Dlaczego i jak „większe piksele” robią lepszy obraz?

Wynika to z dzisiejszej zapowiedzi iPhone'a 5S, kiedy Phil Schiller powiedział, że „większe piksele” są kluczem do lepszego obrazu.

1. Co to znaczy?
2. Czy to prawda, czy tylko chwyt marketingowy?

Szybkie podsumowanie

Tak, większe piksele poprawiają wydajność, a wszystkie inne są równe, a Apple robi dobrze, koncentrując się na rozmiarze czujnika. Jednak w tym przypadku wzrost wielkości jest tak niewielki, że różnica będzie znikoma, prawdopodobnie nie osiągnie poziomu poprawy, którego można oczekiwać od ich marketingu.

Co oznaczają większe piksele?

Odnosi się to do wielkości fotodetektorów, które reprezentują piksele, na matrycy aparatu.

Krótko mówiąc, im więcej światła dociera do tych fotodetektorów, tym dokładniej mogą mierzyć poziomy światła, zmniejszając w ten sposób szum. Aby uprościć rzeczy, hałas jest zwykle czynnikiem przy fotografowaniu w słabym świetle lub w pomieszczeniach.

Istnieją dwa sposoby uzyskania większych fotodetektorów na czujniku:

1. Mają mniej pikseli.

2. Zwiększ czujnik.

Ten pierwszy jest kompromisem w stosunku do restrukturyzacji i uporządkowanej likwidacji, który może, ale nie musi, skutkować poprawą netto, podczas gdy ten drugi stanowi ogólny zysk. W iPhonie 5S wybrali ten drugi, co jest dobre.

Małe czujniki, takie jak te w telefonach komórkowych i aparatach kompaktowych, najbardziej cierpią z powodu małych pikseli, ponieważ dla tej samej liczby pikseli ich piksele muszą być znacznie, znacznie mniejsze niż w lustrzankach cyfrowych i innych profesjonalnych / prosumenckich aparatach.

Wyścig megapikselowy

Pragnienie wbijania coraz większej liczby pikseli w czujniki aparatu ma coraz mniejszy zwrot w rozdzielczości i zaczęło szkodzić - lub zaniedbywało - poprawę czułości małych czujników w telefonach komórkowych i aparatach kompaktowych.

Niestety wynikało to z mentalności, że „więcej pikseli = lepszy aparat”, ponieważ liczba megapikseli jest bardzo łatwa do wprowadzenia na rynek. W rzeczywistości malejące zwroty zapewniają, że im więcej pikseli dodasz, tym mniej ważne jest, aby dodać więcej, i dochodzimy do punktu, w którym wiele czujników, szczególnie te małe w telefonach komórkowych, nie może nawet rozwiązać wystarczającej rozdzielczości tak czy inaczej, aby uzasadnić liczbę megapikseli, ze względu na właściwości zastosowanego obiektywu i najostrzejszy obraz, jaki mogą wytworzyć na matrycy.

Postępy w technologii czujników, takie jak mikrosoczewki i tylne podświetlenie, a także bardziej zaawansowane algorytmy redukcji szumów, posunęły się w pewnym stopniu w kierunku nadrobienia utraconej czułości ze względu na zwiększoną liczbę pikseli w tak małym czujniku, ale niewystarczająco: dzisiejsze aparaty komórkowe są wciąż hałaśliwe w pomieszczeniu i przy słabym świetle ze względu na niewielki obszar gromadzenia światła.

Bardzo trudno jest sprzedawać swój aparat na podstawie czułości lub innych aspektów jakości obrazu, gdy liczba megapikseli pozostaje podstawową statystyką marketingową związaną z aparatami cyfrowymi, jakkolwiek wprowadzającą w błąd.

Dlaczego więc Apple sprzedaje to w ten sposób?

Niedoinformowana opinia publiczna nadal oczekuje, że jeśli aparat poprawi się, jego liczba megapikseli wzrośnie.

Apple wypuszcza jednak „lepszy” aparat w swoim telefonie, ale bez wzrostu liczby megapikseli.

Technicznie jest to dobry pomysł na jakość obrazu. Jednak trudno jest wyjaśnić ludziom, dlaczego tak jest, skoro zostali uwarunkowani przekonaniem, że liczba megapikseli jest podstawową miarą jakości obrazu.

