Для чего смартфону несколько камер?
Мультикамерная архитектура — зачем она нужна? Почему современные смартфоны стали двух- и трехглазыми? Разбираемся в подробностях.
Количество камер в смартфонах растет с такой скоростью, что от некоторых моделей уже можно заработать триптофобию. Мы уважительно говорим: двойная камера, тройная камера, и по умолчанию считаем, что такие телефоны лучше фотографируют (и это действительно так). Разберемся, почему же для хорошего снимка смартфону нужно именно несколько камер.
Слишком мало места!
Главная трагедия печальной жизни конструкторов мобильных телефонов заключается в нехватке места. Толщина современного смартфона уже давно не превышает десятка миллиметров, и в такое узкое пространство просто невозможно «впихнуть невпихуемое» — а конкретно, нормальный объектив фотокамеры.
Нормальный — это с несколькими стеклянными линзами разных размеров, которые могут «раздвигаться», чтобы собрать как можно больше света и обеспечить максимальное приближение кадра (зум). На заре камерофонов были попытки сделать смартфон с полноценным выдвижным объективом. Но выглядело это, мягко говоря, как гибрид бульдога с носорогом. К примеру, вот такой Samsung Galaxy K-Zoom:
Вот что получается, если делать качественный объектив из стекла — определенно, такой гаджет не выглядит сильно мобильным, не правда ли? Можно было бы, конечно, попробовать выточить линзы из другого материала, но вот беда — не существует на земле такого, который бы преломлял свет лучше, чем обычное стекло. И вот что делать?
Что делать? Вторую камеру приделать!
Вот тут и появилась гениальная идея. Если в телефоне нельзя сделать один большой объектив с несколькими линзами, то почему бы не поставить два маленьких с одной? Причем с разным фокусным расстоянием: одна будет делать широкоугольные снимки, а вторая будет «телеобъективом» — с узким полем зрения, но большим увеличением.
На обе камеры синхронно делаем снимки, а затем совмещаем их при помощи программного обеспечения для пост-обработки. Это, конечно, сложно, но в сложности софта нас никто не ограничивает — в отличие от размера объектива. Так мы соберем вдвое больше света, получим два снимка с разной глубиной резкости, а также сможем одинаково четко снимать и самые темные, и самые светлые детали.
Сказано — сделано. Так в смартфонах появились двойные камеры. Пионерами направления стали LG и Huawei, а популяризовала технологию, разумеется Apple. На картинке показано, как работает двойная камера iPhone 7.
А зачем третья?
А третья камера в смартфоне (и все последующие), на самом деле, в большинстве случаев и не камера вовсе. Нет, это может быть и дополнительный объектив с еще одним вариантом фокусного расстояния. Вот у такого телефона Light L16 таких вариантов целых 16:
Но часто под третьим (и всеми последующими) кружками скрывается датчик, который используется для дополнительного улучшения изображения. В целом, существует пять вариантов того, чем может быть третья «камера» в смартфоне:
Все это позволяет мобильным телефонам снимать лучше, ярче и резче, при этом не увеличивая габариты смартфона. Вот зачем смартфону несколько камер — и чем их больше, тем лучше. Возможно, устройства нового поколения будут сплошь и рядом покрыты «глазками» объективов. Но мы чешемся уже от Nokia 9 c пятью камерами — надеемся, что до безумия дело не дойдет!
А вот еще о многокамерных смартфонах:
Зачем смартфонам несколько камер?
Сейчас найти в продаже более-менее дорогой смартфон с одной камерой на задней панели — задача практически невыполнимая. Почему? Потому что несколько фотосенсоров позволяют делать то, на что один-единственный сенсор не способен. И подходов к реализации этой идеи много.
В этой статье мы расскажем о том. зачем в абсолютном большинстве топовых и многих среднебюджетных смартфонах устанавливают по две, три и даже четыре камеры. С каждым месяцем производители выпускают все более дешевые мобильники с этой «фишкой», так что разобраться в ее смысле лишним не будет.
