Чем отличается камера смартфона от фотоаппарата? Раскрываем все карты!

Мой критический анализ нового камерофона Sony Xperia PRO-I вызвал довольно бурную реакцию со стороны фанатов бренда (не только на нашем сайте, но и на других площадках).

Кто-то не мог принять тот простой факт, что размер матрицы сам по себе не влияет ни на «светочувствительность» камеры, ни на степень размытия фона (боке). Других буквально оскорбило то, что размер пикселей никак не влияет на их светочувствительность при плохом освещении.

А если бы я сказал, что относительное отверстие объектива (например, f/2.8 или f/1.8) вообще ничего не говорит нам об общем количестве света, которое захватывает конкретная камера, меня бы обвинили в тотальной безграмотности и непонимании основ фотографии.

Это очень распространенные заблуждения не только среди новичков, но и профессиональных фотографов со стажем. Поэтому, надеюсь, после прочтения этой статьи, вас больше не будут смущать подобные вопросы:

• Почему смартфон с объективом f/1.8 снимает гораздо хуже большого фотоаппарата с f/1.8?
• Почему размер пикселя никак не связан с его светочувствительностью?
• Почему размер матрицы не влияет ни на её светочувствительность, ни на силу размытия фона (боке)?
• Есть ли какая-то простая формула, позволяющая понять, аналогом какого зеркального фотоаппарата является тот или иной камерофон?
• Можно ли только по техническим характеристикам определить, камера какого смартфона захватывает больше света?

Также после теоретической части мы рассмотрим несколько примеров популярных камерофонов и сравним их камеры с точки зрения физики.

Не забывайте, что современная мобильная фотография — это симбиоз алгоритмов и физики. Для того, чтобы нейросеть смогла обработать снимок, его необходимо вначале получить. И здесь уже смартфону, каким бы умным он ни был, придется подчиниться старым-добрым законам природы.

Да будет свет!

Для качественного снимка нет ничего важнее света. Ведь фотография — это и есть попытка поймать и сохранить свет таким, каким он был в определенном месте и времени.

Из этого простого факта напрашивается логический вывод — чем больше света сможет поймать камера, тем качественнее будет фотография. И не важно, смартфон это или профессиональный зеркальный фотоаппарат. Кто поймал больше света, тот и выиграл.

Но если немножко подумать, станет очевидным еще один факт. Недостаточно просто собрать как можно больше света, его нужно еще удержать внутри. Даже если в каждую камеру «залить» одно и то же количество света, выиграет та, которая сможет с ним справиться.

И здесь мы сразу подходим к самому популярному заблуждению, которое нужно устранить прежде, чем продолжать разговор о камерах смартфонов.

Я утверждаю, что:

Относительное отверстие объектива не имеет отношения к общему количеству света, собранного камерой.

Более того:

Яркость фотографии никак не связана с количеством собранного камерой света.

Другими словами, разные объективы с одним и тем же относительным отверстием (f/2.8) за одно и то же время могут захватывать совершенно разное общее количество света, отличающееся в разы!

Более того, итоговая яркость двух снимков может быть идентичной, даже если эти снимки были «собраны» из совершенно разного количества света.

Давайте разбираться с этими утверждениями, начав с последнего.

Количество света и яркость снимка

Проведем простой эксперимент. Достаем большой 12-Мп зеркальный фотоаппарат с объективом 50 мм f/1.8 и смартфон с камерой, у которой аналогичные угол обзора, разрешение матрицы и относительное отверстие (f/1.8).

Делаем снимки с одинаковой выдержкой (1/60 секунды) и видим, что оба снимка одинаковы по яркости (может быть незначительное несоответствие из-за невозможности подобрать точное значение ISO камеры):

Они получились темноватыми, так что повторим опыт, вдвое увеличив время выдержки на обеих камерах:

Оба снимка стали одинаково ярче. Обратите внимание на яркость предмета в фокусе (черного объектива) и стола — всё практически одинаково, за исключением силы размытия фона. Но к этому мы вернемся позже.

На этом моменте многие могут подумать, что обе матрицы за одно и то же количество времени (1/60 секунды) получили одно и то же количество света, так как использовались объективы с одинаковым относительным отверстием f/1.8. Отсюда и одинаковая яркость снимков.