Tak wprowadzony do obrotu aparat iPhone 5S jest próbą:

1. Odsuń marketing czujników aparatu od liczby pikseli na czułość i inne aspekty jakości.

2. Nie zwracaj uwagi na fakt, że liczba megapikseli, którą wiele osób nadal uważa za jakość obrazu, nie wzrosła.

Niestety nie są pierwszymi, którzy próbują tej samej rewolucji i nie będą ostatnimi. Mit megapikseli jest bardzo mocno zakorzeniony.

Uwaga: w odpowiedzi na niektóre komentarze poniżej definiuję „mit megapikseli” jako mit, że liczba pikseli jest głównym czynnikiem decydującym o jakości obrazu i że więcej pikseli jest zawsze lepszej jakości - nie ta liczba pikseli nie ma żadnej korzyści. Nieodłącznym elementem problemu megapikselowego mitu jest to, że odwraca on uwagę od ważnych statystyk, takich jak rozmiar czujnika, o którym praktycznie nigdy się nie mówi w przypadku telefonów komórkowych i aparatów kompaktowych.

Czy to prawda, czy jest to chwyt marketingowy?

Jest to technicznie prawdą, ale w tym przypadku różnica jest tak mała, że ​​jest nieznaczna.

Prawdą jest, że zachowanie tej samej liczby pikseli i powiększanie każdego z nich powoduje lepszą czułość - i tak właśnie zrobili. Powinno to skutkować niższym szumem (lub, jeśli w rezultacie kamera może korzystać z wyższych prędkości, być może mniej rozmycia ruchu w słabym świetle). Ich rzeczywiste twierdzenie, że „większe piksele = lepszy obraz” jest uproszczeniem tego i może potencjalnie zmylić ludzi z myślą, że ich zdjęcia na zewnątrz w świetle dziennym również mogą ulec poprawie, co nie jest prawdą. Ale w scenariuszach przy słabym świetle lepsza czułość przyniesie korzyści.

Jednak nie uczyniono ich znacznie większymi. Przy jedynie 6,6% wzroście wielkości czujnika, każdy wynikowy wzrost czułości będzie niewielki: tak mały, że będzie nieznaczny. Aby spojrzeć z perspektywy, lustrzanka cyfrowa ma czujnik, który jest około 500-900% tak duży jak aparat kompaktowy. Spowodowałoby to znaczny wzrost czułości wielokrotnych wartości przysłony. Wzrost o 6,6% jest bardzo nieznaczny. Reprezentuje około jedną szóstą jednego przysłony.

Więc to też jest chwyt marketingowy. Aby uzyskać znaczne korzyści, musieliby znacznie zwiększyć rozmiar czujnika. Jest to także chwyt marketingowy, ponieważ wcześniej ich marketing koncentrował się na liczbie megapikseli, a teraz zmienił sposób sprzedaży, ponieważ zdecydował się nie zwiększać liczby megapikseli i nadal chce się pochwalić, że ulepszył aparat .

Teoretycznie posiadanie większej liczby mniejszych pikseli jest lepsze niż posiadanie mniejszej liczby dużych pikseli.

Mały piksel przechwytuje mniej fotonów, a zatem jego sygnał wyjściowy jest głośniejszy, ale poprzez pobranie większej liczby próbek uśrednia się szum, poprzez proste ponowne próbkowanie można symulować wynik działania czujnika o mniejszej liczbie pikseli.

Ale możesz zrobić więcej niż po prostu dopasować wynik większych pikseli. Więcej małych pikseli razem przechwytuje więcej informacji. Duże piksele informują, ile fotonów przypadło na powiedzmy obszar 5 µm x 5 µm. Małe piksele informują również, ile fotonów spadło w tym samym obszarze, ale mogą również ujawnić, ile spadło w lewym górnym obszarze 25 µm x 25 µm, prawym dolnym obszarze 25 µm x 25 µm itp. Ta dodatkowa informacja może być wykorzystana do inteligentniejszego ponownego próbkowania w celu zmniejszenia hałasu bardziej szczegółowe obrazy w tej samej rozdzielczości co aparat z większymi, bardziej czułymi pikselami.

