Почему и как «большие пиксели» делают картинку лучше?

Question

Это выходит из сегодняшнего анонса iPhone 5S, когда Фил Шиллер сказал, что «большие пиксели» - это ключ к улучшению изображения.

1. Что это значит?
2. Это правда или просто маркетинговый ход?

Answer 1

Краткое резюме

Да, большие пиксели улучшают производительность при прочих равных условиях, и Apple делает хорошую вещь, фокусируясь на размере сенсора. Однако в этом случае увеличение размера настолько незначительно, что разница будет незначительной, вероятно, не соответствуя уровню улучшения, который вы можете ожидать от их маркетинга.

Что означают пиксели большего размера?

Это относится к размеру фотоприемников, представляющих пиксели, на датчике камеры.

Короче говоря, чем больше света достигает этих фотоприемников, тем точнее они могут измерять уровни освещенности, тем самым уменьшая шум. Чтобы упростить задачу, шум обычно является фактором при съемке в условиях низкой освещенности или в помещении.

Есть два способа получения фотоприемников большего размера на сенсоре:

1. Меньше пикселей.

2. Увеличьте датчик.

Первый - это компромисс с разрешением, который может или не может привести к чистому улучшению, тогда как последний - общий выигрыш. В iPhone 5S они ушли с последним, что хорошо.

Маленькие датчики, такие как сенсоры в мобильных телефонах и компактных камерах, больше всего страдают от маленьких пикселей, потому что при одинаковом количестве пикселей их пиксели должны быть намного, намного меньше, чем в зеркальных камерах и других профессиональных / профессиональных камерах. 1029 *

Мегапиксельная гонка

Желание втиснуть все больше и больше пикселей в датчики камеры приводит к уменьшению отдачи в разрешении и начинает наносить ущерб - или игнорирует улучшение - чувствительности небольших датчиков в мобильных телефонах и компактных камерах.

К сожалению, это было обусловлено менталитетом, что «больше пикселей = лучшая камера», так как количество мегапикселей очень просто для продажи вашей камеры. На самом деле, уменьшение отдачи гарантирует, что чем больше пикселей вы добавляете, тем менее важно добавить больше, и мы приближаемся к тому моменту, когда множество датчиков, особенно крошечные внутри мобильных телефонов, не могут даже разрешить достаточное разрешение в любом случае, чтобы оправдать количество мегапикселей, из-за свойств используемого объектива и самого четкого изображения, которое они могут создать на сенсоре.

Достижения в области сенсорных технологий, таких как микролинзы и задняя подсветка, наряду с более продвинутыми алгоритмами шумоподавления, в некоторой степени компенсировали потерю чувствительности из-за увеличения числа пикселей в таком маленьком сенсоре, но недостаточно далеко: сегодня камеры мобильного телефона все еще шумят в помещении и при недостаточном освещении из-за их небольшой площади для сбора света.

Очень сложно продать свою камеру на основе чувствительности или других аспектов качества изображения, когда количество мегапикселей остается основной маркетинговой статистикой, связанной с цифровыми камерами, однако вводящей в заблуждение.

Так почему же Apple продвигает это так?

Неосведомленная публика все еще ожидает, что если камера улучшится, число ее мегапикселей возрастет.

Apple, однако, выпускает «лучшую» камеру в своем мобильном телефоне, но без увеличения числа мегапикселей.

Технически, это хорошая идея качества изображения. Тем не менее, людям трудно объяснить, почему это так, если они были уверены, что количество мегапикселей является основным показателем качества изображения.

Маркетинг камеры iPhone 5S таким способом является попыткой:

1. Сдвиг маркетинга сенсоров камер от количества пикселей к чувствительности и другим аспектам качества.

2. Отвлекают внимание от того факта, что число мегапикселей, которое многие люди все еще считают определяющим качеством изображения, не возросло.

К сожалению, они не первые, кто попытается совершить эту же революцию, и не будут последними. Мегапиксельный миф очень прочно укоренился.

Примечание: в ответ на некоторые комментарии ниже я определяю «миф о мегапикселях» как миф о том, что количество пикселей является основным фактором, определяющим качество изображения, и что большее количество пикселей всегда лучше, а не количество пикселей не имеет никакой пользы. Проблема, связанная с мифом о мегапикселях, также связана с тем, что он отвлекает от важной статистики, такой как размер сенсора, о которой практически никогда не говорят для мобильных телефонов и компактных камер.

Это правда или маркетинговый ход?

Это технически правда, но в этом случае разница настолько мала, что может быть незначительной.

Это правда, что сохранение одинакового количества пикселей и увеличение каждого пикселя приводит к лучшей чувствительности, и именно это они и сделали. Это должно привести к снижению шума (или, если в результате камера может использовать более высокие скорости, возможно, к уменьшению размытости при слабом освещении). Их фактическое утверждение о том, что «больше пикселей = лучшая картинка», является упрощением этого и может ввести в заблуждение людей, полагая, что их изображения при дневном свете на открытом воздухе также могут быть улучшены, что не так. Но в сценариях при слабом освещении улучшенная чувствительность даст преимущество.

Однако , они не сделали их намного больше. При только при увеличении размера датчика на 6,6% любой результирующий прирост чувствительности будет крошечным: настолько малым, что будет незначительным. Чтобы поместить это в перспективу, у DSLR есть датчик, который приблизительно на 500-900% такой же большой как компактная камера. То, что приведет к значительному увеличению чувствительности нескольких диафрагм. Увеличение на 6,6% очень незначительно. Это составляет примерно одну шестую одного f-стопа.