Подход «Две (три, четыре) лучше одной»
Разные фотомодули и объективы могут исполнять разные роли. Объектив с низкой апертурой и широким углом обзора отлично справится с детальным захватом объекта, который находится вблизи, но плохо покажет себя во время съемки движущейся цели. Длинный объектив позволит снять что-нибудь на удалении, но пропускает на сенсор меньше света.
Дело тут еще и в том, что смартфоны — штуки по сравнению с полноценными камерами очень миниатюрные. Фотомодуль не может иметь толщину больше нескольких миллиметров, что накладывает на инженеров серьезные ограничения. Добавление нескольких камер — отличный способ эти ограничения обойти.
Основная камера Galaxy S9 использует два одинаковых сенсора, но два разных объектива.
Кроме того, очень важно помнить о роли постобработки картинки. Производители смартфонов соперничают не только в том, сколько камер и какие объективы устанавливаются в их девайсы, но и в эффективности работы сверхсложных алгоритмов, которые отвечают за удачное и корректное комбинирование всей информации, полученной с разных сенсоров. У Google, Sony, Samsung и других они абсолютно разные.
В итоге изображение, полученное с использованием нескольких камер, просто объективно становится лучше обычного — благодаря постобработке в нем совмещаются преимущества сразу нескольких фото, а минусы разных объективов и сенсоров нивелируются. Именно так, к примеру, работает технология HDR — несколько фотографий делаются с разными настройками уровня экспозиции, а результатом становится HDR-картинка с широким цветовым диапазоном.
Благодаря нескольким сенсорам улучшаются все параметры фото (и видео, но там используются другие, менее качественные и более быстрые алгоритмы) — и детальность, и уровень шумов, и степень размытости, и баланс цветов. Стоит лишь помнить о том, что наличие двух и более камер совсем не гарантирует приятный глазу результат — правильно настроенные алгоритмы постобработки важны даже больше.
Один из примеров работы таких алгоритмов — эффект «боке», который в большинстве случаев работает совсем не так, как на традиционных зеркальных камерах. Камеры смартфонов просто «умно» размывают фон изображения — с переменным успехом. Иногда это приводит к поразительным результатам, а иногда — к появлению странных артефактов (например, iPhone на одной из старых версий прошивки могли добавить маленьие зубы на зубы улыбающегося человека).
Подход «Оптический зум»
Камеры смартфонов способны на многое, но с одним они справляются откровенно плохо — с приближением картинки. Из-за своих размеров объективы мобильников просто не в состоянии менять фокус и захватывать достаточно информации. Исключением можно считать разве что странные решения вроде того, которое использовали в Samsung Galaxy S4 Zoom, а они попросту не прижились.
Что ж, использование двух и более фотосенсоров позволяет решить и этот вопрос, как минимум в какой-то мере. Вспомогательный объектив современных смартфонов часто предназначен именно для этого. Результат не сможет посрамить профессиональную цифровую камеру с полноразмерным объективом, но он все равно гораздо лучше, чем результат, полученный с использованием обычного цифрового зума (а он просто увеличивает картинку с использованием сравнительно примитивных алгоритмов).
К примеру, Apple называет основную камеру топовых iPhone «широкоугольной», а вспомогательную — «телефото». Именно вспомогательная помогает приближать изображение примерно вдвое без особой потери качества.
Обычно вторичный (или один из трех-четырех) сенсоров имеет отличный от основного показатель светопропускания — соотношение апертуры и диаметра объектива. Здесь в дело тоже вступают алгоритмы, без которых комбинация двух картинок была бы просто невозможной. Разные производители добавляют к этому всему свои «фишки» — к примеру, Samsung позволяет «дополнить» приближенную картинку отсутствующими участками, которые сняты основным модулем и обработаны отдельным алгоритмом, чтобы лучше соответствовать изображению со вторичного.
Подход «Волшебник страны Оз»
Окей, «Волшебник страны Оз» — не совсем технический термин. Просто так мы бы предложили назвать подход, при котором одновременно используются цветные и монохромные (черно-белые) фотосенсоры.
Обычные настройки фото в таких смартфонах позволяют получить фотографию с более высоким уровнем деталей — опять-таки, пресловутые алгоритмы берут информацию с монохромного снимка и добавляют ее в цветной, в итоге заметно его улучшая.
