Что такое пиксель в фотоаппарате

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.

Источник

Что такое мегапиксели в фотоаппарате

Производители часто указывают мегапиксели, как одну из основных характеристик фотоаппаратов. Новые модели соревнуются в их количестве. Если раньше на кропнутых зеркальных фотокамерах максимальное число мегапикселей равнялось 18, сейчас это число доходит до 24. Что такое мегапиксели в фотоаппарате, на что влияет их количество, какой показатель является рабочим, и может ли ухудшить качество фотографии их чрезмерное количество.

Что такое мегапиксели и их размер

Один мегапиксель (Мп) состоит из миллиона пикселей, маленьких квадратиков, которые выглядят как крошечные точки. Фотография представляет собой сплошную сетку, сотканную из пикселей. Достаточное количество этих квадратиков улучшает качество изображения, увеличивает его разрешение. Ведь пиксель — это основной элемент, из которого состоит цифровое изображение. Не существует величины меньше пикселя. Например, миллипикселя или 0,5 пикселя. Однако они могут отличаться по размеру.

Большинство современных фотоаппаратов имеет достаточное количество мегапикселей. Как правило, не меньше 15. Когда в фотоаппаратах было 3-4 Мп, их увеличение, хотя бы на один, было очень заметно. Сейчас имеющегося числа вполне достаточно для печати фотографий очень большого размера, и новое увеличение этого показателя больше похоже на маркетинговый ход, чем на необходимость.

На что влияют мегапиксели

От количества Мп в матрице фотоаппарата по сути зависит качество распечатанных фотографий. Снимки большой выглядят детализированней при достаточном количестве мегапикселей. Однако это не единственный показатель, нужный для печати необычно крупных фотографий. Также важны характеристики сенсора фотокамеры и настройки диафрагмы (апертуры).

Важно знать, что пиксели могут отличаться размером. Например, в одной камере может быть 12 Мп большого размера, а в другой – 24, но более маленьких. Слишком мелкие пиксели способны вобрать в себя только небольшое количество света. Оставшийся свет перемещается к соседним пикселям, создавая на фотографии неприятный цветовой шум. Поэтому важно не только количество мегапикселей, но и размер самой матрицы. Если последняя слишком маленькая и на нее пытаются вместить как можно больше пикселей, качество фото только ухудшится. Чем больше размер матрицы, тем больше света она воспринимает. В итоге снимки имеют больше деталей и больший угол обзора.

Какое оптимальное количество

Достаточное число пикселей зависит от потребностей пользователя фотоаппарата. Также стоит помнить, что на качество влияют многие технические показатели фотоаппарата, в том числе размер матрицы, выбранный объектив и, конечно, настройки камеры.

Чем больше разрешение матрицы, тем качественнее получатся напечатанные в большом размере снимки и тем больше возможностей для последующей обработки фотографии в фоторедакторе.

Профессионалам, безусловно, нужны камеры с разрешением не менее 12 Мп. А вот показатель разрешения больше 20 мегапикселей не особенно востребован даже в профессиональных кругах. Это больше рекламные трюки производителей.

Более того, фотографы, проводившие сравнение, указывают на избыточность 24 мегапикселей для фотоаппаратов с кропнутой матрицей. Объективы не справляются с таким количеством пикселей, появляется больше цифрового шума, кадры медленнее обрабатываются из-за большого веса. К тому же, на снимках при 12 и 24 Мп практически идентичная детализация.

Стоит ли гнаться за большим количеством мегапикселей

Профессионалы не советуют гнаться за максимальным количеством пикселей в фотоаппарате. Важнее определиться со своими целями. Для чего приобретается фотокамера: для бытовой съемки, работы в газете или журнале, участии в выставках, съемке портретов, репортажей или торжеств. Для каждой цели понадобится свое количество мегапикселей матрицы фотоаппарата.

Собираясь создавать фото для семейного альбома и соцсетей, не стоит платить лишнее за технику с огромным разрешением снимков. К тому же, на качество больше повлияет физический размер матрицы. Именно на этот показатель лучше обратить свое внимание. При этом техника с большой матрицей будет дороже, тяжелее, объемнее, чем простой любительский компактный фотоаппарат. Такую технику неудобно будет постоянно носить с собой, чтобы запечатлеть неожиданно возникшие интересные кадры.

Вредит ли большое число мегапикселей качеству снимков

Увеличение разрешения матрицы может ухудшить резкость кадров даже при использовании качественного объектива.

Это звучит странно, но имеет логическое объяснение. Если физический размер матрицы не увеличивается, а количество мегапикселей становится больше, их размер становится меньше. Это делает их менее чувствительными к свету и повышает их нагрев друг от друга, увеличивая количество цифрового шума. Хотя, технологии не стоят на месте и производители научились снижать уровень шума даже при уменьшении размеров пикселей.

