智能手机摄像头如何工作？

»Kateri procesor ima tvoj telefon? Koliko prostora ima? Koliko RAM-a?« Tako smo včasih primerjali telefone, danes pa so bolj pogosta vprašanja: »Kako dobre kamere ima tvoj telefon? Kako dobro fotografira in snema ponoči?« Pri testiranju telefonov so vsi, vključno s preizkuševalci, in mednje sodimo tudi mi v uredništvu, najbolj pozorni na kamere in šele nato na splošno zmogljivost telefona. Ker je okoli kamer kar nekaj neznank in veliko strokovne terminologije (zaslonka, senzorji, objektivi, ostrenje …), je morda čas, da razblinimo nekaj megle okoli njihovega delovanja.

Vse se vrti okoli svetlobe

Presenetljivo (ali pa tudi ne) je, koliko vzporednic lahko naredimo med kamero in našim očesom. V temnih prostorih so oči in kamere slepe. Če želimo zabeležiti sliko, potrebujemo svetlobo. A svetloba je pogosto razpršena v vse smeri. Naše oči imajo leče, ki usmerjajo svetlobo na mrežnico. Tudi kamere na naših telefonih imajo leče/objektive, ki zajemajo in zapisujejo svetlobne informacije.

Svetloba pa lahko fotografiji tudi škoduje, kar je najbolj očitno pri analognih fotoaparatih, pri katerih uporabljamo fotografski film. (Pre)dolga izpostavljenost svetlobi lahko uniči vsebino filma. Iznajdba zaslonke je rešila to zagato. Zaslonka je pri analognih fotoaparatih fizični mehanizem, ki se hitro odpira in zapira ter tako nadzoruje količino svetlobe, ki prispe do filma. Podobno funkcijo imajo očesne veke.

Na telefonih ni fizične zaslonke, čeprav ob zajemu fotografije slišite tisti značilen zvok »klika«. To je le zvočni učinek. Telefon dajte na tihi način in zvok bo izginil. Namesto fizičnih zaslonk kamere na telefonih uporabljajo elektronsko zaslonko, ki ima enako funkcijo, a vse skupaj opravi z algoritmi in ne s fizičnim premikanjem. Nekateri pametni telefoni, kot na primer Huawei Mate 50 Pro, pa imajo kamero s fizično zaslonko, ki jo lahko premikamo med prednastavljenimi položaji.

Film še ni šel v pozabo. Še vedno je v uporabi med hobijisti, profesionalnimi fotografi in tudi v filmski industriji. Drugje pa so ga nadomestili senzorji.

Zakaj imajo mobilni telefoni več različnih objektivov?

Zagotovo ste že kdaj opazovali profesionalnega fotografa, ki je na fotoaparatu menjal leče glede na prizor pred njim. Telefoni so strogo tehnično gledano tega zmožni, kot je dokazal Xiaomi s konceptnim telefonom Xiaomi 12S Ultra Concept, a je skrajno nepraktično, poleg tega pa se pojavijo nove ovire, kot na primer težave z vzdržljivostjo, vodoodpornostjo, visoko ceno in podobno. Proizvajalci so zato kot rešitev predlagali več različnih kamer – vsako s svojim specifičnim objektivom, med katerimi lahko znotraj aplikacije za kamero enostavno preklapljamo glede na potrebe. Danes kamere v telefonih v večini delujejo na ta način.

Če pogledate na hrbtno stran svojega telefona, boste opazili dve, tri ali celo štiri objektive ter enega na zaslonu spredaj. Vsak nudi drugačen zorni kot, globino in svoje edinstvene funkcije. Glavni objektiv je razumljivo vedno prisoten. Ultraširoka kamera je prav tako bolj ali manj na mobilnih telefonih stalnica. V nižjem razredu pogosto najdemo makro kamero, v premijskih telefonih pa teleobjektiv in periskopski teleobjektiv, kot ga ima na primer Samsung Galaxy S23 Ultra.

Kaj je naloga objektiva?

Zaslonka, objektiv in slikovni senzor so tesno povezani. Zaslonka je odprtina, ki jo lahko fizično vidite na objektivu kamere. Kot rečeno zaslonka nadzira, koliko svetlobe bo prišlo do objektiva in senzorja. Splošno pravilo je, da je večja zaslonka boljša, ker to pomeni, da lahko kamera uporabi več svetlobnih informacij. Ni pa to nujno najboljši pokazatelj kakovost fotografije.

Če pogledate specifikacije svojega telefona, boste pri kamerah opazili oznako za stopnje »f«. Te stopnje so razmerje med goriščno razdaljo in fizičnim premerom zaslonke. Manjša kot je ta številka, širša je zaslonka. Na primer, vivo X90 Pro ima glavni objektiv z zaslonko f/1,8 in goriščno razdaljo 23 mm, telefoto objektiv s f/1,6 (50 mm) in tako naprej.