Изображения, полученные монохромным сенсором и цветным сенсором Essential Phone.
Опять-таки, здесь очень много зависит именно от реализации алгоритмов. Помимо повышения уровня детальности картинки монохромный сенсор еще и позволяет быстрее работать системе автофокуса, а также даже показывать пользователю результат работы нескольких объективов в реальном времени.
Некоторые компании — например, Huawei со своим P20 Pro — используют сразу несколько описанных нами подходов. У P20 Pro три сенсора — 20-мегапиксельный основной, вспомогательный с тройным зумом и монохромный, который улучшает четкость финального изображения.
А в Samsung Galaxy A9 (2018) и вовсе установлено сразу четыре камеры. Все они имеют разные характеристики — фокусное расстояние, светопропускаемость и так далее. Этот девайс, несмотря на свою относительную «бюджетность», благодаря обилию возможностей позволит «разгуляться» даже фотографу-энтузиасту.
Примеры такого подхода: Huawei P20, P20 Pro, Honor 10
Подход Google Pixel и будущее индустрии
А что же Google с ее флагманскими Pixel 3 и Pixel 3 XL? Эти модели числятся топовыми и используют всего одну камеру на задней панели — почему? Что ж, здесь все предельно просто.
Google — компания, которая, пожалуй, в ходе своей деятельности собрала больше информации, чем любая другая организация, когда-либо существовавшая на нашей планете. В ее распоряжении — тысячи, миллионы и миллиарды фотографий и видео, на которых с помощью мощных серверов тренируют ИИ-алгоритмы.
Понимаете, к чему это все? Google считает (и вполне обоснованно — просто взгляните на рейтинг DxOMark), что алгоритмы — вообще всему голова, и им достаточно всего одной картинки, чтобы творить чудеса. И получается! Достаточно посмотреть на необыкновенные результаты работы «ночного режима» камеры Pixel 3 или ее портретные снимки. В общем, этот подход тоже пока имеет право на существование. Получится ли у этих алгоритмов еще более впечатляющий результат, если Pixel 4 будет иметь два или три фотомодуля? Все зависит от инженеров Google и ее желания идти на риск. Ну а пока что ее девайсы и так находятся чуть ли не впереди всех конкурентов.
Что дальше? А дальше все станет еще интереснее. HMD Global, к примеру, на выставку Mobile World Congress 2019 в Барселоне привезет новый флагманский смартфон Nokia 9 PureView, который получит целых пять камер. Для чего они все будут нужны? Пока не ясно. А еще в 2019 в смартфонах начнут использовать специальные сенсоры типа 3D Time-of-flight, которые с помощью измерения скорости движения света к объекту и обратно позволяют вычислить глубину его расположения в кадре. Эти сенсоры в сочетании с традиционными должны сделать фото еще более реалистичными и детальными.
Как же выбрать смартфон, который снимает фото и видео лучше остальных? Раньше основным советом было «не ведитесь на количество мегапикселей», а теперь к нему добавляется еще и «не ведитесь на количество камер». Главное — результат, так что просто оцените его по обзорам специалистов. Например, той же лаборатории DxOMark.
Зачем смартфону много камер
Содержание
Содержание
В сентябре 2016 года мир увидел iPhone 7 plus со сдвоенной камерой — возможно, не первый, но наиболее известный двухкамерный смартфон того времени. С того момента многие узнали, что в смартфоне может быть не одна фронтальная камера. Сегодня, похоже, двух уже недостаточно: производители выпускают модели с тремя-четырьмя камерами, и это считается нормальным. Попробуем разобраться, почему смартфон с одной камерой уже не в тренде.
Ха-ха, одноглазый!
Одну фронтальную камеру ставят и в ультрабюджетные, и в достаточно продвинутые модели. Разница в качестве самого сенсора (матрицы) и объектива (оптики). Если с сенсором можно «поиграть» мегапикселями, то с оптикой производители особо не экспериментируют — объектив камеры делается универсальным и с достаточным углом обзора, чтобы вам не приходилось отходить подальше для съемки, например, группы людей. Независимо от стоимости материалов, сложности оптической конструкции, вы увидите ожидаемую картинку — это «нормальный объектив».
