Kako rade kamere pametnog telefona?

„Koji procesor ima vaš telefon? Koliko prostora ima? Koliko RAM-a?" Tako smo nekada uspoređivali telefone, ali danas su češća pitanja: "Koliko su dobre kamere vašeg telefona? Koliko dobro snima fotografije i videa po noći?“ Kod testiranja telefona svi, pa tako i mi u redakciji, najviše pažnje obraćamo na kamere, a tek onda na ukupne performanse telefona. Budući da postoji dosta nepoznanica i puno tehničke terminologije oko kamera (zaslon, senzori, leće, fokus...), možda je vrijeme da rastjeramo dio magle oko njihovog rada.

Sve se vrti oko svjetla

Iznenađujuće je (ili ne) koliko paralela možemo napraviti između kamere i našeg oka. U mračnim sobama oči i kamere su slijepi. Za snimanje slike potrebna nam je svjetlost. Ali svjetlost je često raspršena na sve strane. Naše oči imaju leće koje usmjeravaju svjetlost na mrežnicu. Čak i kamere na našim telefonima imaju leće koje hvataju i snimaju svjetlosne informacije.

Svjetlo također može štetiti fotografiji, što je najočitije kod analognih fotoaparata koji koriste fotografski film. (Pre)dugo izlaganje svjetlu može uništiti sadržaj filma. Izum otvora blende riješio je ovu zagonetku. U analognim kamerama, zatvarač je fizički mehanizam koji se brzo otvara i zatvara kako bi kontrolirao količinu svjetlosti koja dopire do filma. Sličnu funkciju imaju i kapci.

Na telefonima nema fizičkog zatvarača, iako se čuje onaj karakterističan "klik" zvuk kada fotografirate. To je samo zvučni efekt. Stavite telefon na nečujni način rada i zvuk će nestati. Umjesto fizičkih zatvarača, kamere na telefonima koriste elektronički zatvarač koji ima istu funkciju, ali sve radi pomoću algoritama, a ne fizičkog pokreta. Neki pametni telefoni, poput Huawei Mate 50 Pro, imaju kameru s fizičkim otvorom blende koji se može pomicati između unaprijed postavljenih položaja.

Film još nije zaboravljen. Još uvijek se koristi među hobistima, profesionalnim fotografima, pa čak iu filmskoj industriji. Drugdje su ga zamijenili senzori.

Zašto mobilni telefoni imaju različite leće?

Vjerojatno ste gledali profesionalnog fotografa kako mijenja objektive na fotoaparatu ovisno o prizoru ispred sebe. Telefoni su tehnički sposobni za to, što je pokazao Xiaomi s telefonom Xiaomi 12S Ultra Concept, no to je krajnje nepraktično, a pojavljuju se i nove prepreke poput problema s izdržljivošću, vodootpornosti, visoke cijene i slično. Proizvođači su stoga kao rješenje predložili nekoliko različitih kamera - svaka sa svojim specifičnim objektivom, među kojima se lako možemo prebacivati prema potrebama unutar aplikacije kamere. Danas većina telefonskih kamera radi na ovaj način.

Ako pogledate stražnju stranu svog telefona, primijetit ćete dvije, tri ili čak četiri leće i jednu na prednjem zaslonu. Svaki nudi drugačiju perspektivu, dubinu i vlastite jedinstvene karakteristike. Glavna leća je razumljivo uvijek prisutna. Ultraširoka kamera također je više-manje konstanta na mobitelima. U nižoj klasi često nalazimo makro kameru, dok premium telefoni imaju teleobjektiv i periskopski teleobjektiv, kao što je Samsung Galaxy S23 Ultra.

Koja je funkcija leće?

Otvor blende, leća i senzor slike usko su povezani. Otvor blende je otvor koji možete fizički vidjeti na leći fotoaparata. Kao što je spomenuto, otvor blende kontrolira koliko će svjetla doći do objektiva i senzora. Općenito je pravilo da je veći otvor blende bolji jer to znači da fotoaparat može koristiti više informacija o svjetlu. Međutim, to nije nužno najbolji pokazatelj kvalitete fotografije.

Ako pogledate specifikacije svog telefona, primijetit ćete ocjenu "f" za kamere. Ovi stupnjevi su omjer žarišne duljine i fizičkog promjera otvora. Što je ovaj broj manji, to je otvor blende veći. Na primjer, vivo X90 Pro ima f/1.8 glavnu leću sa žarišnom duljinom od 23 mm, sf/1.6 (50 mm) telefoto leću i tako dalje.