Z goriščno razdaljo boste težko primerjali zmogljivost kamer na telefonih. Goriščna razdalja je izredno pomembna, ampak za ustvarjanje različne estetike in vizualnih učinkov. Krajša goriščna razdalja je namenjena širokokotni perspektivi – predmeti v bližini izpadejo večji. Daljša goriščna razdalja pa na primer ustvari bolj sorazmerno in nevtralno fotografijo.

Ko svetloba vstopi v modul kamere, objektiv zbere vhodno svetlobo iz posnetka in jo usmeri na senzor. Kamere pametnih telefonov so sestavljene iz številnih plastičnih leč, imenovanih elementi. Zaradi narave svetlobe se različne valovne dolžine svetlobe (barve) pri prehodu skozi lečo lomijo (upognejo) pod različnimi koti. To pomeni, da se barve iz vašega prizora projicirajo na senzor fotoaparata neporavnano. Fotoaparati potrebujejo več leč za prenos jasne slike na senzor brez morebitnih nepravilnosti, kot je na primer neporavnanost in drugi učinki.

Kako deluje ostrenje na kamerah pametnih telefonov?

Ostrenje ironično ni fokus uporabnika, ker to običajno nadzirajo same kamere. Do določene mere lahko ostrenje prilagajamo ročno (odvisno od telefona), v večini primerov pa programska oprema opravi delo tako dobro, da je ročno poseganje nepotrebno. Kamere na mobilnih telefonih za ostrenje uporabljajo namenski senzor in/ali dodatno strojno opremo, kot je laserski daljinomer.

Programsko samodejno ostrenje uporablja podatke iz slikovnega senzorja, da ugotovi, ali je slika izostrena, in prilagodi objektive za morebitno kompenzacijo. Običajna tehnika pasivnega samodejnega ostrenja temelji na zaznavanju kontrasta slike in prilagajanju ostrine, dokler ta ni največja. Ta metoda v celoti temelji na programski opremi, zaradi česar je najcenejša možnost. Vendar je proces počasnejši in v slabih svetlobnih pogojih ne deluje tako dobro.

Novejši telefoni uporabljajo samodejno ostrenje s faznim zaznavanjem (PDAF), ki je hitrejše in bolj natančno. Pojdite na specifikacije najnovejšega iPhona 15 Pro Max in pri kamerah boste opazili oznako PDAF. Slednja zagotavlja, da enaka količina svetlobe doseže dve tesno postavljeni tipali na slikovnem senzorju. Klasični PDAF sistemi se za merjenje svetlobe, ki prihaja z leve ali desne strani objektiva, zanašajo na t. i. namenska slikovna mesta (angl. photosites) na slikovnem senzorju. Če slikovna mesta na desni strani zabeležijo enako jakost svetlobe kot levo ležeča mesta, je slika izostrena. Če jakost ni enaka, lahko sistem izračuna, koliko mora kompenzirati za izostreno sliko, kar je veliko hitrejše od sistemov, ki se zanašajo na zaznavanje kontrasta.

Starejši PDAF sistemi uporabljajo le nekaj odstotkov vseh slikovnih mest, novejši, kot na primer pri Galaxy S23 Ultra, pa uporabljajo vseh 100 odstotkov. Za ostrenje poleg levih in desnih slikovnih mest uporabljajo še slikovna mesta zgoraj in spodaj.

Telefoni iPhone imajo že dalj časa namenski LiDAR senzor, ki izboljša ostrenje, globinsko prepoznavanje, nočno slikanje in je priročen za aplikacije razširljive resničnosti (AR).

Kaj je slikovni senzor?

Senzor je v bistvu le silicijeva rezina, od katere pa je odvisno marsikaj. Senzor sprejme svetlobo in jo pretvori v električne signale. Senzor ima lahko več milijonov slikovnih mest. Kako lahko to ugotovite? Če boste opazili 100 ali 200 MP kamero, to pomeni, da ima dotičen senzor 100 ali celo 200 milijonov slikovnih mest. V primeru, da svetloba iz objektiva ne doseže slikovnega mesta, senzor to slikovno mesto zabeleži kot črno. Če slikovno mesto doseže ogromno svetlobe, jo senzor zabeleži kot belo. Odtenki sive, ki jih senzor lahko registrira, se imenujejo bitna globina.

Večina telefonov ima 8-bitno globino, nekateri pa premorejo že 10-bitno. Za primerjavo, 8-bitna globina pomeni, da lahko kamera za vsak primarni barvni kanal, ki se uporablja za mešanje barvnega spektra (rdeča, zelena in modra), zajame 256 odtenkov. To je 256 odtenkov rdeče, zelene in modre. Skupno je to 16,7 milijona možnih barvnih odtenkov. 10-bitne kamere lahko zajamejo več kot milijardo odtenkov.

