Miniaturní pixely ve smartphonech s Quad Bayerem: peklo či spása?

Zatímco ještě nedávno se většina telefonů "zasekla" na nějakých 12 až 16 MPx na svých hlavních fotoaparátech, dnes tu máme 50MPx, 64MPx, ba dokonce i 108MPx snímače. Dává takové rozlišení vůbec smysl? Využijí uživatelé telefonů tak enormní rozlišení, když na sociální sítě stačí megapixel... sotva jeden? Zdá se, že takový počet megapixelů moc smyslu nedává a pro svou cílovou skupinu je něco takového zbytečné. V podstatě tu máme jen nesmyslné číslo pro marketing. Je tomu ale skutečně tak? Na to se podíváme v dnešním testu, který ukáže výhody i nevýhody těchto snímačů, kde vše vězí v technologii slučování pixelů využívající zpravidla barevnou masku Quad Bayer. Tu ve specifikacích obvykle poznáte podle údaje "4-in-1".

 

 

O co ale vůbec jde? Normální senzory mají zpravidla klasickou RGB masku, kterou vidíte napravo, tedy červené, zelené a modré pixely. V každém pixelu se změří jen jeden barevný odstín (např. modrá) a ostatní (zelená a červená) se dopočítají z okolních pixelů. Tomuto procesu se říká demozaikování. Quad Bayer, který vidíte nalevo, v podstatě každý tento pixel dělí na čtyři další a místo jednoho modrého tu máte rovnou čtyři modré. Při focení se pak tyto čtyři pixely obvykle sloučí do jednoho. To je také důvodem, proč např. 64MPx telefony zpravidla fotí všechno do 16 MPx.

 

Malé pixely ale znamenají, že světlocitlivá plocha je kvůli bariérám mezi nimi menší, což zvyšuje výsledný šum, snižuje citlivost a zhoršuje dynamický rozsah (schopnost pobrat jasy i stíny zároveň), prostě všechno špatně. Tolik ale jen základní teorie. Proč to tedy výrobci dělají, když veškerá teorie hovoří proti tomu? Navíc tyto pixely jsou někdy už tak malé (i méně než 0,7µm), což se dostáváme na vlnovou délku světla. Je tedy jasné, že zde budeme mít i problémy s difrakcí (rozostřením světelných paprsků). Takže proč? Jen velké číslo v reklamních materiálech?

 

 

Vtip je v tom, že každý z této čtveřice pixelů (někdy jde dokonce i o devět pixelů) může být nastavený na různou expozici, pixely můžete slučovat nebo naopak neslučovat podle toho, čeho chcete dosáhnout. Snímač tak může do značné míry měnit své vlastnosti a výkony podle aktuálních podmínek a je univerzálnější.

 

V rámci jednoho velkého pixelu (skupiny 4 subpixelů) mohou některé subpixely fotit s nižším zesílením, méně tak šumět a vykreslit obraz v jasných světlech, kde by standardní pixel už trpěl na přepal, zatímco další pixely v rámci stejné skupiny mohou mít vyšší zesílení, přičemž jsou takto schopné naměřit dost užitečné informace ve stínech tam, kde ty ostatní vidí jen tmu. Místo jednoho měření jasu jsou výsledkem čtyři různá měření v téže oblasti, která se podílí na výsledné informaci v rámci jednoho výsledného pixelu. Jeden pixel tak má informaci o stínech i o světlech a může tak rozšířit svůj dynamický rozsah nad schopnosti jednotlivých subpixelů a snad i nad schopnosti velkého celistvého a neděleného pixelu. Výsledkem může být HDR z jediné expozice bez nutnosti pořizovat více různě exponovaných snímků, což často vede ke skládacím artefaktům. To zde nehrozí. Dynamický rozsah samotných subpixelů tak asi bude horší, ale když poskládají svá měření dohromady, právě dynamický rozsah může být výhodou tohoto řešení.

 

Co ale šum? Jak už bylo řečeno, bariéry mezi subpixely snižují světlocitlivou plochu. Na pixelové úrovni je teoreticky (ale i prakticky) šum výrazně větší, než kdyby se pixely nedělily. Když ale čtveřice sloučí svá měření dohromady, bariéry sice nezmizí a celková světlocitlivá plocha těchto čtyř subpixelů je kvůli nim o něco menší než bez dělení, každopádně se tyto hodnoty přibližují. I proto se často v materiálech k telefonům dozvíte např. to, že má telefon 0,8µm pixely a 1,6µm při využití slučování 4-in-1. Teoreticky by šum měl být vyšší i po sloučení.

 

Jednou z výhod tohoto řešení by měla být možnost fotit snímky i v původním nesloučeném rozlišení. Stále se měří jen jedna barva a dvě se dopočítávají, takže v zásadě nic nového pod sluncem, jen si občas musí pro některé chybějící barvy o něco dál. Na druhou stranu může využívat jen nejbližších sousedních subpixelů a ne celých pixelů. Dá se tedy předpokládat horší barevnost, ale naopak lepší detaily. Dnes si to prakticky vyzkoušíme.