Это вовсе не так и причина одинаковой яркости совсем другая.

В реальности матрица большого фотоаппарата в разы крупнее крохотной матрицы смартфона. Но так как обе матрицы имеют одно и то же разрешение (количество пикселей), то один пиксель фотоаппарата (A) намного крупнее аналогичного пикселя мобильной камеры (B):

Если физический пиксель на матрице полностью заполнен фотонами света, тогда соответствующая точка на фотографии будет отображаться белым цветом. Если же реальный пиксель заполнен только наполовину, то на фотографии эта точка будет серого цвета:

Думаю, вы уже понимаете, что абсолютное количество света не имеет никакого отношения к яркости точек на фотографии. Ведь для того, чтобы заполнить крупный пиксель на 100% и получить белый цвет на фото, нужно, скажем, 7000 фотонов, а для крохотного пикселя — всего 1000 фотонов:

То же касается и серого цвета. Для того, чтобы каждая камера записала в фотографию точку серого цвета, нужно чтобы их пиксели были заполнены наполовину. В случае с большой камерой — это 3500 фотонов, а для смартфона — 500 фотонов (числа взяты просто для примера):

Получается, для того, чтобы фотография со смартфона по яркости выглядела такой же, как и фотография с зеркальной камеры, ей нужно в 7 раз меньше света. Ведь, для полного заполнения каждому реальному пикселю смартфона нужно 1000 фотонов, а фотоаппарата — 7000 фотонов.

Из этого можно сделать логический вывод: объектив камеры смартфона с f/1.8 специально сделан таким образом, чтобы за одно и то же время (1/60 секунды) захватывать в разы меньше света, чем захватывал бы объектив большого фотоаппарата с тем же f/1.8.

Если бы мы каким-то образом прикрепили на камеру смартфона большой объектив фотоаппарата, все пиксели быстро бы переполнялись и мы получали на снимках одни пересветы (или нам бы пришлось использовать всегда очень короткие выдержки).

Осознайте эту ключевую разницу между мобильной и обычной камерами. Разумеется, мы получим одинаковую итоговую яркость снимка, но эти снимки будут сделаны из совершенно разного количества света.

И в чем же тогда проблема? В качестве фотографии!

Чтобы интуитивно это понять, просто представьте, что вы сделали снимок пейзажа, на котором видны небо, деревья и трава. Фотоаппарат и смартфон имеют одно и то же относительное отверстие объектива f/1.8, а также снимают с одинаковыми настройками (время выдержки, ISO).

Безусловно, объектив смартфона захватит гораздо меньше общего света, чтобы крохотные пиксели на матрице не переполнились. Давайте посмотрим, как будет выглядеть пиксель, отвечающий за часть неба:

Небо — самый яркий участок и пиксели обеих камер будут заполнены на 100%. Соответственно, эта точка на снимке будет одинаково хорошо прорисована на двух устройствах.

Но теперь посмотрим на пиксели, которые захватили фотоны света от земли под тенью дерева. Это самый темный участок фотографии, так как от черной земли отлетало очень мало фотонов. Соответственно, объектив большой камеры направил на один пиксель 6 фотонов, на другой — 8, на третий — 5 фотонов:

Но так как объектив смартфона пропускает, например, в 7 раз меньше света, то его первый пиксель вообще ничего не получил (6 разделить на 7 будет <1), второй захватил 1 фотон (8/7>1), а третий — снова ничего (5/7<1):

В итоге, на этих участках снимка со смартфона не будет никакой информации (мы потеряем все детали в тенях).

Более того, даже те пиксели, которые захватили несколько фотонов, будут выдавать гораздо более «грязный» цвет. То есть, мы не просто потеряем детали в самых темных участках, но и испортим более светлые участки. Очень подробно об этой проблеме описано в нашем новом материале о фотонах.

Важно заметить, что главная проблема заключается в том, что объектив смартфона захватывает мало света, отчего пикселям его и не хватает.

Итак, мы логически пришли к заключению, что две камеры даже с одинаковыми характеристиками (50 мм f/1.8, выдержка 1/50 секунды) будут захватывать совершенно разное общее количество света.