Kako kamera zajame barvno fotografijo? Vsako slikovno mesto ima barvni filter, ki prepušča le določene barve. Z redkimi izjemami, kot so Huawei telefoni, ki uporabljajo RYYB (rumeni namesto zelenih filtrov), je najpogosteje uporabljen Bayerjev niz barvnih filtrov, ki razdeli vsak kvadrat (2×2) slikovnega mesta na rdeč, moder in dva zelena filtra (RGGB).

Običajno bo kamera, ki deluje z nizom Bayerjevih filtrov, izračunala vsoto vseh teh barvnih podatkov v eno vrednost, vendar pri združevanju slikovnih pik (angl. pixel binning) to ne deluje. Proizvajalci so potrebovali način za zbiranje vsake barve posebej.

V ta namen so zasnovali tako imenovani quad-Bayerjev niz, kjer je vsaki skupini slikovnih pik (2×2) dodeljena ena barva. Štiri od teh so nato združene skupaj – podobno kot prvotni niz Bayerjevih filtrov: 2x zeleni, 1x modri, 1x rdeči.

Nov niz proizvajalcem pametnih telefonov ne omogoča samo ohranjanja barvnih podatkov v procesu združevanja slikovnih pik, temveč jim je omogočil tudi uvedbo drugih inovativnih funkcij, kot je način HDR.

Vrnimo se k senzorjem. Pri senzorjih je potrebno biti pozoren na njihovo velikost in velikost samih slikovnih pik. Večji senzorji lahko zajamejo boljše fotografije, ker imajo več slikovnih mest, ki so tudi večja. Pred kratkim so pametni telefoni oziroma njihove kamere vstopile v 1-palčni svet. Xiaomi 13 Pro in vivo X90 Pro sta na primer med prvimi, ki sta vgradila 1-palčne senzorje.

Slikovne pike merimo v mikrometrih (µm). Večje slikovne pike lahko absorbirajo več svetlobe, kar je dobro za nočno fotografiranje. Naj vas ne skrbi, če ima vaš telefon manjše piksle kot drugi telefoni. Izven nočne fotografije bo lahko vseeno dostavil dobre rezultate. Tudi najboljši Samsung telefoni se soočajo z manjšimi slikovnimi pikami. Galaxy S23 Ultra ima senzor z 200 MP, posledično so slikovne pike velikosti 0,6 µm, iPhone 15 Pro Max ima senzor z 48 MP in slikovnimi pikami velikosti 1,22 µm. Proizvajalci so zato začeli uporabljati tehnologijo združevanja pik (pixel binning). Galaxy S23 Ultra združuje 16 pik v eno za zajem fotografij končne ločljivosti 12 MP.

Optična in elektronska stabilizacija

Za zajem dobrih fotografij in posnetkov je pomembna tudi stabilizacija: optična ali elektronska.

OIS je strojna rešitev, ki uporablja žiroskop mikroelektromehanskega sistema (MEMS) za zaznavanje gibanja in ustrezno prilagoditev sistema kamere. Primer: če držite pametni telefon in se vaša roka premakne rahlo v levo, bo sistem OIS to zaznal in premaknil kamero nekoliko v desno. To je še posebej pomembno pri nočni fotografiji, ko kamera potrebuje dlje časa za zajem svetlobe, v tem času pa lahko tresljaji vplivajo na kakovost fotografije.

Elektronska stabilizacija slike (EIS) se pri zaznavanju gibanja opira na merilnik pospeška telefona. Namesto premikanja delov kamere premika okvirje slike ali osvetlitve. Ker so osvetlitve poravnane na podlagi vsebine slike in ne okvirja slikovnega tipala, ima končna slika ali video posnetek zmanjšano ločljivost.

Kaj postori programska oprema?

Ko slikovni senzor svetlobo pretvori v električne signale, je naloga slikovnega signalnega procesorja (ISP), da te številke pretvori v sliko. Podatki v električnih signalih so v bistvu črno-bela slika. ISP mora najprej povrniti barvne podatke na podlagi niza barvnih filtrov (Bayer ali kaj drugega). Tako se ustvari slika, vendar so slikovne pike različne intenzivnosti rdeče, zelene ali modre. Sledi barvna rekonstrukcija, pri kateri ISP spreminja barve slikovnih pik glede na barve sosednjih pik. Če je na primer na določenem območju veliko zelenih in rdečih slikovnih pik ter zelo malo modrih, jih algoritmi barvne rekonstrukcije pretvorijo v rumene.

ISP ima tudi algoritme za odstranjevanje šuma in ostrenje po opravljeni barvni rekonstrukciji. Vsak telefon ima potem še svoje specifične algoritme za izdelavo končne fotografije.

Naslednjič, ko boste v roke prijeli telefon, vklopili kamero in zajeli fotografijo, boste vedeli, kaj vse se je med tem časom dogajalo v ozadju. Vas morda zanima, kako delujejo pametne ure oziroma njihovi senzorji?