Нормальный он потому, что привычный. Широкоугольные объективы захватывают больше объектов в кадре, но дают серьезные искажения по краям. Телеобъективы приближают изображение, но за счет длинного фокусного расстояния не могут нормально сфокусироваться при съемке с коротких дистанций. Поэтому в смартфонах используется универсальная оптика: недостаточно широкая, недостаточно дальнобойная, но покрывающая большинство потребностей.
Но даже большое количество мегапикселей не спасает, когда пользователь пытается сфотографировать что-то вдалеке. Цифровой зум приближает объект, но картинка резко теряет в детализации и качестве даже с учетом программной стабилизации на самых крутых сенсорах. Просто объектив выдает слишком широкую картинку, и для приближения объекта приходится очень сильно «зумить».
Смотри в оба!
Вторая камера в нашумевшем iPhone 7 plus — это телеобъектив, который видит все в два раза ближе, чем первый. Его применение позволило приближать картинку с меньшей потерей качества — классический цифровой зум срабатывает позже. Появилось понятие «гибридного зума», когда цифровое приближение основной камеры используется совместно с изображением от второго объектива.
Но преимущество двух объективов не только в приближении. При обработке стерео-картинки с двух объективов появилась возможность составлять так называемую «карту глубины», то есть определять, какие объекты в кадре расположены ближе, а какие — дальше. Для этого проекции с двух объективов попиксельно сравниваются в реальном времени — ресурсоемкая задача даже для флагманской модели. Полученная карта глубины используется для создания искусственного размытия заднего фона в портретных и предметных снимках — эффекта боке.
Вторая камера обычно не блещет мегапикселями, особенно в среднем ценовом диапазоне и ниже,— она используется как вспомогательная зум-камера и камера глубины. Например, у Sony Xperia 10 Plus за двукратное оптическое приближение отвечает камера на 8 Мп. А в Honor View 20 за глубину и вовсе отвечает сенсор на 5Мп.
В общем, вторая камера — это либо простейший сенсор глубины, либо телеобъектив с функцией замера глубины.
Третьим будешь?
Если вторая камера обычно используется для приближения, то третья, наоборот, расширяет угол обзора и фиксирует в кадре то, что не попадает в основной объектив. Такую камеру называют широкоугольной. Она подходит для съемки ландшафта, архитектурных сооружений, большой группы людей и, за счет короткого фокусного расстояния, неплохо работает в макро-режиме.
Данные с широкоугольного объектива также могут использоваться и для стабилизации видео, как это реализовано, например, в Samsung Galaxy S10.
Систему из трех объективов — широкоугольного, штатного и телеобъектива — можно считать универсальным набором фотографа. Штатная камера на все случаи жизни дополняется еще двумя: «ширик» спасет, если объект не входит в кадр, а «телевик» — если объект слишком далеко. С таким смартфоном не придется ни отходить назад, ни подходить ближе.
Но третья камера не всегда предназначена для широкоугольной съемки. Например, в Huawei P20 Pro под третьим зрачком прячется монохромный сенсор матрицы, для съемок в «аппаратном» ЧБ и получения большего количества деталей.
Три камеры и можно бы остановиться, но нет.
Дважды два — четыре!
Аппаратов с четырьмя камерами мало. Четвертая — и не камера обычно, а вспомогательный сенсор глубины. Он часто даже рядом не стоит с основным блоком камер ни по параметрам, ни буквально.
Но есть исключения. У Honor 20 Рroза четвертым глазком прячется отдельная макро-камера.
А в Samsung Galaxy Note 10+ рядом с блоком трех объективов есть сенсор времяпролетной камеры — он замеряет скорость возврата отраженного светового импульса. Это почти как сенсор глубины, но гораздо более точный — погрешность всего пара миллиметров. Когда-нибудь такие камеры позволят делать не просто фотографию, а 3D-модель. Пока же они используются в экспериментах с дополненной реальностью и для разблокировки устройства по лицу владельца.
Идем на рекорд!