Но в чем же тогда фокус? Что именно заставляет объектив смартфона пропускать в разы меньше света при том же относительном отверстии и тех же настройках экспозиции?

Что такое f/1.8 на самом деле?

Давайте снова возьмем большой фотоаппарат с объективом 26 мм и камеру смартфона. Так как оба устройства имеют идентичный угол обзора, то производитель заявляет, что фокусное расстояние камеры смартфона тоже 26 мм.

Другими словами, производитель гарантирует, что смартфон, каким бы ни было реальное фокусное расстояние его объектива, выдаст такую же по композиции картинку, как и полнокадровая зеркалка с объективом 26 мм. Проще говоря, в кадр со смартфона «влезет» столько же сцены, сколько в кадр с фотоаппарата.

Но мы все прекрасно понимаем, что внутри смартфона нет никаких 26 мм. Напомню, это расстояние от объектива до матрицы. Если бы это было так, объектив выступал бы над корпусом телефона на 3-4 сантиметра.

Вот как выглядит схема съемки на большой фотоаппарат:

Свет от сцены доходит до объектива камеры и проецируется на матрицу.

Теперь нам нужно получить такой же результат на смартфоне, в корпусе которого нет столько места для линзы с фокусным расстоянием 26 мм. Как это сделать?

Можно передвинуть матрицу ближе к объективу, соблюдая лишь одно правило — чтобы она оставалась в рамках пучка света, показанного желтым цветом на схеме выше. Но если мы просто передвинем крупную матрицу поближе, то будем получать очень странные снимки:

Композиция получается та же (на снимке то же поле зрение), однако мы видим, что пучок света освещает только центральную часть большой матрицы и нет никакого смысла в неиспользуемой части сенсора вокруг светового пятна. Примерно это же сделала Sony с дюймовой матрицей в своем новом Xperia PRO-I.

Чтобы таких глупостей не было, производителю нужно не только подвигать матрицу ближе к объективу (или объектив к матрице), но и пропорционально уменьшать её размеры. Ведь зачем матрице зря занимать место в корпусе, если используется только её центральная часть?

В итоге мы получим смартфон, у которого будут такие же угол обзора и относительное отверстие (f/1.8), как у большой камеры, но другой размер матрицы и другое фактическое фокусное расстояние:

Теперь каждая линза проецирует круг света по размеру матрицы и мы получаем одну и ту же композицию на снимках с разных устройств.

Но постойте-ка! Почему в смартфоне уменьшились не только матрица и расстояние до объектива, но и сам объектив стал крохотным?

Именно это и называется относительным отверстием объектива. По сути f/1.8 означает следующее: диаметр «дырки» в объективе должен равняться фактическому фокусному расстоянию объектива, деленному на число после косой черты.

Получается, диаметр «дырки» (далее будем использовать правильный термин — входной зрачок) большой камеры равняется 26 мм / 1.8 = ~14 мм, а входной зрачок объектива смартфона — 7 мм / 1.8 = ~3.9 мм.

То есть, диаметр отверстия, через которое свет попадает в камеру смартфона, в 3.5 раза меньше, а значит, общая площадь этого отверстия в 12 раз (3.5²) меньше площади зрачка большого фотоаппарата! Соответственно, за один и тот же отрезок времени смартфон соберет в 12 раз меньше света.

В результате маленькие пиксели будут заполняться с той же скоростью и в той же пропорции, что и большие пиксели камеры. Мы получим два снимка с одинаковой яркостью и композицией, но совершенно разного качества.

На этом можно было бы и закончить наш разговор, если бы не Wikipedia, которая гласит:

Относительное отверстие объектива — это оптическая мера светопропускания объектива… Объектив с максимальным относительным отверстием f/2,0 светосильнее объектива f/4,5

Wikipedia

Кажется, Wikipedia противоречит всему, что было сказано ранее. Ведь мы уже решили, что все эти f/2.0 или f/4.5 ничего не говорят об общем количестве собранного света. А теперь получается так, что относительное отверстие — это и есть мера светосилы любого объектива.

То есть, Wikipedia утверждает, что объектив f/2.0 будет всегда светосильнее объектива f/4.5, а объективы с одинаковым f/1.8 будут одинаковы по светосиле. Другими словами, крохотный объектив f/1.8 на смартфоне будет захватывать столько же света, сколько и огромный объектив с f/1.8 на полнокадровом профессиональном фотоаппарате.