Teško ćete uspoređivati performanse telefonskih kamera sa žarišnom duljinom. Žarišna duljina iznimno je važna, ali za stvaranje različitih estetika i vizualnih efekata. Kraća žarišna duljina namijenjena je širokokutnoj perspektivi - objekti u blizini izgledaju veći. Veća žarišna duljina, na primjer, stvara proporcionalniju i neutralniju fotografiju.

Kako svjetlost ulazi u modul kamere, leća prikuplja ulaznu svjetlost iz snimke i usmjerava je na senzor. Kamere pametnih telefona sastoje se od mnogih plastičnih leća koje nazivamo elementima. Zbog prirode svjetlosti, različite valne duljine svjetlosti (boje) se lome (savijaju) pod različitim kutovima kada prolaze kroz leću. To znači da se boje iz vaše scene projiciraju na senzor kamere izvan poravnanja. Fotoaparati trebaju više leća za prijenos jasne slike na senzor bez mogućih nepravilnosti poput neusklađenosti i drugih učinaka.

Kako fokus funkcionira na kamerama pametnih telefona?

Ironično, fokusiranje nije fokus korisnika jer ga obično kontroliraju same kamere. Donekle se fokus može podešavati ručno (ovisno o telefonu), ali u većini slučajeva softver toliko dobro odradi posao da je ručna intervencija nepotrebna. Kamere mobilnih telefona za fokusiranje koriste namjenski senzor i/ili dodatni hardver kao što je laserski daljinomjer.

Softversko automatsko fokusiranje koristi podatke sa senzora slike kako bi utvrdilo je li slika u fokusu i prilagođava leće za kompenzaciju. Uobičajena tehnika pasivnog autofokusa temelji se na otkrivanju kontrasta slike i podešavanju fokusa dok ne bude maksimum. Ova se metoda u potpunosti temelji na softveru, što je čini najjeftinijom opcijom. Međutim, proces je sporiji i ne radi tako dobro u uvjetima slabog osvjetljenja.

Noviji telefoni koriste autofokus s detekcijom faze (PDAF), koji je brži i precizniji. Idite na specifikacije najnovijeg iPhonea 15 Pro Max i primijetit ćete PDAF oznaku na kamerama. Potonji osigurava da ista količina svjetlosti dopre do dva blisko postavljena senzora na senzoru slike. Klasični PDAF sustavi oslanjaju se na ove namjenske fotostranice na senzoru slike za mjerenje svjetlosti koja dolazi s lijeve ili desne strane leće. Ako točke na slici s desne strane registriraju isti intenzitet svjetla kao i točke s lijeve strane, slika je u fokusu. Ako intenzitet nije isti, sustav može izračunati koliko mu je potrebno za kompenzaciju oštre slike, što je puno brže od sustava koji se oslanjaju na detekciju kontrasta.

Stariji PDAF sustavi koriste samo nekoliko posto svih stranica sa slikama, dok noviji, poput Galaxy S23 Ultra, koriste svih 100 posto. Osim lijeve i desne točke slike, gornja i donja točka slike također se koriste za fokusiranje.

iPhone uređaji već dugo imaju namjenski LiDAR senzor koji poboljšava fokus, percepciju dubine, noćnu sliku i zgodan je za aplikacije proširene stvarnosti (AR).

Što je senzor slike?

Senzor je u biti samo silicijska pločica, o kojoj puno ovisi. Senzor prima svjetlost i pretvara je u električne signale. Senzor može imati nekoliko milijuna piksela. Kako to možete saznati? Ako vidite kameru od 100 ili 200 MP, to znači da dotični senzor ima 100 ili čak 200 megapiksela. Ako svjetlost iz leće ne dopre do točke slike, senzor registrira ovu točku slike kao crnu. Ako točka slike prima puno svjetla, senzor je bilježi kao bijelu. Nijanse sive koje senzor može registrirati nazivaju se dubinom bita.

Većina telefona ima 8-bitnu dubinu, ali neki imaju 10-bitnu dubinu. Za usporedbu, 8-bitna dubina znači da kamera može uhvatiti 256 nijansi za svaki kanal primarne boje koji se koristi za miješanje spektra boja (crvena, zelena i plava). To je 256 nijansi crvene, zelene i plave. Ukupno je to 16,7 milijuna mogućih nijansi boja. 10-bitne kamere mogu uhvatiti više od milijardu nijansi.