 

 

Otázkou tedy je, jak se projeví Quad Bayer a malé pixely ve srovnání s těmi velkými. Potřebujeme tedy stejně velké senzory lišící se velikostí pixelů. To je těžký oříšek, takže jsem je tak trochu "vyrobil" ze dvou telefonů s Androidem a jednoho kompaktu. Základem tu máme telefon Samsung Galaxy A52s 5G s 1/1,7" snímačem s 64 MPx (slučovaných 16 MPx) a 0,8µm pixely (1,6µm po sloučení). Toto je náš referenční bod. Z ostatních zařízení se vždy budeme koukat na plošku ekvivalentní 1/1,7" senzoru (7,6×5,7 mm).

 

Druhým telefonem je pak realme 9 Pro+, který má větší 1/1,5" snímač s 50 MPx (slučovaných 12,5 MPx) a 1,0µm pixely (2,0µm po sloučení). V jeho případě tu máme čip s 8,8×6,6 mm, u něhož 1/1,7" ploška znamená cca 3540×2650 pixelů, tedy zhruba 9,4 MPx (neslučovaných 38 MPx). Pro snímač bez Bayera s velkými pixely tu máme kompakt Sony Cyber-shot RX100 s 1" čipem a 20MPx rozlišením, jehož pixely mají 2,4 µm. Na délku jsou tedy 3× delší než u Samsungu a plošně dokonce 9krát větší. U tohoto snímače 1/1,7" ploška znamená cca 3150×2360 pixelů, tedy 7,4 MPx.

 

Test proběhne jednoduše. Vyfotím snímky tak, aby na 1/1,7" ploše vytvořily vždycky stejný obraz (fotím stejnou plochu). Pak vezmu tento výřez odpovídající ploše 1/1,7" snímače a ten srovnáme v různých rozlišeních. Konkrétně v tom, ve kterém byly pořízeny, a pak při konverzi na stejné výstupní rozlišení. To znamená konverzi na rozlišení snímače s nejmenšími pixely i naopak s těmi největšími. Tak pojďme na to.

 

 

Po sloučení to tu máme pěkně odstupňované od 1,6 µm přes 2,0 µm až do 2,4 µm. Je zajímavé, že největší pixely překvapivě nemají nejnižší šum, což byl teoretický předpoklad. Jde už přece jen o starší snímač, nicméně je také pravdou, že ani nejnovější 1,0" snímače v kompaktech Sony s DRAM pamětí na tom nejsou se šumem o moc lépe. Vidíme, že největší pixely dávají nejmenší rozlišení a třeba červený nápis na knize vlevo dole je jasně lepší s menšími pixely. Výhodou je nicméně výraznější obraz, ten z menších pixelů je o něco "plošší". Co se ale stane, pokud snímky převedeme na nejmenší rozlišení, tedy rozlišení snímače s 2,4µm pixely, abychom srovnávali srovnatelné, tedy stejný výsledný výstup (stejný obraz při stejném rozlišení)?

 

Perspektiva se může lišit, protože jsem měl před stejnou 1/1,7" ploškou různé objektivy a musel jsem tedy měnit snímací vzdálenost, abych ji pokryl stejným obrazem (v tomto případě 76×57 cm).

 

 

Především na červeném textu na černém pozadí je jasně vidět výhoda v rozlišení u snímače s malými pixely. I když je výstupné rozlišení shodné u všech tří snímků (7,4 MPx), v prvním případě jsem bral z 16 MPx, zatímco v posledním šlo jen o oněch 7,4 MPx. Mohli bychom čekat výraznější šum u snímků z telefonů, ale je tomu naopak. Ty jsou nejen detailnější, ale navzdory teoretickým předpokladům méně zašuměné. Nakonec to ještě udělejme naopak a všechny snímky převeďme na 16 MPx.

 

 

Tentokrát jsem snímač s 0,8µm pixely o nic neochudil (v předchozím testu se zmenšovalo rozlišení na nejhorší úroveň). V tomto testu se naopak rozlišení zvyšovalo na úroveň snímače s nejvyšším rozlišením. Tedy z 9,4 na 16 MPx u čipu s 1,0/2,0µm pixely a ze 7,4 na 16 MPx z čipu s 2,4µm pixely. Je jasně vidět, že největší pixely podávají nejhorší obraz. Zdaleka nemá tak pěkné detaily, dokonce i šum se zvýraznil a snímek vypadá navzdory pixelům s největší plochou jako nejzašuměnější. To byste asi nečekali. V další kapitole nasadíme těžší kalibr a podíváme se na snímky při mnohem vyšších citlivostech.