Архитектура пикселей у производителей разная. Для примера здесь приводится архитектура ПЗС -пикселя.

Пример субпикселя ПЗС-матрицы с карманом n-типа

Обозначения на схеме субпикселя ПЗС-матрицы - матрицы с карманом n-типа:
1 - фотоны света, прошедшие через объектив фотоаппарата;
2 - ;
3 - R - красный светофильтр субпикселя, фрагмент фильтра Байера ;
4 - прозрачный электрод из поликристаллического кремния или сплава индия и оксида олова;
5 - оксид кремния;
6 - кремниевый канал n-типа: зона генерации носителей - зона внутреннего фотоэффекта ;
7 - зона потенциальной ямы (карман n-типа), где собираются электроны из зоны генерации носителей заряда ;
8 - кремниевая подложка p-типа .

Микролинза субпикселя

Буферные регистры сдвига на ПЗС-матрице, равно как и обрамление КМОП-пиксела на КМОП-матрице «съедают» значительную часть площади матрицы, в результате, каждому пикселю достаётся лишь 30 % светочувствительной области от его общей поверхности. У матрицы с полнокадровым переносом эта область составляет 70 %. Именно поэтому в большинстве современных ПЗС матриц над пикселем устанавливается микролинза. Такое простейшее оптическое устройство покрывает бо́льшую часть площади ПЗС-элемента и собирает всю падающую на эту часть долю фотонов в концентрированный световой поток, который, в свою очередь, направлен на довольно компактную светочувствительную область пиксела .

Характеристики матриц

Отношение сигнал/шум

Всякая физическая величина совершает некоторые колебания от своего среднего состояния, в науке это называется флуктуациями. Поэтому и каждое свойство всякого тела тоже изменяется, колеблясь в некоторых пределах. Это справедливо и для такого свойства, как светочувствительность фотоприемника, независимо от того, что собой представляет этот фотоприемник. Следствием этого является то, что некоторая величина не может иметь какого-то конкретного значения, а изменяется в зависимости от обстоятельств. Если, например, рассмотреть такой параметр фотоприемника, как «уровень чёрного», то есть то значение сигнала, которое будет показывать фотодатчик при отсутствии света, то и этот параметр будет некоторым образом флуктуировать, в том числе эта величина будет меняться от одного фотодатчика к другому, если они образуют некоторый массив (матрицу).

В качестве примера можно рассмотреть обычную фотопленку, где фотодатчики - зерна бромистого серебра, и их размер и «качество» неконтролируемо меняются от точки к точке (изготовитель фотоматериала может обеспечить только среднее значение параметра и величину его отклонения от среднего значения, но не сами конкретные значения этой величины в конкретных позициях). В силу этого обстоятельства пленка, проявленная без экспозиции, покажет некоторое, очень маленькое, но отличное от нуля почернение, которое называется «вуаль». И у фотоматрицы цифрового фотоаппарата наблюдается то же самое явление. В науке такое явление называется шумом, так как оно мешает правильному восприятию и отображению информации, и для того, чтобы изображение хорошо передавало структуру исходного сигнала, необходимо, чтобы уровень сигнала в некоторой степени превосходил уровень шумов, характерных для данного устройства. Это называется отношением сигнал/шум.

Чувствительность

К матрицам применяется термин эквивалентный «чувствительности», потому что:

• в зависимости от назначения матрицы формальное значение чувствительности может определяться различными способами по различным критериям;
• аналоговым усилением сигнала и цифровой постобработкой можно менять значение чувствительности матрицы в широком диапазоне.

У цифровых фотоаппаратов значение эквивалентной чувствительности может меняться в диапазоне ISO 50-12800. Максимальная используемая в массовых фотоаппаратах чувствительность соответствует отношению сигнал/шум 2-5.

Разрешение

Фотоматрица оцифровывает (разделяет на кусочки - «пиксели») то изображение, которое формируется объективом фотоаппарата. Но, если объектив в силу недостаточно высокой разрешающей способности передаёт ДВЕ светящиеся точки объекта, разделённые третьей чёрной, как одну светящуюся точку на ТРИ подряд расположенных пиксела, то говорить о точном разрешении изображения фотоаппаратом не приходится.

В фотографической оптике существует приблизительное соотношение : если разрешающую способность фотоприемника выразить в линиях на миллиметр (или же в пикселях на дюйм), обозначим её как M , и так же выразить разрешающую способность объектива (в его фокальной плоскости), обозначим её как N , то результирующее разрешение системы объектив+фотоприемник, обозначим его как K , можно найти по формуле:

Это соотношение максимально при , когда разрешение равно , поэтому желательно, чтобы разрешающая способность объектива соответствовала разрешающей способности фотоприемника. [уточнить ]

У современных цифровых фотоматриц разрешающая способность определяется размером пикселя, который варьируется у разных фотоматриц в пределах от 0,0025 мм до 0,0080 мм, а у большинства современных фотоматриц он равен 0,006 мм. Поскольку две точки будут различаться если между ними находится третья (незасвеченная) точка, то разрешающая способность соответствует расстоянию в два пикселя, то есть:

Где p - размер пикселя.

У цифровых фотоматриц разрешающая способность составляет от 200 линий на миллиметр (у крупноформатных цифровых фотокамер) до 70 линий на миллиметр(у web-камер и мобильных телефонов).

Физический размер матрицы

Физические размеры фотосенсоров определяются размером отдельных пикселей матрицы, которые в современных фотосенсорах имеют величину 0,005-0,006 мм. Чем крупнее пиксель, тем больше его площадь и количество собираемого им света, поэтому тем выше его светочувствительность и лучше отношение сигнал/шум (в плёночной фотографии шумы называются «зернистостью» или «гранулярностью»). Необходимое разрешение деталей фотографии определяет общее количество пикселей, которое в современных фотоматрицах достигает десятков миллионов пикселей (Мегапикселей), и тем задаёт физические размеры фотоматрицы.

• Законы оптики определяют зависимость ГРИП от физического размера матрицы. Если сфотографировать тремя фотоаппаратами с разным физическим размером матрицы одну и ту же сцену с одним и тем же углом зрения и одним и тем же значением диафрагмы на объективах, и изучить результат (файл на компьютере, распечатку с принтера) в одинаковых условиях, то ГРИП на снимке, сделанном фотоаппаратом с наименьшей матрицей, будет наибольшей (больше предметов в кадре будет показано резко), а фотоаппарат с наибольшей матрицей покажет наименьшую ГРИП (предметы не в зоне резкости будут сильнее размыты).
• Размеры фотосенсоров чаще всего обозначают как «тип» в виде дробных частей дюйма (например, 1/1.8" или 2/3"), что фактически больше реального физического размера диагонали сенсора. Эти обозначения происходят от стандартных обозначений размеров трубок телекамер в 1950-х годах. Они выражают не размер диагонали самой матрицы, а внешний размер колбы передающей трубки. Инженеры быстро установили, что по различным причинам диагональ полезной площади изображения составляет около двух третей диаметра трубки. Это определение стало устоявшимся (хотя и должно было быть давно отброшено). Не существует чёткой математической взаимосвязи между «типом» сенсора, выраженном в дюймах, и его фактической диагональю. Однако, в грубом приближении, можно считать, что диагональ составляет две трети типоразмера.

Отношение сторон кадра

Пропорции пикселя

Выпускаются матрицы с тремя различными пропорциями пикселя:

• Для видеоаппаратуры выпускаются сенсоры с пропорцией пикселя 4:3 (PAL)
• или 3:4 (NTSC);
• Фотографическое, рентгенографическое и астрономическое оборудование, а также развивающееся сейчас HDTV видеооборудование обычно имеет квадратный пиксель.

Типы матриц по применяемой технологии

Долгое время ПЗС-матрицы были практически единственным массовым видом фотосенсоров. Реализация технологии Active Pixel Sensors около 1993 года и дальнейшее развитие технологий привели в итоге к тому, что к 2008 году КМОП-матрицы стали практически альтернативой ПЗС.

ПЗС-матрица

Состоит из светочувствительных фотодиодов , выполнена на основе кремния , использует технологию ПЗС - приборов с зарядовой связью.

КМОП-матрица

Live-MOS-матрица

Создана и применяется компанией Panasonic. Выполнена на основе МОП-технологии , однако содержит меньшее число соединений для одного пикселя и питается меньшим напряжением. За счёт этого и за счёт упрощённой передачи регистров и управляющих сигналов имеется возможность получать «живое» изображение при отсутствии традиционного для такого режима работы перегрева и повышения уровня шумов.

Матрицы с пикселами различного размера

Методы получения цветного изображения

Сам по себе пиксель фотоматрицы является «чёрно-белым». Для того, чтобы матрица давала цветное изображение, применяются специальные технические приёмы.

Трёхматричные системы

Пример работы дихроической призмы

Поступающий в камеру свет, попадая на пару дихроидных призм , делится на три основных цвета: красный, зелёный и синий. Каждый из этих пучков направляется на отдельную матрицу (чаще всего используется CCD матрицы , поэтому в наименовании соответствующей аппаратуры употребляется обозначение 3CCD).