Kako fotoaparat snima fotografiju u boji? Svaka točka slike ima filtar boja koji propušta samo određene boje. Uz rijetke iznimke, kao što su telefoni Huawei koji koriste RYYB (žuti umjesto zelenih filtara), najčešće se koristi Bayerov niz filtara u boji koji svaki kvadrat (2×2) točke slike dijeli na crvenu, plavu i dvije zeleni filteri (RGGB).

Obično će kamera koja pokreće skup Bayerovih filtara zbrojiti sve te podatke o boji u jednu vrijednost, ali združivanje piksela to ne čini. Proizvođačima je trebao način prikupljanja svake boje zasebno.

U tu svrhu dizajnirali su takozvani quad-Bayerov niz, gdje je svakoj grupi piksela (2×2) dodijeljena jedna boja. Četiri od njih se zatim kombiniraju zajedno - slično originalnom skupu Bayerovih filtera: 2x zeleni, 1x plavi, 1x crveni.

Novi set ne samo da omogućuje proizvođačima pametnih telefona da sačuvaju podatke o boji u procesu kombiniranja piksela, već im je također omogućio uvođenje drugih inovativnih značajki kao što je HDR način rada.

Vratimo se senzorima. Kod senzora je potrebno obratiti pažnju na njihovu veličinu i veličinu samih piksela. Veći senzori mogu snimiti bolje fotografije jer imaju više područja slike, koja su također veća. Nedavno su pametni telefoni i njihove kamere ušli u svijet od 1 inča. Na primjer, Xiaomi 13 Pro i vivo X90 Pro među prvima su ugradili senzore od 1 inča.

Pikseli se mjere u mikrometrima (µm). Veći pikseli mogu apsorbirati više svjetla, što je dobro za noćnu fotografiju. Ne brinite ako vaš telefon ima manje piksele od ostalih telefona. Izvan noćne fotografije, i dalje će moći dati dobre rezultate. Čak se i najbolji Samsung telefoni bore s manjim pikselima. Galaxy S23 Ultra ima senzor od 200 MP s pikselima od 0,6 µm, dok iPhone 15 Pro Max ima senzor od 48 MP s pikselima od 1,22 µm. Proizvođači su stoga počeli koristiti tehnologiju združivanja piksela. Galaxy S23 Ultra kombinira 16 piksela u jedan za snimanje fotografija u konačnoj rezoluciji od 12 MP.

Optička i elektronska stabilizacija

Za snimanje dobrih fotografija i videa važna je i stabilizacija: optička ili elektronička.

OIS je hardversko rješenje koje koristi žiroskop mikroelektromehaničkog sustava (MEMS) za otkrivanje pokreta i prilagođavanje sustava kamere u skladu s tim. Primjer: ako držite pametni telefon i ruka vam se lagano pomakne ulijevo, OIS sustav će to detektirati i pomaknuti kameru malo udesno. Ovo je posebno važno kod noćne fotografije, kada kameri treba dosta vremena da uhvati svjetlo, a za to vrijeme vibracije mogu utjecati na kvalitetu fotografije.

Elektronička stabilizacija slike (EIS) oslanja se na akcelerometar telefona za otkrivanje pokreta. Umjesto pomicanja dijelova kamere, ona pomiče okvire slike ili osvjetljenja. Budući da su ekspozicije usklađene na temelju sadržaja slike, a ne okvira senzora slike, konačna slika ili video imaju smanjenu rezoluciju.

Što softver radi?

Nakon što senzor slike pretvori svjetlo u električne signale, zadatak je procesora signala slike (ISP) pretvoriti te brojeve u sliku. Podaci u električnim signalima su u biti crno-bijela slika. ISP prvo mora vratiti podatke o boji na temelju skupa filtara za boju (Bayer ili nešto drugo). Ovo stvara sliku, ali pikseli su različitog intenziteta crvene, zelene ili plave. Nakon toga slijedi rekonstrukcija boja, gdje ISP mijenja boje piksela na temelju boja susjednih piksela. Na primjer, ako postoji mnogo zelenih i crvenih piksela i vrlo malo plavih piksela u određenom području, algoritmi za rekonstrukciju boja pretvaraju ih u žute.

ISP također ima algoritme za uklanjanje šuma i izoštravanje nakon što se izvrši rekonstrukcija boje. Svaki telefon zatim ima svoje specifične algoritme za izradu konačne fotografije.

Kad sljedeći put uzmete telefon u ruke, uključite kameru i snimite fotografiju, znat ćete što se za to vrijeme događalo u pozadini. Zanima li vas kako rade pametni satovi ili njihovi senzori?