Если не учитывать экспериментальные и выставочные образцы, то среди многокамерных смартфонов, которые можно пойти и купить, лидером становится Nokia 9PureView — пять камер! Впрочем, только две снимают в цвете, а оставшиеся три — монохромные. Помимо настоящего, аппаратного режима съемки в ЧБ, эти сенсоры используются для фиксации мельчайших теней и бликов на сложных текстурах. В результате фотография получается глубокой и детализированной. А настройки фокуса можно изменить уже на готовом снимке.
Здесь работу камеры можно сравнивать с профессиональной фотографией в RAW, но такие функции глубокой настройки нужны далеко не всем.
Так сколько нужно камер для счастья?
Если не впадать в крайности, то смартфон с тремя камерами сможет и «объять необъятное» в кадре и качественно приблизить «журавля в небе». При этом даже «разнопиксельные» конфигурации сенсоров дадут неплохой результат.
Если нравится фотографировать людей и играть с перспективой, а пейзажи и архитектура не вызывают трепета — модели с двумя камерами выдадут неплохие портреты с размытием фона и обеспечат качественное приближение картинки.
Когда нет желания возиться с настройками, режимами и эффектами, однокамерные модели предпочтительнее.
Почему даже 10 камер пойдут смартфону на пользу
Во-первых, это дёшево
Прежде всего, стоит отметить, что количество камер сегодня можно наращивать практически бесконечно. Прошло то время, когда камера была чуть ли не самой дорогой деталью смартфона. Как и то, когда лучшими камерофонами были строго дорогие флагманы. Сегодня камера – вполне обыденный и довольно дешёвый компонент. Даже если речь о качественном модуле.
Камера как дополнительный аксессуар для телефона среднего класса Siemens C62 (2003 г.)
Так что, можно не беспокоиться что много камер нормального качества экстремально удорожают смартфон, поэтому его можно фаршировать камерами и сохранять нормальную цену. Но нужно ли?
Окончательная победа над «мыльницами»
Чтобы ответить на этот вопрос, нужно сравнить смартфоны с обычными цифровыми фотоаппаратами-мыльницами. Да, мы в курсе, что такие фотоаппараты уже почти никто не покупает – и в этом виноваты смартфоны. Качество съёмки на мобильник сегодня не хуже, а то и лучше, чем у мыльниц. При этом, телефон – это, считай, «обязательный» гаджет, а фотоаппарат – дополнительный. А это и дополнительные деньги, и дополнительное место в ручной клади.
Но всегда оставалась одна деталь, в которой смартфоны всё-таки проигрывали «мыльницам». И это – оптический зум. Да, широкоугольного объектива, типичного для смартфонов, хватает в большинстве случаев. Только вот для портретов он уже не очень годится, а иногда нужно банально приблизить изображение. И что делать?
В разное время производители телефонов пробовали разные методы. Это и цифровой зум – актуальный, впрочем, и до сих пор, при котором картинка «кропается» (вырезается по центру) и потом растягивается до исходного разрешения с использованием разных хитрых алгоритмов. Это и попытки встроить громоздкую оптику в сам смартфон. И навесные объективы для мобильников.
Компактная (относительно) камера в ASUS ZenFone Zoom с 3-кратным оптическим увеличением
Но все эти методы можно считать лишь «костылями», а не адекватным решением проблемы. Цифровой зум, как ни крути, портит изображение. Даже если нейросети научатся адекватно увеличивать разрешение картинки, всё равно полноразмерные снимки будут выглядеть лучше – те же нейросети смогут обработать качественные фото в очень качественные и повысить их резкость до уровня дорогого объектива на полнокадровом профессиональном фотоаппарате.
Оптический зум в смартфоне нежелателен по другой причине – габариты. То есть, либо нужно делать смартфон существенно толще (или чтобы объектив сильно выступал – как у Galaxy Camera), либо качество оптической системы будет низким.
Впрочем, хуже всего всё равно остаются навесные объективы. Во-первых, оптические схемы смартфонов изначально не рассчитаны, что там снаружи ещё что-то будет приставлено. Во-вторых, приличный объектив должен быть дорогим, но кто ж его тогда купит? В-третьих, навесные объективы убивают всю суть мобилографии – с ними постоянная возня (надеть-снять), они делают смартфоны огромными и неудобными в использовании. И вот получается, что качество снимков – крайне низкое (страдают резкость, цветопередача, геометрия, появляются хроматические аберрации и виньетирование), а выигрыша в моментальной съёмке «прям везде» уже нет, и потому проще уж взять фотоаппарат.