Трёхматричные системы применяются в видеокамерах среднего и высокого класса.

Достоинства трёх матриц по сравнению с одноматричными

• лучше передача цветовых переходов, полное отсутствие цветного муара ;
• выше разрешение: отсутствует необходимый для устранения муара размывающий (low-pass) фильтр;
• выше светочувствительность и меньший уровень шумов;
• возможность введения цветокоррекции постановкой дополнительных фильтров перед отдельными матрицами, а не перед съёмочным объективом, позволяет добиться существенно лучшей цветопередачи при нестандартных источниках света.

Недостатки трёх матриц по сравнению с одноматричными

• принципиально бо́льшие габаритные размеры;
• трёхматричная система не может использоваться с объективами с малым рабочим отрезком ;
• в трёхматричной схеме есть проблема сведе́ния цветов , так как такие системы требуют точной юстировки, причём, чем большего размера матрицы применяются и чем больше их физическое разрешение, тем сложнее добиться необходимого класса точности.

Матрицы с мозаичными фильтрами

Во всех таких матрицах пиксели расположены в одной плоскости, и каждый пиксель накрыт светофильтром некоего цвета. Недостающая цветовая информация восстанавливается путём интерполяции ( ).

Существует несколько способов расположения светофильтров. Эти способы различаются чувствительностью и цветопередачей, при этом чем выше светочувствительность, тем хуже цветопередача:

• RGGB - фильтр Байера , исторически самый ранний;
• RGBW имеют более высокую чувствительность и фотографическую широту (типично выигрыш чувствительности в 1,5-2 раза и 1 ступень по фотографической широте), частный случай RGBW-матрицы - CFAK-матрица компании Kodak ;
• RGEB (красный - зелёный - изумрудный - синий);
• CGMY (голубой - зелёный - лиловый - жёлтый).

Матрицы с полноцветными пикселами

Существуют две технологии, позволяющие получать с каждого пикселя все три цветовые координаты. Первая применяется в серийно выпускаемых камерах фирмы Sigma , вторая - на середину 2008 года существует только в виде прототипа.

Многослойные матрицы (Foveon X3)

Фотодетекторы матрицы X3 компании Foveon расположены в три слоя - синий, зелёный, красный. Название сенсора «Х3» означает его «трёхслойность» и «трёхмерность».

Матрицы X3 применяются в цифровых фотоаппаратах Sigma .

Полноцветная RGB-матрица Nikon

Несмотря на то, что прототип матрицы уже создан (2008 год), этот патент вряд ли найдёт своё применение в ближайшее время из-за существенных сложностей в технологии.

По сравнению со всеми прочими системами, кроме трёхматричных , данная технология имеет потенциальное преимущество в эффективности использования светового потока по сравнению с технологиями RGBW или фильтром Байера . (Точный выигрыш зависит от характеристик пропускания фильтров).

См. также

Примечания

Жанры

Продолжаем рубрику, посвященную тому, как правильно выбрать смартфон, который будет радовать пользователя. Мы уже поговорили : какие бывают, что лучше, плюсы и минусы. Сегодня речь пойдет о выборе экрана смартфона. Тема достаточно сложная и обширная, так как к настоящему времени существует немало технологий производства дисплеев, их защиты, кроме того, представлены они самых разных диагоналей, с разными соотношениями и так далее. Именно экран нередко становится камнем преткновения во время выбора смартфона. Оно и не удивительно. Дисплей – именно та часть устройства, с которой нам приходится работать больше. В случае неправильного выбора велика вероятность того, что экран причинит массу неудобств: некачественная картинка, низкая яркость, плохая чувствительность. Но не волнуйтесь, сегодня мы затронем каждый из аспектов, поведав вам обо всех тонкостях выбора экрана смартфона.

Тип матрицы смартфона

Начать стоит именно с типа матрицы. Во многом от выбора типа матрицы экрана будет зависеть качество. Итак, на сегодняшний день принято выделять три разновидности:

1. TN+film
2. AMOLED

Первые две основываются на жидких кристаллах, вторая – на органических светодиодах. Представлен каждый из типов несколькими подвидами (в случае с IPS более 20 различных), которые так или иначе встречаются в производстве панелей.

Некоторые из вас задаются вопросом: «А где TFT?». Из-за незнания некоторых ресурсов нередко эту аббревиатуру используют в качестве обозначения типа матрицы, что является неверным. Термином TFT обозначают тонкопленочные транзисторы, используемые для организации работы субпикселей. Применяются они практически в каждом из рассматриваемом типов матриц. Транзисторы также представлены несколькими разновидностями, одной из которых является LTPS (поликристаллический кремний). LTPS – относительно новый подвид, который выделяется меньшим потреблением энергии и более компактными размерами транзисторов, что отражается и на размерах пикселей. Как итог: большая плотность пикселей, более качественная и четкая картинка.

TN+film

Возвращаемся к матрицам. Большинство привычных нам матриц, как уже отмечалось, жидкокристаллические, то есть, LCD. Принцип заключается в поляризации света, который проходит через светофильтр, окрашиваясь в соответствующие цвета. Первая из разновидностей жидкокристаллических матриц – TN+film. С распространением «film» опустили, сократив название до «TN». Наиболее простой тип, который к сегодняшнему дню порядком устарел и используется лишь в самых дешевых смартфонах (да и то, надо еще найти). TN не может похвастаться хорошими углами обзора или контрастностью, обладает плохой цветопередачей.

В общем, TN при выборе экрана смартфона обходите стороной – тип устарел.

IPS

Далее идет IPS. Эта технология тоже немолода – возраст перевалил уже за 20 лет. Между тем, IPS-матрицы имеют наибольшее распространение на рынке смартфонов. Откройте любой интернет-магазин, выберите первый попавшийся смартфон и убедитесь в моих словах. Этот тип матриц представлен и в бюджетном сегменте, и в флагманском. Кроме улучшенных характеристик, если сравнивать с TN, IPS получили превеликое число разновидностей. Однако не стоит разбираться во всех – на рынке смартфонов главенство делят два типа: AH-IPS и PLS. Их создателями являются две крупнейшие фирмы Южной Корее да и всего мира: LG и Samsung соответственно. В чем разница? Ее практически и нет. Матрицы двух типов как братья-близнецы, поэтому можете не боясь выбирать смартфон с любой из них. Идентичность даже становилась поводом судебных разбирательств между компаниями.

IPS может похвастаться более широкими углами обзора, нежели TN, хорошей передачей цветов и высокой плотностью пикселей, что обеспечивает шикарную картинку. А вот энергопотребление примерно одинаковое – в любом случае используются для подсветки светодиоды. Так как разновидностей IPS-матриц существует довольно много, они разниться и в своих характеристиках. Разницу эту можно заметить даже «на глаз». Более дешевые IPS могут быть слишком блеклыми, либо напротив – иметь перенасыщенный цвет. Осложняет выбор экрана смартфона при этом тем, что производители зачастую умалчивают о типе матрицы.

Однозначно, при выборе между экраном TN и IPS предпочтение отдается последнему.

AMOLED

Еще более современный тип, который сегодня распространен, как правило, среди смартфонов высшего класса. AMOLED представлены органическими светодиодами, которые не требуют внешней подсветки, как в случае с IPS или TN, – они светятся сами. Уже на этом моменте можно выделить их первое достоинство – меньшие размеры. Далее – AMOLED представлен более насыщенными цветами. Особенно хорошо выглядит черный, во время отображения которого попросту затухает светодиод. AMOLED-дисплеи более контрастные, могут похвастаться широкими углами обзора и более низким энергопотреблением (есть нюансы). Прям сказка, не так ли? Но прежде чем выбирать смартфон с экраном AMOLED, вам стоит узнать о его недостатках.

Самым главным минусом принято считать меньший срок службы по сравнению с IPS. Через определенный срок (как правило, уже через три года наблюдаются изменения в цвете), в среднем через 6-10 лет начинают «выгорать пиксели». Причем особенно подвержены выгоранию яркие тона, поэтому пользователи нередко применяют темные темы оформления, дабы продлить срок службы. Кроме того, на энергопотребление в значительной мере сказывается яркость цветов на экране. Если отображается яркая картинка в светлых тонах, то AMOLED потребляет больше энергии, нежели IPS. Наконец, матрицы на основе органических светодиодов дороже в производстве.

Как бы то ни было, это не отменяет технологичность и качество AMOLED. Болячки в виде «выгорающих пикселей» постепенно вылечиваются, а также появляются подвиды матриц, которые становятся лучше. К примеру, Super AMOLED. Эта разновидность появилась семь лет назад, привнеся массу улучшений. Было уменьшено энергопотребление, увеличена яркость. Кроме того, исчезла воздушная прослойка между тачем и матрицей, что повысило чувствительность экрана, а также исключило попадание пыли.