На самом деле, Wikipedia права. Объектив f/2.0 будет более светосильным, чем объектив f/4.5, даже если размер входного зрачка (диаметр «дырки») на втором объективе будет в 10 раз больше.

Но и всё, о чем говорилось в статье, — тоже правда. Мы не сможем сказать, какой объектив будет собирать больше света, пока не узнаем остальные подробности о камере. Если «f/2.0» окажется смартфоном, он однозначно будет собирать своим более светосильным объективом меньше света, чем объектив большой камеры с f/4.5.

Это наглядно показано на примерах с заполнением пикселей, также подтверждается опытом и здравым смыслом. В чем же подвох?

Геометрический фактор

Вся эта неразбериха и кажущееся противоречие возникают из-за того, что мы учитываем не все параметры.

Чтобы это понять, давайте рассмотрим простой пример. У нас есть два смартфона с одинаковыми матрицами (диагональ, разрешение, количество и размер пикселей). Только на одном смартфоне установлен объектив с фокусным расстоянием 5 мм, а на втором — 10 мм. Оба объектива имеют одну и ту же светосилу — f/2.0.

Согласно Wikipedia, эти два объектива будут иметь одну и ту же светосилу, то есть, будут захватывать одно и то же количество света за определенный промежуток времени. Но мы определили, что у первого объектива реальный диаметр входного зрачка — 2.5 мм (5/2.0), а у второго вдвое больше — 5 мм (10/2.0).

По логике, второй объектив будет собирать в 4 раза больше света (диаметр отверстия больше в 2 раза, значит, площадь — в 4 раза).

И это действительно так!

Но чтобы окончательно вас запутать, скажу еще один факт: оба снимка с этих двух смартфонов будут «собраны» из одного и того же количества света. То есть, на матрицу первой камеры упадет ровно столько же света, сколько и на матрицу второй камеры. При этом, у первой камеры будет более светосильный объектив, но объектив второй камеры будет захватывать вдвое больше света.

Если вам кажется, что в этом нет никакого смысла, тогда смотрим реальный пример, который всё и объяснит:

На этой картинке мы видим две камеры с одинаковыми матрицами и относительными отверстиями (f/2.0), но разными фокусными расстояниями. Первый смартфон захватывает больше информации об окружающем мире, так как его угол обзора шире. Такую камеру на смартфоне мы обычно называем основной.

Вторая камера имеет более длинное фокусное расстояние и, соответственно, более узкий угол обзора. Мы называем такую камеру телеобъективом, так как она вдвое увеличивает картинку относительно первой камеры.

Обратите внимание на линзы — у первого смартфона входной зрачок вдвое меньший (напомню, для того, чтобы узнать диаметр входного зрачка, нужно фокусное расстояние разделить на относительное отверстие или 5/2.0).

Теперь забудьте обо всём кадре и подумайте только о домике в центре сцены. Фотоны света будут отлетать от него во все стороны и каждая камера будет пытаться их поймать:

Так как площадь линзы (входного зрачка) второй камеры больше вчетверо, то она «поймает» вчетверо больше фотонов, прилетающих от дома. Получается, вторая линза захватит вчетверо больше света от конкретного объекта сцены.

Но теперь вторая линза увеличит и «растянет» этот объект на вчетверо большей площади сенсора. То есть, если, к примеру, первая камера поймала 100 фотонов от дома и сфокусировала их на 25% площади сенсора, то вторая камера из-за вчетверо большей площади линзы поймала 400 фотонов от того же дома, но эти 400 фотонов расположились по всему сенсору, т.е. по 100% площади (что в 4 раза больше).

Получается, вторая камера действительно захватывает вчетверо больше света от одних и тех же объектов, но самих объектов она также видит вчетверо меньше.

Еще проще всё это осознать, представив себе обычный проектор. Предположим, мы включили его на определенную мощность и поставили прямо возле стены. На стене появится яркое пятно света небольшого размера.

