просто сопоставить результат с большими пикселями. Более мелкие пиксели вместе собирают больше информации. Большие пиксели позволяют узнать, сколько фотонов попало, скажем, в область 5 мкм × 5 мкм. Небольшие пиксели также показывают, сколько фотонов попало в ту же область, но также могут показать, сколько попало в верхнюю левую область 25 мкм х 25 мкм, нижнюю правую область 25 мкм х 25 мкм и т. Д. Эта дополнительная информация может быть использована для более разумной повторной выборки, чтобы снизить шумность. более детальные изображения с тем же разрешением, что и у камеры с более чувствительными пикселями.

На практике вещи никогда не бывают совершенно равными. Когда шум считывания учитывается, считывание значений с 4 меньших пикселей означает четырехкратное снижение шума считывания, что приводит к увеличению шума в тенях и снижению DR. Это не должно быть проблемой с последними датчиками Sony Exmor со сверхнизким шумом чтения, но может быть причиной, по которой Canon с 2013 года не выпустила корпус с более чем 22MP).

Пиксели не являются плоскими объектами. Обычно светочувствительная часть находится внизу, а окружающая электроника - слоями вверху. Это делает пиксели немного похожими на колодец. Когда вы делаете пиксели очень очень маленькими, пропорция светочувствительной области уменьшается, а глубина скважины и пропорция ее ширины становятся намного больше, уменьшая количество углов, от которых она может получать свет, и, следовательно, чувствительность.

Это то, где они работают с датчиками камеры телефона, они не могут увеличить количество пикселей без серьезного ущерба для доли заполнения и угловой эффективности, поэтому, чтобы попытаться привлечь потребителей, они уменьшают количество пикселей. Лучшее решение - увеличить сенсор, но для этого потребуется объектив большего размера, а не тонкий корпус, который продается во многих телефонах.

Есть также недостатки, связанные с меньшим количеством пикселей большего размера. Снижение частоты дискретизации приводит к увеличению муара, что требует более мощных фильтров сглаживания, что усугубляет проблему пониженного разрешения. Более низкая частота дискретизации также приводит к большему количеству ошибок демозаики.

К сожалению, мантра «маленькие пиксели плохая» применяется к разным форматам и заставляет производителей камер неохотно продвигать качество вперед за счет увеличения числа пикселей, так как «общепринятая мудрость» заключается в том, что это плохая идея и делает изображения более шумными, более подверженными камере. встряхнуть, и требует лучших линз (каждый из этих пунктов не соответствует действительности).

Основная идея здесь заключается в том, что больший датчик дает лучшую картинку (если датчики используют ту же технологию). Что Apple сделала, так это увеличила размер сенсора, и, сохранив одинаковое количество пикселей, каждый пиксель будет иметь более высокое отношение сигнал / шум, что приведет к лучшему изображению.

Все дело в том, чтобы поймать свет, который приходит как можно точнее.

Это довольно просто: с большей поверхностью (на пиксель) вы поймаете больше света и сможете получить более точное представление об этом свете в конечном результате.

Это правда, что фотография будет лучше, но только 15% на пиксель не впечатляют. Так что это тоже маркетинг. Nokia сделала то же самое с их PureView. Понижение частоты дискретизации с 41 мегапикселя до 5-10 мегапикселей также значительно снизит уровень шума. PureView от Nokia будет лучше, если вы спросите меня.

Есть два основных преимущества от создания больших пикселей:

1. большие пиксели собирают больше света, поэтому датчик более чувствителен. Это означает, что в условиях низкой освещенности вы можете снимать с низким ISO и, следовательно, с низким уровнем шума.

2. при больших значениях диафрагмы (например, f / 2.2) и небольшом сенсоре многие световые лучи случайно взаимодействуют с различными пикселями, которые размывают изображение. И это понизит разрешение.

Однако даже если мы развенчиваем хорошо известный миф о мегапикселе, мы обобщаем «чем больше, тем лучше» правду о сенсорах. Конечно, как указано выше, правда, но производительность камеры зависит от многих других факторов. Чтобы проецировать изображение на датчик большего размера, поддерживающий небольшое расстояние между фронтальной линзой и датчиком (как это должен делать iPhone), вам нужно больше объективов, и если качество одного из этих объективов не очень хорошее, все характеристики Система будет худшей. Так что «Большие пиксели = лучшая картинка» - это скорее лозунг, чем закон.