AMOLED сегодня считается наиболее технологичными матрицами, которые активно развиваются. Если до недавних пор они использовались преимущественно в смартфонах Samsung, то сегодня их выбирает огромное число производителей смартфонов (практически каждый крупный бренд представил решение с AMOLED-экраном.

Конструктивные особенности экранов смартфонов

Но не только от типа матрицы следует отталкиваться при выборе экрана смартфона. Есть еще целая куча особенностей, от которых зависит итоговое качество картинки и ощущения от использования. Мы остановимся на наиболее важных моментах.

Воздушная прослойка

До не давних пор экраны всех смартфонов были представлены двумя составляющими: сенсорный слой и сама матрица. Между ними оставалась воздушная прослойка, толщина которой зависела напрямую от производителя. Естественно, чем слой тоньше, тем лучше. Компании регулярно уменьшали прослойку воздуха, делая качество картинки выше, а углы обзора – шире. Относительно недавно удалось полностью избавиться от воздушной прослойки благодаря технологии OGS. Теперь сенсорный слой и матрица соединились воедино. Несмотря на существенное повышение качества, есть и очевидный недостаток. В случае повреждения OGG-экрана, заменять его придется полностью, в то время как в дисплеях с воздушным слоем, удар на себя принимает лишь стекло.

Как бы то ни было, OGS-экраны выбирает все больше производителей. Да и вам мы советует отдавать предпочтение этой технологии. Поверьте, не стоит беспокойство о сложном ремонте тех чувств, которые вы испытаете при эксплуатации подобного дисплея.

Относительно недавний тред, который привнесла на рынок компания Samsung со своим флагманом Galaxy S6 Edge (также был Galaxy Note, но там загнули только один край). Южнокорейский производитель продолжить развивать идею и в последующих смартфонах, а вот остальные фирмы не слишком-то и разделили задумку. Сгибанию компания подвергает правую и левую грань устройств – экран как бы наплывает на торцы. Это делается не только ради эффектного внешнего вида, но и для удобства пользователя. Сюда выносятся дополнительные функции, здесь же могут отображаться уведомления. Увлекательная особенность, но далеко не всем нужная.

Наиболее удачно реализовать изогнутый дисплей удалось Samsung, поэтому, если интересна такая конструкция, то советуем рассматривать именно решения южнокорейского бренда.

Еще более свежий тренд – экраны без рамок. Прародителем является компания Sharp, которая показала первый безрамочный смартфон еще в 2014 году, но пользователей привлек безрамочный Mi Mix, показанный в 2016 году. К лету 2017 года целый ряд компаний заявил о замысле выпустить подобные гаджеты. Сегодня рынок стремительно наполняется , причем самые новые модели стоят менее 100 долларов.

К настоящему моменту есть несколько вариаций экрана без рамок: вытянутые дисплеи, у которых уменьшены рамки сверху и снизу; привычные дисплеи, лишенные рамок с трех сторон (кроме нижней). К первому типу относится Samsung Galaxy S8 пара смартфонов от LG (G6 и ). Ко второму – , Doogee Mix, Xiaomi Mi Mix и многие другие, чьи ряды постоянно пополняются.

Безрамочные смартфоны выглядят действительно здорово, а невысокая стоимость дает возможность каждому опробовать современные технологии.

Известная компания Apple в iPhone 6S представила новую технологию на момент выхода – 3D Touch. С ней экран стал реагировать не только на касания, но и на силу нажатия. Технология стала использоваться, как правило, для совершения каких-либо быстрых действий. Также 3D Touch позволил с большим комфортом работать с текстом, рисовать (кисть реагирует на силу натиска) и прочее. Функция не стала чем-то совершенно необычным, но своего пользователя нашла. Позже подобная технология появилась 6, также была заявлена в .

Тип сенсорных экранов

Не особенно важный критерий при выборе экрана смартфона, но, тем не менее, чуть остановимся на нем. Существует несколько типов сенсорных дисплеев: матричный (очень-очень редкий) резистивный и емкостной. Резистивные экраны до недавних пор были распространены повсеместно, однако сегодня представлены лишь в очень редких и дешевых смартфонах. Этот тип отличается тем, что реагирует на любые касания: пальцем, ручкой, хоть другим телефоном управляйте. Он поддерживает лишь одно касание, работает не всегда точно. В общем и целом, устаревший тип.

Емкостные экраны в значительной мере превосходят своих предшественников. Они уже поддерживают более одного одновременного касания, отличаются лучшей чувствительностью, гораздо точнее работают. При этом их производство обходится дороже.

Как ни крути, но от резистивных экранов в смартфонах подавляющее большинство компаний отказалось. И это к лучшему. К тому же, стоимость емкостных постоянно понижается, что позволяет производителям устанавливать их в самые дешевые смартфоны.

Еще одним важным аспектом при выборе экрана смартфона является число одновременных касаний. От этого параметра зависит то, какие операции вы сможете производить на дисплее. Первые смартфоны, оснащаемые резистивными экранами, ограничивались одним одновременным касаниям, чего не всегда было достаточно. Экраны современных смартфонов поддерживают зачастую 2, 3, 5 или 10 одновременных касаний. Что дает большое число одновременных касаний:

• Масштабирование и зуммирование. Одна из первых функций, которая появилась в iPhone – первом смартфоне с поддержкой двух одновременных касаний. Так, можно уменьшать или увеличивать изображения, сводя или разводя пальцы на экране.
• Управление жестами. Несколько пальцев дают возможность задействовать различные жесты.
• Управление в играх. Большинство современных игр требуют задействование одновременно нескольких пальцев.

Не стоит гнаться за поддержкой 10 одновременных касаний, если вы не играете на смартфоне. Подавляющему числу пользователей вполне достаточно 5 касаний, а еще менее требовательные не будут испытывать дискомфорта и с 2.

Значимые при выборе экрана смартфона параметры, идущие рука об руку. Диагональ дисплея отражает его размеры в дюймах.

Дюйм соответствует 2.54 сантиметрам. К примеру, диагональ экрана 5-дюймового смартфона в сантиметрах составляет 12.7 сантиметров. Обратите внимание : диагональ измеряется от угла до угла экрана, не затрагивая рамки.

Какую диагональ экрана выбрать? На этот вопрос вам придется ответить самостоятельно. Рынок современных смартфонов предлагает самые разные диагонали, начиная примерно с 3.5-4 дюймов, заканчивая практически 7 дюймами. Есть и более компактные варианты, но их в расчет можно не брать – работать с миниатюрными иконками не очень удобно. Наилучший способ выбрать диагональ – лично подержать смартфон в руках. Если вам комфортно пользоваться одной рукой, значит, диагональ «ваша».

Рекомендовать конкретные цифры нельзя и потому, что у каждого человека разный размер руки, длина пальцев. Одному и 6-дюймовым пользоваться комфортно, другим – и 5 дюймов много. Также стоит учитывать, что смартфоны с одинаковой диагональю могут быть разных размеров в общем. Простой пример: 5.5-дюймовый сопоставим с 5-дюймовой моделью с обычными рамками. Поэтому при выборе экрана смартфона желательно еще и толщину рамок брать в расчет.

Как бы то ни было, наблюдается тенденция увеличения диагоналей экрана. Если в 2011 году подавляющее большинство пользователей ограничивалось 4 дюймами, то в 2014 году наибольший процент принадлежал 5 дюймам, сегодня рынок захватывают решения с 5.5 дюймами.

С разрешением ситуация обстоит попроще.

Разрешение отражает количество пикселей на единицу площади. Чем больше разрешение – тем качественнее картинка. Опять же, одинаковое разрешение по-разному выглядит на двух отличных диагоналях. Здесь же стоит упомянуть о плотности пикселей на дюйм, которая обозначается аббревиатурой PPI. Здесь то же правило, что в случае с разрешением: чем выше плотность – тем лучше. Правда, в точной цифре специалисты не сходятся: ряд утверждает, что комфортное значение начинается с 350 PPI, другие приводят большие цифры, третьи – меньшие. При этом стоит помнить, что человеческое зрение очень индивидуально: кто-то ни пикселя не увидит и при 300 PPI, а другой и при 500 PPI найдет к чему придраться.

• при диагонали до 4-4.5 дюймов большинство смартфонов получают разрешение 840х480 пикселей (примерно 250 PPI);
• от 4.5 до 5 дюймов хорошим выбором является HD-разрешение (1280х720 точек) (плотность составляет от 326 до 294 PPI)
• более 5 дюймов – стоить смотреть в сторону FullHD (1920х1080 пикселей) или еще более высоких разрешений

Последние смартфоны Samsung и ряд моделей от других компаний получают разрешение 2560×1440 точек, что обеспечивает высокую плотность пикселей и четкую картинку. Недавний флагман от Sony и вовсе был представлен с разрешением экрана 4К, что при 5.5 дюймов гарантирует рекордные 801 PPI.