W praktyce rzeczy nigdy nie są równe. Gdy brany jest pod uwagę szum odczytu, odczyt wartości z 4 mniejszych pikseli oznacza czterokrotne wzięcie kary za szum odczytu, co prowadzi do większego szumu w cieniach i zmniejszenia DR. Nie powinno to stanowić problemu w przypadku najnowszych czujników Sony Exmor z bardzo niskim poziomem szumów odczytu, ale może być przyczyną, dla której firma Canon w 2013 r. Nie wyprodukowała korpusu o rozdzielczości większej niż 22 MP).

Piksele nie są jednostkami płaskimi. Zazwyczaj część światłoczuła znajduje się na dole z otaczającą elektroniką na warstwach powyżej. To sprawia, że ​​piksele są trochę jak studnia. Kiedy piksele są bardzo małe, proporcja obszaru światłoczułego zmniejsza się, a głębokość studni i proporcja jej szerokości stają się znacznie większe, zmniejszając liczbę kątów, z których może odbierać światło, a tym samym czułość.

Tutaj znajdują się czujniki aparatu telefonicznego, nie mogą zwiększyć liczby pikseli bez poważnego poświęcenia frakcji wypełnienia i wydajności kątowej, dlatego starają się przekonać konsumentów, że zmniejszają liczbę pikseli. Najlepszym rozwiązaniem jest powiększenie czujnika, ale wymagałoby to większego obiektywu i nie pozwoliłoby na super cienką obudowę, która sprzedawałaby wiele telefonów.

Istnieją również wady posiadania mniejszej liczby pikseli. Zmniejszona częstotliwość próbkowania prowadzi do wzrostu mory, co wymaga silniejszych filtrów antyaliasingowych zaostrzających problem zmniejszonej rozdzielczości. Niższa częstotliwość próbkowania prowadzi również do większej liczby błędów demozaikowania.

Niestety mantra „małych pikseli źle” jest stosowana w różnych formatach i powoduje, że producenci aparatów niechętnie podnoszą jakość do przodu, zwiększając liczbę pikseli, ponieważ „konwencjonalna mądrość” jest taka, że ​​jest to zły pomysł i sprawia, że ​​obrazy są głośniejsze, bardziej podatne na działanie aparatu wstrząsnąć i wymaga lepszych soczewek (każdy z tych punktów jest nieprawdziwy).

Główną ideą jest to, że większy czujnik daje lepszy obraz (jeśli czujniki wykorzystują tę samą technologię). Apple zwiększyło rozmiar czujnika i utrzymując tę ​​samą liczbę pikseli, każdy piksel będzie miał wyższy stosunek sygnału do szumu, co da lepszy obraz.

Chodzi o uchwycenie światła, które dociera tak dokładnie, jak to możliwe.

Jest to dość proste, z większą powierzchnią (na piksel) złapiesz więcej światła i będziesz w stanie dokładniej odwzorować to światło w wyniku końcowym.

To prawda, że ​​zdjęcia będą lepsze, ale zaledwie 15% na piksel nie jest spektakularne. Więc to także marketing. Nokia zrobiła podobnie z PureView. Próbkowanie w dół 41 megapikseli do 5-10 megapikseli również znacznie obniży poziomy hałasu. Jeśli o mnie zapytasz, PureView firmy Nokia będzie nadrzędny.

Istnieją dwie główne zalety tworzenia większych pikseli:

1. większe piksele zbierają więcej światła, więc czujnik jest bardziej czuły. Oznacza to, że w warunkach słabego oświetlenia można fotografować z niskim ISO, a więc z niskim poziomem szumów.

2. przy dużych otworach (np. f ​​/ 2.2) i małej matrycy zdarza się, że wiele promieni świetlnych oddziałuje losowo z różnymi pikselami rozmazującymi obraz. A to obniża rozdzielczość.

Jednak nawet jeśli obalamy dobrze znany mit megapikseli, uogólniamy, że „im większa, tym lepsza” prawda o czujnikach. Oczywiście powyższe stwierdzenie jest prawdą, ale wydajność aparatu zależy od wielu innych czynników. Aby wyświetlić obraz na większym czujniku, zachowując niewielką odległość między przednim obiektywem a czujnikiem (tak jak iPhone musi to zrobić), potrzebujesz więcej soczewek, a jeśli jakość jednego z tych obiektywów nie jest dobra, cała wydajność system będzie najgorszy. Zatem „Większe piksele = lepszy obraz” to bardziej slogan niż prawo.