Так что это тоже маркетинговый ход. Чтобы получить какие-либо существенные выгоды, они должны были бы увеличить размер датчика намного больше. Это также маркетинговый ход, потому что раньше их маркетинг фокусировался на количестве мегапикселей, и все же они теперь изменили способ, которым они продают , потому что они решили не увеличивать количество мегапикселей и все еще хотят иметь возможность похвастаться что они улучшили камеру.

Answer 2

Теоретически иметь больше меньших пикселей лучше, чем иметь меньше больших пикселей.

Небольшой пиксель будет захватывать меньше фотонов, и, следовательно, его выходной сигнал будет более шумным, но, беря больше выборок, шум усредняет, с помощью простой повторной выборки вы можете смоделировать результат датчика с меньшим количеством больших пикселей.

Но вы можете сделать лучше, чем просто сопоставить результат с большими пикселями. Более мелкие пиксели вместе собирают больше информации. Большие пиксели позволяют узнать, сколько фотонов попало, скажем, в область 5 мкм × 5 мкм. Небольшие пиксели также показывают, сколько фотонов попало в ту же область, но также могут показать, сколько попало в верхнюю левую область 25 мкм × 25 мкм, нижнюю правую область 25 мкм × 25 мкм и т. Д. Эта дополнительная информация может использоваться для более разумной повторной выборки, чтобы снизить шумность. более детальные изображения с тем же разрешением, что и у камеры с более чувствительными пикселями большего размера.

На практике вещи никогда не бывают совершенно равными. Когда шум считывания учитывается, считывание значений с 4 меньших пикселей означает четырехкратное снижение шума считывания, что приводит к усилению шума в тенях и снижению DR. Это не должно быть проблемой с последними датчиками Sony Exmor со сверхнизким шумом чтения, но может быть причиной, по которой Canon с 2013 года не выпускала корпус с более чем 22MP).

Пиксели не являются плоскими объектами. Обычно светочувствительная часть находится внизу, а окружающая электроника - слоями вверху. Это делает пиксели немного похожими на колодец. Когда вы делаете пиксели очень очень маленькими, пропорция светочувствительной области уменьшается, а глубина скважины и пропорция ее ширины становятся намного больше, уменьшая количество углов, от которых она может получать свет, и, следовательно, чувствительность.

Это то, где они работают с датчиками камеры телефона, они не могут увеличить количество пикселей без серьезного ущерба для доли заполнения и угловой эффективности, поэтому, чтобы попытаться привлечь потребителей, они уменьшают количество пикселей. Лучшее решение - увеличить сенсор, но для этого понадобится объектив большего размера и не будет сверхтонкого корпуса, который продается во многих телефонах.

Существуют также недостатки, связанные с меньшим количеством пикселей большего размера. Снижение частоты дискретизации приводит к увеличению муара, что требует более мощных фильтров сглаживания, что усугубляет проблему пониженного разрешения. Более низкая частота дискретизации также приводит к большему количеству ошибок демозаики.

К сожалению, мантра «маленькие пиксели плохо» применяется к разным форматам и заставляет производителей камер неохотно продвигать качество вперед за счет увеличения числа пикселей, так как «общепринятая мудрость» заключается в том, что это плохая идея и делает изображения более шумными, более склонен к сотрясению камеры и требует лучших объективов (каждый из этих пунктов не соответствует действительности).

Answer 3

Основная идея здесь заключается в том, что больший датчик дает лучшую картинку (если датчики используют ту же технологию). Что Apple сделала, так это увеличила размер сенсора, и, сохранив одинаковое количество пикселей, каждый пиксель будет иметь более высокое отношение сигнал / шум, что приведет к лучшему изображению.

Answer 4

Все дело в том, чтобы поймать свет, который входит максимально точно.

Это довольно просто, с большей поверхностью (на пиксель) вы поймаете больше света и сможете получить более точное представление об этом свете в конечном результате.

Это правда, что фотография будет лучше, но только 15% на пиксель не впечатляет. Так что это тоже маркетинг. Nokia сделала то же самое с их PureView. Понижение частоты дискретизации с 41 мегапикселя до 5-10 мегапикселей также значительно снизит уровень шума. PureView от Nokia будет лучше, если вы спросите меня.

Answer 5

Есть два основных преимущества от создания больших пикселей:

1. большие пиксели собирают больше света, поэтому датчик более чувствителен. Это означает, что в условиях плохой освещенности вы можете снимать с низким ISO и т. Д. С низким уровнем шума.

2. при большой апертуре (например, f / 2.2) и небольшом сенсоре происходит случайное взаимодействие многих световых лучей с различными пикселями, которые размывают изображение. И это понизит разрешение.

Однако даже если мы развенчиваем хорошо известный миф о мегапикселе, мы обобщаем «чем больше, тем лучше» правда о сенсорах. Конечно, как указано выше, правда, но производительность камеры зависит от многих других факторов. Чтобы проецировать изображение на датчик большего размера, поддерживающий небольшое расстояние между фронтальной линзой и датчиком (как это должен делать iPhone), вам нужно больше линз, и если качество одного из этих объективов не очень хорошее, все характеристики Система будет худшей. Так что «Большие пиксели = лучшая картинка» - это скорее лозунг, чем закон.