Покрытие экрана

До недавних пор экраны мобильных устройств покрывались обычным пластиком, который быстрый царапался, искажал цветопередачу, да и тактильно ощущался не очень. На смену пришло стекло, которому нипочем завалявшиеся в кармане ключи. Сейчас на рынке представлено ни одна разновидность стекол, которые отличаются прочностью и, соответственно, ценой. Особую популярность сегодня снискали 2.5D-стекла, изогнутые с краев. Они не только гарантируют высокую надежность, но и придают смартфону более стильный вид.

Кроме того, экраны современных смартфонов обладают специальным жирооталкивающим покрытием (олеофобный слой), который обеспечивает хорошее скольжение пальца, а также предотвращает появление пятен. Чтобы определить наличие олеофобного слоя, достаточно поместить на экран каплю воды. Чем лучше капля сохраняет форму (не растекается), тем качественнее слой.

Естественно, качество олеофобного слоя и стекла сказываются на стоимости смартфона. Вы вряд ли найдете бюджетную модель, которая сможет похвастаться таким же прочным стеклом, как у флагманского решения. Сегодня наиболее популярным производителем защитных стекол является компания Corning, линейка которой заканчивается Gorilla Glass 5.

Дополнительный экран

Если одного дисплея вам мало, то ряд компаний предлагает смартфоны с дополнительными экранами. Они, как правило, небольшие, а служат для вывода уведомлений. А YotaPhone 2, известный многим, предлагает второй E-link дисплей, занимающий всю тыльною сторону, на котором удобно читать. В модельном ряду LG есть решения с небольшим экраном, отображающим уведомления. Недавно подобным смартфоном с дополнительным экраном отметилась и Meizu со своим флагманом .

Второй экран – довольно-таки своеобразная фишка, которая нужна далеко не каждому. Тем не менее, своего пользователя подобные смартфоны находят, да причем и не одного.

Заключение

Что ж, вроде рассказали обо всех тонкостях выбора экрана смартфона. Материал получился довольно обширным, надеемся, ответы на свои вопросы найдет каждый. Не стоит гнаться за самым дорогим экраном, но и слишком экономить противопоказано – ищем ту самую золотою середину. Хотя нынешний рынок мобильной электроники и сам вас направит в нужное русло, указав на то, что популярно и востребовано. Сегодня значительно ниже риск наткнуться на некачественный дисплей, который будет тупить при нажатиях, производители существенно подняли планку качества. Даже компании третьего эшелона в своих ультрабюджетных смартфонах используют вполне добротные матрицы. Ну, а нам лишь остается пожелать вам удачи в выборе.

Кстати, линейка статей о критериях правильного выбора не заканчивается. Мы уже рассказали о том, ознакомьтесь. Скоро появятся материалы на тему выбора процессора и камер, так что подпишитесь на уведомления и группу «Вконтакте».

В далеком 1988 году фирма Fuji представила первый потребительский, по-настоящему цифровой фотоаппарат DS-1P. Он мог делать снимки в 0,4 мегапикселя и сохранять их на съемную карту памяти типа SRAM. А уже в 2000 году снимать цифровые фото умел и мобильный телефон — Sharp J-SH04, релиз которого состоялся в Японии. Да, на то время он делал не совсем качественные кадры, но он их делал! Далее была легендарная К-серия от Sony Ericsson, N-серия Nokia, первый в мире 8-ми мегапиксельный камерофон от Samsung.

С каждым годом фототехника училась снимать все лучше и лучше, появлялись зеркальные и беззеркальные камеры, ультразумы и ультракомпакты. Но если габариты фотоаппаратов позволяли внедрять ту или иную технологию в полном объеме, то с мобильными телефонами это сделать было проблематично. И все же производители стараются улучшать характеристики камер смартфонов, искать золотую середину между габаритами и качеством. Давайте же рассмотрим основные параметры, которые влияют на получаемый снимок.

В первой части этого выпуска мы рассмотрим самую важную часть любой камеры — матрицу. Светочувствительный сенсор, который преобразует оптический сигнал, получаемый извне, в цифровой снимок.

На качество фотографии влияют несколько параметров:

Размер матрицы. Грубо говоря, чем больше матрица, тем больше света она может принять и тем лучше будет снимок, особенно при плохой освещенности. Размеры принято обозначать в дюймах в дробном виде, например — 1/2,3” (6.17×4.55 мм), 4/3” (17.30×13.00 мм). Максимально большой сенсор имеет размер 36×24 мм, равный кадру 35 мм пленки. Такие матрицы называют «полнокадровыми». Их наличие - это прерогатива профессиональных, дорогих фотоаппаратов. Естественно, что камеры мобильных телефонов не могут оснащаться большими матрицами. Для сравнения приведу следующий рисунок и таблицу:

		Nikon D3200	Olympus PEN E-PL1	Nikon Coolpix P300	Samsung Galaxy S4 I9500
Тип камеры	Зеркальная	Зеркальная	Беззеркальная	Компактная	Смартфон
Типоразмер			Micro Four Thirds
Размер сенсора, мм

Размер матрицы у всех современных смартфонов примерно одинаковый. Особняком стоят камерофоны от Нокии 808 PureView, Lumia 1020. Первый имеет размер сенсора 1/1.2” (10.67×8.00 мм), а второй - 2 /3” (8.80×6.60 мм). На следующем рисунке вы сможете увидеть визуальное сравнение размеров матрицы некоторых телефонов:

Тип матрицы. По технологии производства сенсоры современных камер делятся в основном на два типа — ПЗС (CCD) и КМОП (CMOS). Я не буду углубляться в детали, скажу лишь, что CMOS матрица на сегодняшний день является наиболее распространённой, так как обладает следующими преимуществами:

• низкой стоимостью производства
• низким энергопотреблением
• более быстрой работой (влияет на скорость фокусировки)

Хотя и есть недостаток она более шумная, нежели CCD. Поясню: цифровой шум — это дефект изображения, который возникает в основном в условиях недостаточной освещенности. Также существуют модернизированные сенсоры на основе технологии CMOS. Например, BSI-CMOS с технологией задней подсветки, которая облегчает попадания света на сенсор, впоследствие чего увеличивается светочувствительность и, соответственно, уменьшается количество цифрового шума. Такая матрица используется в большинстве современных смартфонов. Единственное, что существуют ее вариации в зависимости от производителя. У Sony это Exmor R, Exmor RS, у OmniVision - OmniBSI.

Разрешение матрицы. Сенсор любой камеры состоит из пикселей, которые формируют цифровое изображение. Каждый такой элемент отвечает за одну точку на снимке. Количество пикселей называют разрешением камеры. Чем их больше размещено на матрице, тем лучше будет детализация фотографии, ее размер. В современных камерах их количество измеряется миллионами. Допустим, есть камера, снимающая с максимальным разрешением 3888 на 2592 точек. Умножив эти два числа, мы получим количество пикселей - примерно 10 миллионов. И в характеристиках такой камеры увидим, что она делает снимки в разрешении 10 мегапикселей (Мп). Производители очень любят злоупотреблять этим параметром, повышая его для большей привлекательности продукта. Но количество мегапикселей играло важную роль только на ранних этапах развития цифровых камер, когда разрешение было очень маленькое (0,3 Мп, например) и его не хватало даже для распечатки фотографии 10х15. Сейчас уже не редкость и 40 Мп, но это все лишь маркетинговый ход, уловка для потребителя, не слишком разбирающегося в технических деталях. Указывая в характеристиках камеры большое количество мегапикселей, производитель, при этом забывает упомянуть о важнейшем параметре — физическом размере матрицы. Ведь чем больше пикселей размещено на единице площади матрицы, тем они меньше, а от их размера напрямую зависит количество «цифрового шума» на снимке. Например, фотокамера с разрешением 12 Мп и матрицей 4/3” будет делать намного качественнее снимки, чем аппарат с 40 Мп и сенсором 2/3”. Мы рассмотрели основные характеристики матрицы, есть еще дополнительные: светочувствительность, соотношение сигнал/шум. Но они напрямую зависят от параметров, рассмотренных выше.

Зачастую производители мобильных телефонов не документируют никаких особенностей матриц своих камер кроме мегапикселей. Но почти всегда мы можем найти в спецификациях модель модуля камеры, а по нему уже можно многое узнать. Например, у смартфона Xiaomi Mi4 сенсор Sony MX214, «загуглив» название, выясняем характеристики:

• физический размер - 1/3.06"
• тип - Exmor RS (собственная разработка Sony на основе BSI-CMOS)
• разрешение - 13Мп

На этом я закончу первую часть статьи. Во второй рассмотрим, что же еще, кроме характеристик матрицы, влияет на качество получаемого снимка. А также отвечу на главный вопрос — какими параметрами должна обладать камера настоящего камерофона.

Статья:

Съемка камерой мобильного телефона (смартфона). Параметры камер мобильных телефонов. Основные характеристики, проблемы и примеры дефектов на снимках . Как выбрать смартфон с хорошей камерой?