Впишем в это пятно прямоугольник — это и есть наша фотография (или матрица), на общую площадь которой падает, скажем, 100 фотонов:

Но теперь отодвинем проектор подальше от стены, но не будем менять ни размер фотографии (прямоугольника), ни мощность проектора:

Так как мы отодвинули проектор назад, пятно света стало крупнее. Если мы посчитаем общее количество фотонов на всём крупном пятне, то получим всё те же 100 фотонов, но если мы будем анализировать количество света только в выделенном прямоугольнике, то там его окажется вчетверо меньше.

Чтобы оба прямоугольника (оба снимка) получили одно и то же количество света, нам нужно увеличить вчетверо мощность проектора, отодвинутого от стены. Тогда внутри второго прямоугольника окажутся те же 100 фотонов.

Так и с объективами. Если бы мы не увеличили диаметр входного зрачка объектива («дырку»), то получили бы меньше света на том же участке. Поэтому, если второй смартфон имеет такой же объектив f/2.0, но большее фокусное расстояние («проектор дальше от стенки»), нужно увеличить мощность «проектора», то есть, раскрыть сильнее зрачок объектива, чтобы впустить больше света.

Из этого можно сделать простой вывод. Оказывается, если у объективов с разным фокусным расстоянием одно и то же значение относительного отверстия (f-число), значит, они проецируют одинаковое количество света на каждый квадратный миллиметр матрицы.

Если один объектив — f/2.0, а другой — f/2.8, значит первый объектив будет проецировать в два раза больше света на квадратный миллиметр (или микрометр — не важно) матрицы вне зависимости от каких-либо других параметров.

И если оба объектива — f/2.0, значит, они оба будут проецировать одно и то же количество света на каждый квадратный миллиметр.

Теперь вернемся к примеру со смартфоном и фотоаппаратом:

Мы видим, что обе камеры имеют один и тот же угол обзора, то есть, они собирают свет от одних и тех же объектов сцены (это очень важно учитывать). Обе камеры «видят» перед собой одни и те же «источники фотонов». Соответственно, у них идентичное эквивалентное фокусное расстояние — 26 мм.

Также мы видим, что у обоих объективов одно и то же относительное отверстие — f/1.8. Из этого мы делаем вывод, что оба объектива проецируют идентичное количество света на квадратный миллиметр матрицы.

Но размеры матриц отличаются! То есть, у большого фотоаппарата больше тех самых квадратных миллиметров. Соответственно, объектив большой камеры «набросает» больше фотонов, так как на матрице больше для этого места.

Еще раз, f/1.8 на обоих объективах говорит о том, что оба они будут проецировать на каждый квадратный миллиметр матрицы одно и то же количество света. Но так как матрица камеры больше матрицы смартфона, то на фотографии с фотоаппарата будет физически больше света, а значит, качество снимка будет гораздо выше.

Если при этом разрешение двух матриц (смартфона и фотоаппарата) одинаково, тогда мы понимаем, что на одном квадратном миллиметре матрицы смартфона будет гораздо больше пикселей, соответственно, каждый пиксель в отдельности будет получать гораздо меньше света.

Например, если оба объектива проецируют на один квадратный микрометр по 5 фотонов, тогда каждый пиксель большой камеры размером 6 микрометров получит 6*6*5 = 180 фотонов. А пиксель смартфона размером 1 микрометр соберет только 5 фотонов:

Соответственно, при одном и том же относительном отверстии (f/1.8) фотоаппарат выдаст в разы лучшее качество снимка, нежели смартфон, так как получит больше общего количества света. Но по светосиле их объективы одинаковы, так как проецируют на один квадратный микрометр одно и то же количество света.

Курица или яйцо?

Только не нужно связывать бó‎льшую «светосилу» фотоаппарата именно с размером его матрицы. Ведь причина совершенно в другом — диаметре входного зрачка. У объектива фотоаппарата фокусное расстояние 26 мм, что при f/1.8 дает диаметр 14 мм, а у смартфона реальное фокусное расстояние — 7 мм, что дает диаметр зрачка 3.8 мм.

Так как обе камеры видят одни и те же объекты (источники фотонов), фотоаппарат ловит больше фотонов от каждого из них из-за большего диаметра зрачка.

Не матрица стала причиной большей светосилы, а именно более крупный диаметр зрачка объектива, который пропускает больше света. Нам просто пришлось установить в камеру матрицу покрупнее, чтобы собрать весь тот дополнительный свет, который дает более крупный объектив.