Однако есть и другая опасность – появление дифракции. При прохождении потока света через малое отверстие диафрагмы он как будто распыляется, как спрей. Чем сильнее закрыта апертура (диафрагма), тем под большим углом происходит это распыление. Так четкая точка становится размытой. И чем меньше открыта диафрагма, тем размытие становится сильнее. Хотя обычно закрытая диафрагма дает максимально четкую детализацию.

Мегапиксели в фотоаппарате отвечают за разрешение фотографий. Выбирая технику, следует заранее решить, для каких целей она будет использоваться. Если в планах фотографа нет печати фотографий очень крупного размера, в профессиональных целях, или серьезной постобработки в фоторедакторе, то количество пикселей не играет особой роли. В таком случае, возможно, не стоит переплачивать за более дорогие модели. При этом важно обратить внимание на другие технические характеристики фотоаппарата. В первую очередь на размер матрицы. А также научиться его правильно настраивать. Так, даже при среднем количестве мегапикселей будут получаться интересные и качественные фотографии.

Источник

Что такое пиксели цифровых камер

Непрерывное развитие технологии цифровых камер может смущать умы, поскольку постоянно вводятся новые термины. Эта глава призвана прояснить некоторые моменты касательно цифровых пикселей — в частности, для тех, кто ещё только задумывается или только что купил свою первую цифровую камеру. Здесь рассматриваются такие концепции, как размер сенсора, мегапиксели, дизеринг (цветозамес) и печатный размер.

Пиксель: фундаментальная единица всех цифровых изображений

Любое цифровое изображение состоит из фундаментальных единиц: пикселей. Термин «пиксель» (PIXEL) произошёл от сочетания двух английских слов: «изображение» (PICture) и «элемент» (ELement). В русском языке существовало аналогичное слияние («элиз»), но оно оказалось неудачным и не прижилось. Так же, как работы пуантилиста состоят из серии нарисованных пятен, так и миллионы пикселей могут быть объединены в подробное и кажущееся сплошным изображение.

Наведите курсор для выбора:	пуантилизм	пиксели

Каждый пиксель содержит серию чисел, которые описывают его цвет или интенсивность. Точность, с которой пиксель может описать цвет, называется его разрядностью или глубиной цветности. Чем больше пикселей содержит ваше изображение, тем больше деталей оно способно передать. Заметьте, что я написал «способно», поскольку простое наличие большого числа пикселей ещё не означает полного их использования. Эта концепция важна и будет далее раскрыта более подробно.

Печатный размер: пиксели на дюйм (PPI) и точки на дюйм (DPI)

Поскольку пиксель является всего лишь логической единицей информации, он бесполезен для описания печатных оттисков — если не указать при этом их размер. Термины «пиксели на дюйм» (PPI) и «точки на дюйм» (DPI) появились, чтобы соотнести теоретическую единицу с визуальным разрешением материального мира. Эти термины зачастую ошибочно взаимозаменяют (в частности, для струйных принтеров), — дезориентируя пользователя относительно максимального печатного разрешения устройства.

«Пиксели на дюйм» является более чётким из двух терминов. Он означает количество пикселей на 1 дюйм изображения по горизонтали и вертикали. «Точки на дюйм» на первый взгляд выглядят обманчиво просто. Сложность в том, что устройству может понадобиться сделать несколько точек, чтобы создать один пиксель; тем самым указанное количество точек на дюйм не всегда означает аналогичное разрешение. Использование множества точек для создания одного пикселя означает процесс, называемый «дизерингом».

Устройство с ограниченным набором цветных чернил может обмануть глаз, собирая их в миниатюрные сочетания, создавая таким образом восприятие разных цветов, — если «суб-пиксель» достаточно мал. Вышеприведенный пример использует 128 цветов, тогда как вариант с цветозамесом создаёт практически идентично выглядящую картину, задействовав всего 24 цвета. Есть одна критическая разница: каждая цветная точка в изображении с замешиванием цвета обязана быть намного меньше отдельно взятого пикселя. Как следствие, изображения практически всегда требуют существенно больше DPI, чем PPI, чтобы достичь подобного уровня детализации. Кроме того, PPI намного более универсально, поскольку не требует знания устройства для понимания того, насколько детальным будет отпечаток.

Стандарт, принятый в фотолабораториях для отпечатков, равен 300 PPI, однако струйные принтеры для получения фотографического качества требуют в несколько раз больше DPI (в зависимости от числа чернил). Кроме того, это зависит от применения; журнальные и газетные отпечатки могут использовать намного меньшее качество. Чем больше вы пытаетесь увеличить отдельно взятое изображение, тем меньшим станет его PPI (для одинакового количества пикселей).