Предисловие

Съемка на камеру мобильного телефона (смартфона) прочно вошла в нашу жизнь. Многие пользователи смартфонов считают, что "обычный" фотоаппарат им уже просто не нужен, достаточно иметь смартфон с хорошей камерой.

Но вот вопрос - какую камеру смартфона считать "хорошей"? Или всегда ли она сможет заметить хотя бы простенькую "цифромыльницу"?

Давайте рассмотрим этот вопрос с точки зрения характеристик камер, их особенностей, а также типичных проблем и ошибок, приводящих к потере качества фотографий и видео, снятых с "мобильника". Постараемся это сделать без излишней научной "заумности", на простом и понятном языке.

При этом разделим параметры камер мобильных телефонов на две группы: параметры фотоматриц и параметры объективов.

Физические принципы цифровой фотографии

Физические принципы цифровой фотосъемки почти не отличаются от работы фотоэлемента из школьного курса физики. Свет, падающий на чувствительную поверхность (которая является первым электродом), выбивает из неё электроны, которые достигают второго электрода. В результате между ними возникает разность потенциалов, которая считывается и отправляется на обработку. А этот фотоэлемент является ни чем иным, как элементарным пикселем датчика изображения. Эти пиксели объединены в матрицу, а их количество представляет собой то самое число мегапикселей, которое мы видим на упаковке смартфона или фотоаппарата.
Правда, на самом деле пикселей там в три раза больше, потому что в цветной фотографии каждый пиксель образуют три датчика, чувствительных к разным цветам: красному, зеленому, синему (RGB в буржуйской терминологии).

Итак, всё с виду хорошо и гладко. Откуда же возникают дефекты изображения?

Объективные причины - электрические шумы в матрице и недостаток её динамического диапазона; а также погрешности объектива, формирующие на матрице неточную картинку реального мира.

Субъективные причины - "дрожание" камеры фотографа (особенно это серьезно при слабом освещении), ошибочная фокусировка, ошибки при выборе экспокоррекции и т.п.

В отдельных случаях дефекты изображения, возникшие вследствие реальных физических причин, усугубляются и программной обработкой, работающей временами по принципу "хотели, как лучше; а получилось...". :)

Параметры матриц, часть 1. Физический размер матрицы и количество мегапикселей.

Поскольку матрица цифровой камеры - не только датчик изображения, но и источник шумов, то параметры матриц будем рассматривать в тесной увязке с их влиянием на шум.

Итак, первые два параметра:

1. Размер матрицы.
2. Количество (мега)пикселей.

Размер матрицы определяется замысловатыми дробями вида, например, 1/2.7 (не путать с диафрагмой, имеющей немного похожее обозначение, вида F/2.7) .
В данном случае это соответствует диагонали матрицы в 6.27 мм, а размеры сторон 5.02 x 3.76 мм.
Как это перевести размер 1/2.7 в "нормальные" единицы? Эта дробь означает, что диагональ матрицы в 2.7 раза меньше, чем диагональ матрицы в видиконе диаметром 1 дюйм. Видикон - это древний электронно-лучевой прибор, применяемый в телевизионных камерах "ламповой" эпохи. И матрица в круглом 1-дюймовом видиконе была, естественно, меньше диаметра видикона и составляла чуть больше 16 мм (т.е. не точно 16 мм, имеются "разночтения"). Эти 16 мм и есть тот "видиконовый дюйм", от которого до сих пор рассчитываются параметры цифровых фотоматриц, хотя сами видиконы можно найти только в технических музеях. :)
Чем знаменатель дроби меньше, тем матрица крупнее и ЛУЧШЕ.

Теперь разберем, почему чем матрица крупнее - тем она лучше.

Шум в матрице определяется случайным (тепловым) движением электронов; а сигнал - интенсивностью светового потока, временем экспозиции (т.е. накопления заряда) и площадью светочувствительного элемента (пикселя). Соответственно, чем выше параметры, образующие сигнал, тем будет лучше соотношение сигнал/шум при прочих равных условиях.

Если хотя бы один из перечисленных параметров - низкий, то на изображении начинают "проступать" шумы в виде хаотично расположенных точек и пятен различной яркости и цвета. Так выглядит зашумленная фотография в условиях пониженного освещения:

Лучше этот эффект заметен при увеличении до 100% (фрагмент см. ниже). Шумы делают менее различимым изображение сфотографированных предметов:

Вернемся к вопросу о способах уменьшения шумов.
С интенсивностью светового потока и площадью пикселя все понятно, а как увеличить время экспозиции, не доводя изображение до пересвечивания? Очень просто - снижая чувствительность при съемке (чувствительность выражается в единицах ISO - 50, 100, 200, 400 и т.д. до 100000). Другое дело - что палка, как известно, "о двух концах". Увеличение времени экспозиции может привести к "размазыванию" изображения из-за движения объекта или "дрожания" камеры в руках; но мы пока рассматриваем проблемы в принципе. :)

Но размер пикселя определяется не только размером матрицы, но и количеством пикселей на матрице (грубо говоря, надо площадь матрицы разделить на число пикселей). Отсюда - следующий вывод: чем мегапикселей в матрице меньше, тем соотношение сигнал/шум лучше. Но при высоком уровне освещения даже и с мелким размером пикселя соотношение сигнал/шум будет неплохим. А при падении освещения преимущество будет за теми камерами, у которых пиксель крупнее.

Кстати, размер пикселя (точнее, расстояния между пикселями) уже достиг своего физического предела, который составляет 1 мкм. Дальнейшее уменьшение размера пикселя теряет смысл, поскольку длина световой волны составляет от 0.39 до 0.78 мкм; и при расстоянии между пикселями менее 0.78 мкм (красный свет), соседние пиксели будут показывать просто одно и то же.

По описанным выше причинам, потребителю надо иметь в виду, что зачастую количество мегапикселей имеет больше рекламный характер, чем реальную пользу. Практически, если в камере есть 12-13 мегапикселей, то это уже неплохо; но это - еще не гарантия, что всё будет хорошо - в дело вступит качество оптики. Если же в камере СОВРЕМЕННОГО смартфона количество мегапикселей менее 10, то, скорее всего это - дешевая камера, от которой не стоит ждать высокого качества снимков.

В то же время, если производитель - достаточно солидный и уважаемый (SONY, Asus, Samsung и т.д.), то и большое количество мегапикселей лишним не будет. По крайней мере, при ярком освещении.

Если есть сомнения, будет ли толк от большого числа мегапикселей, то лучше выбрать тот смартфон, у которого больше физический размер матрицы. А уменьшить количество мегапикселей на фото можно после можно уже и после съемки в графическом редакторе.

Вот такой это противоречивый параметр - количество мегапикселей.

Итог этой части наших исследований:

- Чем больше физический размер матрицы, тем лучше ВСЕГДА.
- Чем больше мегапикселей, тем тоже лучше, но только при хорошем качестве оптики и хорошем освещении в момент съемки.

Теперь - о дополнительных параметрах, включая технологические.

Параметры матриц, часть 2. Чувствительность и технологические особенности

Разберем еще такие вопросы:

1. Чувствительность в единицах ISO.
2. Технология с микролинзами.
3. Технология с обратной засветкой (Back-Side Illumination, BSI).

В старину чувствительность была физическим параметром фотопленки, который по ходу съемки никак меняться не мог.
В цифровых камерах величина чувствительности может задаваться вручную или автоматически. При назначении той или иной чувствительности на самом деле в фотоматрице никаких изменений не происходит. Просто изменяется коэффициент аналогового усиления сигнала с фотодатчиков перед подачей его на вход аналого-цифрового преобразователя (аналогично, например, регулировке громкости в плеерах).
Соответственно, и изменения соотношения сигнал/шум тоже не происходит, т.к. усиливаются одновременно и сигнал, и шум.

В чем же тогда вообще смысл упоминания чувствительности в параметрах камер?

Чем меньше нижний предел чувствительности, тем более качественные можно получить фотографии, по крайней мере, для неподвижных объектов. Механизм повышения качества прост: чем меньше чувствительность, тем больше выдержка (время накопления сигнала), и тем лучше соотношение сигнал/шум. Для хороших камер "мобильников" нижний предел обычно бывает 50 ISO.

А чем выше верхний предел, тем больше возможностей получить хоть какое-то изображение при слабом освещении (правда, вместе со всеми полагающимися шумами). Для хороших камер мобильных устройств верхний предел обычно составляет 3200...6400 ISO. Теоретически, ничто не мешает установить верхний предел и сколь угодно большим, но изображения в этом случае уже не будет - будут лишь шумы со смутными контурами предметов.

Технологические усовершенствования (микролинзы и матрицы "с обратной засветкой", BSI ) появились как борьба с одним из принципиальных недостатков фотоматриц: светочувствительные пиксели не могли занимать всю поверхность матрицы; поскольку, кроме них, на поверхности матрицы располагаются транзисторы и соединительные проводники.