Соответственно, матрица — лишь следствие более крупного диаметра зрачка.

Очень многие люди, не понимая того, что происходит внутри камеры на уровне фотонов, путают причинно-следственную связь и отсюда рождается миф о том, что именно размер матрицы влияет на светочувствительность камеры и качество снимков.

Это в свою очередь и привело к появлению странной маркетинговой кампании от Sony, которая установила большую матрицу без причинно-следственной связи. То есть, в случае с Xperia PRO-I не было никакой необходимости в большой матрице, так как объектив и диаметр входного зрачка никак не подразумевают использование дюймового сенсора.

Соответственно, никакого (буквально — ни единого) преимущества от дополнительного размера матрицы камера Xperia PRO-I не получила и никогда не получит. Но тысячи роликов от популярных профессиональных фотографов пытаются убедить доверчивых и неосведомленных пользователей в обратном.

Пиксели

Ровно то же касается и размера пикселя. В интернете существует очень популярное заблуждение, будто крупные пиксели дают лучший результат при плохом освещении.

Это не совсем так. Пиксель — это, грубо говоря, «ведро» для света. От того, что вы подставите под едва капающую воду десятилитровое ведро вместо стакана, ничего не изменится. Вы не наберете воды ни больше, ни быстрее.

Размер пикселя — это две стороны одной медали. Уменьшая размер пикселя, мы увеличиваем разрешение (или детализацию) фотографий, а сокращая — увеличиваем качество сигнала. Но мы практически всегда можем на маленьких пикселях получить тот же результат, что и на больших, используя биннинг.

Но это уже совершенно другая тема, которую мы полностью раскрыли здесь.

У какого смартфона самая лучшая камера с точки зрения физики?

Подытоживая всё вышесказанное, повторю эту банальную мысль: ничто не влияет на качество снимка сильнее, чем количество света. С точки зрения физики, более качественной камерой является та, что способна захватить больше света.

И, как мы увидели, на эту способность влияют только два основных фактора:

• Интенсивность света. Какое количество света на квадратный миллиметр собирает линза.
• Площадь сбора. Сколько именно квадратных миллиметров есть у камеры для сбора света.

За первый фактор отвечает относительное отверстие или число в виде f/1.8. За второй — размер матрицы.

Соответственно, чем меньше число после буквы f/ и чем крупнее матрица, тем лучше камера с точки зрения физики. То есть, такая камера способна захватывать больше света за один и тот же отрезок времени.

Еще раз подчеркиваю, что размер сенсора сам по себе не имеет отношения к светочувствительности камеры или качеству снимков. Просто в наших расчетах намного удобнее пользоваться размером сенсора, нежели учитывать реальную причину — геометрический фактор, то есть, произведение площади входного зрачка на телесный угол объекта или пикселя (A*Ω).

Только расчет геометрического фактора может сообщить нам общее количество собранного от объекта света той или иной камерой. Но, повторюсь, гораздо проще следовать озвученному правилу — чем больше матрица и меньше число после буквы f, тем качественней камера.

А чтобы не высчитывать для каждой конкретной камеры площадь её матрицы и интенсивность сбора света, можно поступить проще. Достаточно перевести характеристики камеры конкретного смартфона в эквивалентный полнокадровый фотоаппарат.

Например, если у камеры одного смартфона матрица чуть крупнее, но светосила объектива хуже, а у второго наоборот, тогда можно оба смартфона перевести в «эквивалентный фотоаппарат» с одинаковой матрицей. И затем просто сравнить светосилу (f-число).

То есть, пересчитывая параметры камеры в эквивалентные, мы фактически исключаем площадь матрицы из уравнения и тогда сравниваем только f-число. Если это звучит сложно, тогда на конкретном примере всё станет предельно просто.

Попрактикуемся!

Камера Samsung Galaxy S21 Ultra имеет такие характеристики: разрешение 108 Мп, объектив 24 мм f/1.8, размер сенсора — 1/1.33″, размер пикселя — 0.8 мкм.

Как понять, насколько хороша эта камера с точки зрения физики и достаточно ли света она собирает?