Больше камер
Так что, выход остаётся один – и он прост как всё гениальное. Надо просто сделать смартфон с несколькими камерами, и у объектива каждой камеры будет своё назначение, своё фокусное расстояние. Но какое?
Возьмём довольно популярный до сих пор iPhone 7 Plus. У него есть обычная широкоугольная камера, и вторая – фокусное расстояние которой примерно в два раза больше. Получается что-то вроде портретного объектива.
Размытие с двойной камерой iPhone 7 Plus
А вот у LG G5 хотя тоже две камеры, однако дополнительная камера, напротив, имеет ещё более широкий угол – для сверхширокоугольных снимков. И, ведь, действительно крутые снимки получаются! Вот только в LG G5 не хватало «портретника», а в айфоне – сверхширика. Вывод? Нужны три камеры!
Стандартная и широкоформатная камеры в LG G5
А что если ещё и макро сделать? Настоящее макро, а не просто близкую съёмку? Даёшь четыре камеры. А телевик с фокусным расстоянием побольше – чтобы прям зум? Пять камер.
5-кратный зум в Huawei P20 Pro с тремя тыловыми камерами
Впрочем, различные фокусные расстояния – не единственная причина появления нескольких модулей. Габариты смартфонов накладывают ограничения не только на механику внутри (необходимую для зума), но и на физический размер сенсора (матрицы). А чем меньше сенсор – тем меньше света он получает, тем хуже снимки при плохом освещении. При этом, сегодня от смартфонов требуют идеально снимать ночью с рук, тогда как даже для профессиональной техники ещё несколько лет назад это было невыполнимо. Штатив, длинная выдержка – только так. Но на смартфонах не до этой возни.
Что если несколько камер будут «помогать» друг другу избавляться от лишних шумов? Например, сделаем одну камеру чёрно-белой – пусть она, подобно палочкам в наших глазах, лучше ловит свет, но не цвет. А другая камера будет обычной, цветной. Совмещая снимки с обеих получим цветную фотографию с высокой резкостью и минимумом шумов – так сделала Huawei в модели P9.
Чёрно-белая камера помогает «вытягивать» качество ночного фото в Huawei P9 в сравнении с iPhone 6s
Где ещё пригодится несколько камер? Например, для увеличения разрешения (количества точек) фотографии. Для создания классной цветопередачи в HDR с максимально короткой выдержкой (чтобы не получить смазы на фото). В конце концов, для получения объёма – и тут дело не только в 3D, в которое все уже наигрались и забыли (поначалу двойные камеры появились именно ради создания 3D-снимков), а в том же отделении фона от объекта с последующим размытием фона. Или для распознавания объектов, для нужд дополненной реальности (AR). Короче, много для чего.
Четыре камеры в Samsung Galaxy A9 (2018)
Это не исключает того, что некоторые производители, намекая на всё вышеперечисленное, будут просто делать смартфоны с кучей камер только ради их количества. При этом, да, в отдельно взятых случаях смартфон с меньшим количеством камер или вообще с одной, но дорогущей, может выполнять, в том числе, описанные выше эффекты даже с большим качеством, чем дешёвый смартфон с несколькими камерами.
Тем не менее, и об этом, как мы уже сказали выше, беспокоиться не стоит – больше камер не делают смартфон существенно дороже. Камеры нынче стоят буквально копейки, и вся основная магия уже давно происходит внутри самого смартфона на уровне прошивки и алгоритмов. Поэтому, кстати, смартфоны Sony по сравнению с конкурентами на тех же матрицах (производства, как ни странно, именно Sony) показывают качество фото хуже. Просто программисты мобильного подразделения Sony не очень ладят с обработкой фото. Что тоже странно, ведь, фотоаппараты у Sony одни из лучших, а про видео мы вообще молчим.
В грядущей флагманской Nokia 9 ожидаем сразу 5 тыловых камер