Для устранения этих недостатков внедрили две технологических новинки. Сначала перед пикселями стали располагать собирающие свет микролинзы; а затем светочувствительные пиксели стали располагать не на той стороне подложки, где находятся проводники и транзисторы, а на обратной. В результате схематично современная фотоматрица выглядит "в разрезе" примерно так:

(изображение взято и з чешского раздела Википедии)

Итог второй части наших исследований:

- Пределы возможных значений чувствительности не принципиальны, но желательно, чтобы они были хотя бы в диапазоне 80...3200 ISO , либо в более широком в ОБЕ стороны (и вниз, и вверх).

Технологические особенности (микролинзы, матрица с обратной засветкой) сейчас используются практически для всех камер мобильных устройств, начиная со среднего ценового диапазона, и рассматривать их как преимущество смысла нет. Для устройств на "вторичном рынке" использование этих технологических особенностей может быть весомым аргументом "за".

Остальные параметры матриц в этой статье рассматривать не будем, так их очень много (десятки!), а производителями мобильных устройств они все равно не упоминаются.

Типовые дефекты снимков из-за проблем оптической системы

Хотя снаружи в камерах смартфонов и планшетов видно только одну очень маленькую линзу, на самом деле это - только вершина айсберга под названием "объектив". Объектив устроен очень сложно и имеет несколько линз и несколько диафрагм (подробнее - в статье "Устройство камеры смартфона"). Все эти "навороты" нужны для борьбы с геометрическими и цветовыми искажениями, а также для обеспечения равномерности фокусировки по полю матрицы.

Рассмотрим типовые примеры, что бывает, когда оптика камеры смартфона несовершенна.

Случай №1. Неравномерность цвета ("цветовое виньетирование"):

(кликнуть для увеличения)

Обратите внимание, что на фотографии центр снимка имеет явственный розовый оттенок, а края - зеленый. Но это - не единственная проблема этого снимка. Переходим к случаю №2.

Случай №2. Зоны нерезкости на снимке.

Если увеличить приведенный выше снимок до 100%, то можно заметить, что в правом верхнем углу "картинка" гораздо более "размыта", чем на всех остальных частях кадра. Посмотрим, для сравнения, на увеличенные до 100% фрагменты из левого верхнего угла и из правого верхнего:

Данная проблема является следствием элементарной геометрической "кривизны" в каком-то из элементов оптической системы. Причем дислокация зоны нерезкости и вообще её наличие могут меняться от экземпляра к экземпляру телефона одной и той же модели.

Но следует иметь в виду, что сам по себе факт снижения резкости по краям снимка еще не является дефектом. Такое явление свойственно почти всем камерам "мобильников", кроме самых дорогих. Дефектом является аномальное ухудшение резкости в какой-либо отдельной области снимка.

Два только что описанных дефекта никак не следуют из технических параметров камеры смартфона. Их можно обнаружить, только внимательно просматривая тестовые фотографии в обзорах устройств.

Параметры оптической системы

А теперь разберем те параметры оптической системы, которые производители смартфонов обычно указывают в технических характеристиках устройств.

Чаще всего таких параметров - немного, всего два: относительная диафрагма (светосила) и количество элементов оптической системы. Но бывает, что к ним еще добавляют фокусное расстояние объектива, угол зрения, величину оптического и электронного зума, и, иногда, еще какую-нибудь второстепенную "мелочевку".

Начнем с количества элементов оптической системы. Количество элементов, теоретически, чем больше - тем лучше; ибо каждый элемент должен как-то улучшать изображение. При этом надо помнить, что количество элементов не означает количество линз; в число элементов входят и диафрагмы. Но абсолютно прямой связи между числом элементов и качеством изображения всё-таки нет.

Насчет же первого из упомянутых параметров - относительной диафрагмы - поговорим поподробнее.

Относительная диафрагма обозначается буквой F и числом, получается выражение вида, например, F /1.8 . Это число обозначает, во сколько раз эффективное значение величины отверстия для прохождения света МЕНЬШЕ "идеального". Под "идеальным" понимается освещенность мишени объективом без потерь, диаметр которого равен фокусному расстоянию.

Поскольку в объективе всегда присутствуют потери, а также расстояние от передней линзы не совпадает с фокусным расстоянием объектива в целом, то значение F всегда больше 1. Причем, поскольку количество пропускаемого света пропорционально не линейному размеру, а площади отверстия, то оно уменьшается пропорционально КВАДРАТУ числа F/.

Принципиальное отличие диафрагмы в камерах мобильных устройств от "настоящих" фотоаппаратов состоит в том, что в мобильных устройствах она - не регулируется (т.е. фиксированная величина). А в настоящих фотоаппаратах она может физически изменяться за счет сжатия или расширения образующих её лепестков.

С точки зрения качества фотоснимков, чем число в знаменателе выражения F/x.x у камеры "мобильника" меньше, тем лучше; поскольку это означает бОльший световой поток на матрице и лучшее соотношение сигнал/шум.

У лучших камер мобильных устройств относительная диафрагма составляет от F/2.0 до F/1.7, у остальных - от F/2.2 и выше. Меньше знаменатель - лучше.

Но, если камера имеет оптический зум, то величина F/ может меняться даже несмотря на то, что диафрагма в камерах мобильных устройств - фиксированная. Это происходит из-за того, что положение линз при увеличении зума меняется таким образом, что оптический центр объектива удаляется от матрицы, и её освещенность падает. Соответственно, изменяется и число F/ (относительная диафрагма).

Остальные параметры - менее значительны, да и не всегда упоминаются производителями.

Фокусное расстояние объектива само по себе ни о чем не говорит, но совместно с размером матрицы оно определяет угол зрения. Для большинства тыловых (основных) камер угол зрения (поле зрения) составляет 65-75 градусов, для фронтальных камер - до 90 градусов. При выборе "мобильника" на этот параметр не надо обращать внимания. Правда, если Вам, например, нужна непременно широкоугольная камера, то есть смысл обратить внимание на некоторые модели смартфонов с несколькими камерами, в число которых входит и широкоугольная типа "рыбий глаз".

Проблемы программной обработки фотоснимков

Перед тем, как мы увидим фотографию, смартфон (планшет) её основательно обрабатывает программно на уровне прошивки, приводя к "удобоваримому" виду. Подавляющее большинство этих операций - линейные; то есть, представляют собой необходимую корректировку яркости, контрастности, цветности, и интерполяцию, если разрешение снимка установлено пользователем не совпадающим с разрешением матрицы.

Как выглядят необработанные фотографии в том виде, в каком они приходят с матрицы в смартфон, можно на тех смартфонах, где имеется возможность сохранения фото в RAW (это и есть необработанный формат):

(исходный файл в RAW (DNG) можно скачать , 23 Мб)

Эта фотография имеет бледные цвета, неравномерную яркость (кажется, что небо в центре вокруг храма светлее, но это - не чудо, а дефект), и еще кое-какие недостатки. Смартфон это выправляет, обработанная смартфоном фотография выглядит так:

По поводу неравномерной яркости изображения надо еще добавить, что она отражается и на уровне шумов. Яркость изображения снижается примерно в 1.6 раза к краям, и в 2.2 раза - к углам изображения относительно центра. Отсюда следует, что чем дальше от центра - тем уровень шумов на фотографии будет выше, а четкость - ниже. Соответственно, эти явления надо считать в определенной мере естественными.
Правда, к ухудшению четкости может свою лепту добавить и кривизна оптики. В этом случае расположение мест ухудшения четкости будет несимметричным, см. предыдущий пример фотографии.

Но, кроме линейных операций при обработке таких фото, есть и две нелинейные операции, когда смартфон (планшет) сами дорисовывают на снимке то, чего на нем не было (или убирают то, что было). Эти операции - "шарпинг" и "шумодав".

Начнем с "шарпинга" (дословно с английского - "обострение").
"Шарпинг" - это операция подчеркивания контуров предметов на снимке.
Алгоритм её работы, не вдаваясь в математические подробности, таков: обнаружить контуры предметов, и сделать их более четкими. А для этого - светлую сторону контура сделать светлее, а темную - темнее.

Вот пример "правильной" работы шарпинга:

Посмотрите на фрагмент снимка в масштабе 100%:

Если ОЧЕНЬ хорошо присмотреться, то можно заметить вокруг темной части купола церкви светлую полоску на фоне неба. Толщина этой полоски - всего несколько пикселей. Это и есть "правильная" работа шарпинга - когда она почти не заметна.

А теперь посмотрим пример "неправильной" работы шарпинга:

Посмотрите на фрагмент из левого верхнего угла снимка в масштабе 100%:

Небо и некоторые части здания усыпаны точечками, завитушками и полосочками. Их создал шарпинг, пытаясь подчеркнуть контуры несуществующих предметов; за которые он принял, скорее всего шумы и мелкие неравномерности фона.
В результате картинка получилась с сильными искажениями.