Мегапиксели и максимальный печатный размер

«Мегапиксель» означает просто миллион пикселей. Если вам нужна определённая детальность и соответствующее разрешение (PPI), она непосредственно влияет на предельный печатный размер для заданного числа мегапикселей. Следующая таблица приводит максимальные печатные размеры в разрешениях 200 и 300 PPI для некоторых наиболее распространённых в камерах чисел мегапикселей.

Заметьте, что 2Мп камера неспособна даже обеспечить стандартный отпечаток 10×15 см в разрешении 300 PPI, а для 40×25 потребуется целых 16 Мп. Это может обескуражить, но не отчаивайтесь! Многим будет вполне достаточно разрешения 200 PPI, а при большой дистанции обзора его можно даже ещё уменьшить (см. «Увеличение цифровых фотографий»). Многие настенные постеры предполагают, что вы не станете их разглядывать с 15 см, а потому их разрешение зачастую меньше 200 PPI.

Камера и соотношение сторон изображения

Вышеприведенный расчёт печатного размера подразумевает, что соотношение сторон, то есть соотношение длинной и короткой сторон кадра, составляет стандартные 3:2, используемые в камерах 35 мм. На самом деле, большинство компактных камер, мониторов и телеэкранов имеют соотношение сторон 4:3, а у большинства цифровых зеркальных камер оно равно 3:2. Существует множество других вариантов: некоторое плёночное оборудование высшего класса использует даже квадратный кадр 1:1, а в фильмах на DVD применяется расширенный кадр 16:9.

Это означает, что если вы используете камеру с кадром 4:3, но хотите получить отпечаток 10×15 см (3:2), заметная часть ваших мегапикселей будет потрачена впустую (11%). Нужно принимать это во внимание, если соотношение сторон кадра вашей камеры отличается от требуемых размеров отпечатка.

Пиксели как таковые могут иметь своё собственное соотношение сторон, хотя это менее распространено. В некоторых видеостандартах и ранних камерах Nikon существовали асимметричные пиксели.

Размер цифрового сенсора: не все пиксели одинаковы

Даже если у двух камер одинаковое число пикселей, это необязательно означает, что размеры их пикселей также совпадают. Основной фактор отличия более дорогих цифровых зеркальных камер от своих компактных собратьев в том, что у первых цифровой сенсор занимает заметно большую площадь. Это означает, что если компактная и зеркальная камеры имеют одинаковое число пикселей, размер пикселя в зеркальной камере будет намного больше.

Какая разница, какого размера пиксели? Пиксель большего размера имеет большую площадь светосборника, что означает, что светосигнал на равных промежутках времени будет сильнее.

Обычно это приводит к гораздо лучшему соотношению сигнал-шум (SNR), что обеспечивает более гладкое и детальное изображение. Более того, динамический диапазон изображений (градация света и тени между абсолютно чёрным и засветкой, которую камера способна передать) тоже нарастает с увеличением размера пикселя. Это происходит потому, что каждый пиксель способен накопить больше фотонов, прежде чем наполнится и станет полностью белым.

Диаграмма внизу иллюстрирует относительный размер нескольких стандартных размеров сенсоров на современном рынке. В большинстве цифровых зеркальных камер используется кроп-фактор 1.5 или 1.6 (по сравнению с плёнкой 35 мм), хотя у некоторых моделей высшего класса цифровой сенсор имеет ту же площадь, что и кадр 35 мм. Размеры сенсоров, указанные в дюймах, не отражают настоящего диагонального размера, но вместо того описывают приблизительный диаметр «изображаемого круга» (используемого не полностью). Тем не менее, это число входит в характеристики большинства компактных камер.

Почему бы просто не использовать сенсор максимально возможного размера? Прежде всего потому, что большие сенсоры стоят существенно дороже, так что они не всегда выгодны.

Прочие факторы выходят за рамки этой статьи, однако можно принять во внимание следующие факторы: сенсоры большого размера требуют меньших диафрагм для получения аналогичной глубины резкости, однако они также и меньше подвержены дифракции на выбранной диафрагме.

Значит ли всё вышесказанное, что втискивать побольше пикселей в ту же площадь сенсора плохо? Обычно это увеличивает шумы, но разглядеть их можно только при 100% увеличении на мониторе вашего компьютера. В отпечатке шум модели с большим числом мегапикселей будет намного менее заметен, даже если на экране снимок кажется более шумным (см. «Шум в изображении: частота и амплитуда»). Это преимущество обычно превосходит любой прирост шумов при переходе к модели с большим числом мегапикселей (с некоторыми исключениями).

Источник