Аналогичные дефекты могут сопровождать и работу "шумодава".
Система шумоподавления должна (по идее) убирать мелкие крапинки, возникающие на равномерном фоне из-за шумов; особенно - в условиях пониженного освещения.
Но на практике часто этот алгоритм работает туповато и начинает "размазывать" мелкие детали на вполне нормальном снимке с хорошим освещением.

Посмотрим на пример ошибочной работы "шумодава":

Посмотрите на фрагмент центральной части снимка в масштабе 100%:

На этом фрагменте отлично видно, что высококонтрастные части снимка получились хорошо; а те места, где находится повышенная концентрация небольших малоконтрастных деталей (веток деревьев), "размазаны" системой шумоподавления, поскольку ошибочно приняты за шум.

Также к ошибкам в программной обработке можно отнести и некоторые дефекты в цветопередаче .

Вариантов в ошибках цветопередачи может быть два: ошибочный цветовой баланс фотографии и низкая насыщенность цветов.

Так выглядит фотография со смещением цветового тона в сторону "тёплых" цветов:

Дефект цветового баланса признаётся таковым только в том случае, если он проявляется на фотографиях систематически. Если же он появляется на фото только иногда, то это - случайное отклонение, вызванное, как правило, специфическими условиями освещения в момент съёмки; и в "зачёт" как дефект не идёт.

Второй дефект программной обработки - низкая цветовая насыщенность - выглядит на фото так:

Сначала даже кажется, что эта фотография - чёрно-белая. Но приглядевшись, потом замечаешь, что трава - чуть-чуть зелёная. :)

Справедливости ради надо сказать, что последние два дефекта (цветового баланса и цветовой насыщенности) встречаются очень редко.

Дефекты в программной обработке никак не следуют из технических параметров камеры; их можно обнаружить, только просматривая тестовые фотографии в обзорах.

Как выбрать смартфон с хорошей камерой?

Итак, разобрав отдельные аспекты теории и практики, пора перейти к полезному применению полученных знаний.

Каков же алгоритм поиска смартфона с хорошей камерой?

Порядок действий будет примерно таким.

1 . Выбрать для детального анализа несколько смартфонов, у которых есть положительная репутация по части камер; или же производители сами заявили о таковой (иногда им можно верить:)). Скорее всего, это будут смартфоны не ниже среднего ценового диапазона и с разрешением основной камеры строго выше 10 Мпикс.

2 . Попытаться найти информацию о том, какой тип камеры (сенсора) установлен в смартфоне (смартфонах). Обычно эта информация публикуется на официальных сайтах производителей смартфонов. Если там не удалось найти такую информацию, можно попытаться найти её на сайте kimovil.com (найдя там характеристики заинтересовавшего смартфона).
Определить тип камеры в смартфоне (планшете) "постфактум" (после приобретения) можно с помощью утилиты "Device Info HW" , загрузив её на устройство из магазина приложений Play Market (для устройств на ОС Android) ; подробнее - в следующей главе.

3 . Далее по типу камеры (сенсора) найти её технические характеристики. Это можно сделать как через поисковики в интернете, так и на официальных сайтах и в англоязычной Википедии. Вот несколько полезных ссылок для сенсоров наиболее известных производителей: SONY (Википедия) , SONY (сайт производителя) , OmniVision (сайт производителя) , Samsung (сайт производителя) , Samsung (Википедия) . Список других производителей (в т.ч. китайских) - .

4 . В найденных технических параметрах камеры (сенсора) в первую очередь следует обратить внимание на физический размер матрицы. При равенстве примененных технологий чем размер матрицы больше, тем лучше получается изображение как по детализации, так и по уровню шумов.
На число мегапикселей обращать внимание следует во вторую очередь, это менее критичный параметр. Бо льшее количество мегапикселей позволяет получить снимки с лучшей детализацией при хорошем освещении, но с бо льшими шумами при пониженном освещении.
Следует также иметь в виду при этом, что в графических редакторах из изображения с бо льшим количеством пикселей всегда можно получить изображение с меньшим (с попутным уменьшением уровня шумов), а обратная операция приводит только к потере резкости и размытию контуров.

5 . Найти обзоры выбранного смартфона (смартфонов) с примерами полноразмерных фотографий (без сжатия размера). Далее желательно проанализировать те из них, в которых содержится максимальное число мелких деталей. Следует обратить внимание на типовые дефекты, перечисленные выше в статье: цветовое виньетирование, наличие областей нерезкости, чрезмерная работа шарпинга и/или шумодава. Если уровень этих дефектов велик, то отбрасываем данный смартфон из рассмотрения. Возвращаемся к пункту 1. :)

6 . Предпоследний пункт, "факультативный" (не обязательный). Рассмотреть возможность приобретения смартфона со сдвоенной камерой. Предназначения сдвоенной камеры могут быть различные.
Если вторая камера - черно-белая, то это позволяет улучшить соотношение сигнал/шум для съемок при пониженном освещении или же сделать качественные черно-белые (монохромные) фотографии.
Также вторая камера может быть и цветной, но с другим разрешением и/или углом зрения. Такие камеры используются обычно используются для определения переднего и заднего плана и создания "эффекта боке" (размытия заднего плана).
Еще один вариант - когда вторая камера имеет большее фокусное расстояние, чем первая. В этом случае она дает оптическое увеличение объектов и используется для создания оптического зума.
Есть ещё и смартфоны с эффектом, обратным предыдущему, т.е. когда вторая камера имеет меньшее фокусное расстояние и делает снимки в стиле "рыбий глаз".
И, наконец, последний вариант - когда вторая камера установлена "для красоты" и полезности в виде улучшения качества снимков или создания творческих эффектов не приносит. Этим грешат, как обычно, смартфоны дешевых китайских производителей.

7 . И последний пункт, тоже факультативный. Изучить по обзорам наличие и работу системы стабилизации изображения: эта система поможет уменьшить "субъективные" факторы ухудшения качества снимков, в первую очередь из-за дрожания камеры.

Как определить, какая камера установлена в Вашем смартфоне (планшете)?

Для смартфонов на системе Android существует отличная утилита, показывающая тип установленных камер (точнее - их сенсоров). Она называется "Device Info HW " и устанавливается легко и непринужденно из магазина приложений Play Market (бесплатно).Утилита считывает из смартфона (планшета) конфигурационную информацию и представляет её в удобочитаемом виде.

Раздел "Камера" в этом приложении выглядит так:

(кликнуть для увеличения)

Верхняя часть таблицы показывает реальные (аппаратные) параметры камер, а нижняя часть - программные (интерполированные). От более высоких интерполированных параметров полезности нет, так как пока что такие алгоритмы детализации добавить не могут (хотя в Google и работают над этой проблемой - как "дорисовать" на фотографии то, чего на ней нет:)).
Также эта диагностическая утилита определяет наличие вспышек при камерах и показывает эту информацию в таблице. Эта возможность может быть интересна в связи с тем, что известны случаи, когда в некоторых смартфонах вспышка для фронтальной камеры была "муляжом", т.е. реально не работала. Эта утилита в таких случаях показывает пользователю, что реально там вспышки нет, и не надо мучиться и пытаться заставить её работать. :)
В приведенном примере основная (тыловая) камера - Samsung S5K3P3 ,имеет разрешение в 1 6 мегапикселей; фронтальная камера - SuperPix SP8407 , разрешение - 8 мегапикселей.

К сожалению, утилита не всегда может показать модель сенсора, особенно для платформ Qualcomm (qcom) . В некоторых случаях для доступа к соответствующей информации в смартфоне могут потребоваться права ROOT , которые, в свою очередь, не для всех моделей удается получить. Также надо иметь в виду, что при получении прав ROOT могут отказаться работать системы бесконтактных платежей - с их точки зрения, это - нарушение правил безопасности.

Правда, в этом случае утилита может показать список совместимых камер, а уже из этого списка есть шанс методом сличения параметров найти ту, которая и применена.

Другие производители:
GalaxyCore (Китай)

Ваш Доктор .
22 февраля 2017 г., с дополнениями от 27 января 2018 г.

Порекомендуйте эту страницу друзьям и одноклассникам Статья:

Устройство дисплея мобильного телефона (смартфона) и планшета. Устройство жидкокристаллического экрана. Типы дисплеев, их отличия.

Предисловие

В этой статье мы разберем устройство дисплеев современных мобильных телефонов, смартфонов и планшетов. Экраны крупных устройств (мониторов, телевизоров и т.п.), за исключением небольших нюансов, устроены аналогично.

Разборку будем проводить не только теоретически, но и практически, со вскрытием дисплея "жертвенного" телефона.

Рассматривать, как устроен современный дисплей, мы будем на примере наиболее сложного их них - жидкокристаллического (LCD - liquid crystal display ). Иногда их называют TFT LCD , где сокращение TFT расшифровывается "thin-film transistor" - тонкопленочный транзистор; поскольку управление жидкими кристаллами осуществляется благодаря таким транзисторам, нанесенным на подложку вместе с жидкими кристаллами.

В качестве "жертвенного" телефона, дисплей которого будет вскрыт, выступит дешевенький Nokia 105.

Основные составные части дисплея

Жидкокристаллические дисплеи (TFT LCD , и их модификации - TN, IPS, IGZO и т.д.) состоят укрупненно из трех составных частей: сенсорной поверхности, устройства формирования изображения (матрица) и источника света (лампы подсветки).Между сенсорной поверхностью и матрицей расположен еще один слой, пассивный. Он представляет собой прозрачный оптический клей или просто воздушный промежуток. Существование этого слоя связано с тем, что в ЖК-дисплеях экран и сенсорная поверхность представляют собой совершенно разные устройства, совмещенные чисто механически.

Каждая из "активных" составных частей имеет достаточно сложную структуру.

Начнем с сенсорной поверхности (тачскрин, touchscreen). Она располагается самым верхним слоем в дисплее (если она есть; а в кнопочных телефонах, например, ее нет).
Её наиболее распространенный сейчас тип - ёмкостная. Принцип действия такого тачскрина основан на изменении электрической емкости между вертикальными и горизонтальными проводниками при прикосновении пальца пользователя.
Соответственно, чтобы эти проводники не мешали рассматривать изображение, они делаются прозрачными из специальных материалов (обычно для этого используется оксид индия-олова).

Существуют также и сенсорные поверхности, реагирующие на силу нажатия (т.н. резистивные), но они уже "сходят с арены".
В последнее время появились и комбинированные сенсорные поверхности, реагирующие одновременно и на емкость пальца, и на силу нажатия (3D-touch -дисплеи). Их основу составляет емкостной сенсор, дополненный датчиком силы нажатия на экран.

Тачскрин может быть отделен от экрана воздушным промежутком, а может быть и склеен с ним (так называемое "решение с одним стеклом", OGS - one glass solution).
Такой вариант (OGS) имеет значительное преимущество по качеству, поскольку уменьшает уровень отражения в дисплее от внешних источников света. Это достигается за счет уменьшения количества отражающих поверхностей.
В "обычном" дисплее (с воздушным промежутком) таких поверхностей - три. Это - границы переходов между средами с разным коэффициентом преломления света: "воздух-стекло", затем - "стекло-воздух", и, наконец, снова "воздух-стекло". Наиболее сильные отражения - от первой и последней границ.

В варианте же с OGS отражающая поверхность - только одна (внешняя), "воздух-стекло".

Хотя собственно для пользователя дисплей с OGS очень удобен и имеет хорошие характеристики; есть у него и недостаток, который "всплывает", если дисплей разбить. Если в "обычном" дисплее (без OGS) при ударе разбивается только сам тачскрин (чувствительная поверхность), то при ударе дисплея с OGS может разбиться и весь дисплей целиком. Но происходит это не всегда, поэтому утверждения некоторых порталов о том, что дисплеи с OGS абсолютно не ремонтируемые - не верно. Вероятность того, что разбилась только внешняя поверхность - довольно велика, выше 50%. Но ремонт с отделением слоев и приклейкой нового тачскрина возможен только в сервис-центре; отремонтировать своими руками крайне проблематично.

Экран

Теперь переходим к следующей части - собственно экрану.

Он состоит из матрицы с сопутствующими слоями и лампы подсветки (тоже многослойной!).

Задача матрицы и относящихся к ней слоев - изменить количество проходящего через каждый пиксель света от лампы подсветки, формируя тем самым изображение; то есть в данном случае регулируется прозрачность пикселей.

Немного детальнее об этом процессе.

Регулировка "прозрачности" осуществляется за счет изменения направления поляризации света при прохождении через жидкие кристаллы в пикселе под воздействием на них электрического поля (или наоборот, при отсутствии воздействия). При этом само по себе изменение поляризации еще не меняет яркости проходящего света.

Изменение яркости происходит при прохождении поляризованного света через следующий слой - поляризационную пленку с "фиксированным" направлением поляризации.

Схематично структура и работа матрицы в двух состояниях ("есть свет" и "нет света") изображена на следующем рисунке:

(использовано изображение из нидерландского раздела Википедии с переводом на русский язык)

Поворот поляризации света происходит в слое жидких кристаллов в зависимости от приложенного напряжения.
Чем больше совпадут направления поляризации в пикселе (на выходе из жидких кристаллов) и в пленке с фиксированной поляризацией, тем больше в итоге проходит света через всю систему.

Если направления поляризации получатся перпендикулярными, то свет теоретически вообще проходить не должен - должен быть черный экран.

На практике такое "идеальное" расположение векторов поляризации создать невозможно; причем как из-за "неидеальности" жидких кристаллов, так и не идеальной геометрии сборки дисплея. Поэтому и абсолютно-черного изображения на TFT экране не может быть. На лучших LCD экранах контрастность белое/черное может быть свыше 1000; на средних 500...1000, на остальных - ниже 500.

Только что была описана работа матрицы, изготовленной по технологии LCD TN+film. Жидкокристаллические матрицы по другим технологиям имеют схожие принципы работы, но другую техническую реализацию. Наилучшие результаты по цветопередаче получаются по технологиям IPS, IGZO и *VA (MVA, PVA и т.п.).

Подсветка

Теперь переходим к самому "дну" дисплея - лампе подсветки. Хотя современная подсветка собственно ламп и не содержит.

Несмотря на простое название, лампа подсветки имеет сложную многослойную структуру.

Связано это с тем, что лампа подсветки должна быть плоским источником света с равномерной яркостью всей поверхности, а таких источников света в природе крайне мало. Да и те, что есть, не очень подходят для этих целей из-за низкого КПД, "плохого" спектра излучения, или же требуют "неподходящего" типа и величины напряжения свечения (например, электролюминесцентные поверхности, см. Википедию ).

В связи с этим сейчас наиболее распространены не чисто "плоские" источники света, а "точечная" светодиодная подсветка с применением дополнительных рассеивающих и отражающих слоев.

Рассмотрим такой тип подсветки, проведя "вскрытие" дисплея телефона Nokia 105.

Разобрав систему подсветки дисплея до её среднего слоя, мы увидим в левом нижнем углу единственный светодиод белого свечения, который направляет свое излучение внутрь почти прозрачной пластины через плоскую грань на внутреннем "срезе" угла:

Пояснения к снимку. В центре кадра - разделенный по слоям дисплей мобильного телефона. В середине на переднем плане снизу - покрытая трещинами матрица (повреждена при разборке). На переднем плане вверху - срединная часть системы подсветки (остальные слои временно удалены для обеспечения видимости излучающего белого светодиода и полупрозрачной "световодной" пластины).
Сзади дисплея видна материнская плата телефона (зеленого цвета) и клавиатура (снизу с круглыми отверстиями для передачи нажатия от кнопок).

Эта полупрозрачная пластина является одновременно и световодом (за счет внутренних переотражений), и первым рассеивающим элементом (за счет "пупырышков", создающих препятствия для прохождения света). В увеличенном виде они выглядят так:

В нижней части изображения левее середины виден яркий излучающий белый светодиод подсветки.

Форма белого светодиода подсветки лучше различима на снимке с пониженной яркостью его свечения:

Снизу и сверху этой пластины подкладывают обыкновенные белые матовые пластиковые листы, равномерно распределяющие световой поток по площади:

Его условно можно назвать "лист с полупрозрачным зеркалом и двойным лучепреломлением". Помните, на уроках физики нам рассказывали про исландский шпат, при прохождении через который свет раздваивался? Вот это похоже на него, только еще и немного с зеркальными свойствами.

Вот так выглядят обычные наручные часы, если часть их прикрыть этим листом:

Вероятное назначение этого листа - предварительная фильтрация света по поляризации (сохранить нужную, отбросить ненужную). Но не исключено, что и в плане направления светового потока в сторону матрицы эта пленка тоже имеет какую-то роль.

Вот так устроена "простенькая" лампа подсветки в жидкокристаллических дисплеях и мониторах.

Что касается "больших" экранов, то их устройство - аналогично, но светодиодов в устройстве подсветки там больше.

В более старых жидкокристаллических мониторах вместо светодиодной подсветки использовали газосветные лампы с холодным катодом (CCFL, Cold Cathode Fluorescent Lamp) .

Структура дисплеев AMOLED

Теперь - несколько слов об устройстве нового и прогрессивного типа дисплеев - AMOLED (Active Matrix Organic Light-Emitting Diode ).

Устройство таких дисплеев значительно проще, так как там нет лампы подсветки.

Эти дисплеи образованы массивом светодиодов и светится там каждый пиксель в отдельности. Достоинствами дисплеев AMOLED являются "бесконечная" контрастность, отличные углы обзора и высокая энергоэффективность; а недостатками - уменьшенный срок "жизни" синих пикселей и технологические сложности изготовления больших экранов.

Также надо отметить, что, несмотря на более простую структуру, стоимость производства дисплеев AMOLED пока что выше, чем дисплеев TFT LCD.