Мы сразу же можем сказать, что объектив здесь достаточно светосильный — f/1.8. То есть, он собирает столько же света на квадратный микрометр матрицы, как и самый большой объектив f/1.8 для профессиональных фотоаппаратов.

С другой стороны, мы понимаем, что размер сенсора здесь небольшой относительно фотоаппарата, поэтому общее количество света, собираемого этим объективом, будет также небольшим.

Какой же полнокадровый фотоаппарат соответствует этой камере? Другими словами, какой фотоаппарат будет собирать такое же количество света и давать идентичное размытие фона, а также показывать примерно похожую производительность при плохом освещении (уровень шума и пр.)?

Это будет фотоаппарат с большой матрицей (36×24 мм) и объективом 24 мм f/6.5, на котором можно снимать при ISO-1300.

То есть, если взять полнокадровый зеркальный фотоаппарат с 24-мм объективом, прикрыть его диафрагму до f/6.5, а затем поднять ISO до 1300, мы получим примерно такой же результат, как если бы сделали снимок на Samsung Galaxy S21 Ultra с его объективом 24 мм f/1.8 на ISO-100.

И в этом действительно есть смысл!

Изменив светосилу большого объектива с f/1.8 на f/6.5, мы фактически сократили количество света в 13 раз! Теперь фотоаппарат при всём желании не сможет собрать достаточное количество света для наполнения больших пикселей.

Кроме того, сократив размер зрачка объектива, мы тут же уничтожили красивое боке, которое создавал профессиональный фотоаппарат. Ведь на размытие фона влияет именно диаметр входного зрачка, а не размер матрицы или что-то еще.

Остается лишь последний шаг. Как мы знаем, фотоаппарат нарисует точку на снимке с максимальной яркостью только в том случае, если соответствующий ей пиксель на матрице будет заполнен доверху, то есть, на 100%.

Но нам нужно как-то сказать фотоаппарату, что теперь у него нет больших пикселей и что максимальная яркость будет в том случае, если реальный пиксель будет заполнен наполовину или на четверть (в зависимости от размера пикселя на матрице смартфона).

Для этого необходимо выставить на фотоаппарате соответствующий уровень ISO, тем самым «уменьшив» пиксель. К примеру, при ISO-200 фотоаппарат будет видеть только полпикселя, то есть, когда пиксель в реальности будет заполнен на 50%, фотоаппарат будет считать, что он заполнен доверху. Если установить ISO-400, тогда фотоаппарат будет видеть только четверть пикселя и т.д.

Как рассчитать эквивалентный своему смартфону фотоаппарат?

Первым делом нужно рассчитать диагональ мобильной матрицы. Для этого смотрим в характеристиках смартфона размер пикселя камеры. Также находим в интернете любую фотографию, сделанную этим смартфоном, чтобы узнать разрешение снимка.

К примеру, мы узнали, что размер пикселя составляет 2.4 мкм, а разрешение снимка — 4032x3024 точек. Получаем ширину и высоту матрицы в миллиметрах: (4032*2.4)/1000 = 9,67 мм (ширина) и (3024*2,34)/1000 = 7,26 мм (высота).

Теперь рассчитываем саму диагональ. Для этого нужно воспользоваться теоремой Пифагора: 9,67² + 7,26² (ширина в квадрате плюс высота в квадрате) = 146,21. Далее берем корень из этого числа и получаем: 12,09. Это и есть диагональ матрицы.

Теперь делим число 43.27 (диагональ полнокадрового фотоаппарата) на полученную диагональ матрицы смартфона: 43.27/12.09 = 3.58.

Вот и всё! Мы получили заветный коэффициент под названием кроп-фактор для нашего смартфона.

Теперь рассчитываем всё остальное: относительное отверстие объектива нашего смартфона — f/2. Значит, умножаем его на 3.58 и получаем примерно 7. То есть, нашему смартфону соответствует полнокадровый фотоаппарат с диафрагмой f/7. Теперь умножаем ISO-100 на 3.58² (кроп-фактор в квадрате): 100 * 12.81 = ~1200. Это и есть значение ISO.

Получается, нашему смартфону с объективом 24 мм f/2 соответствует зеркальная камера 24 мм f/7, на которую нужно снимать с ISO-1200 и выше.

Таким же способом можно рассчитать «эквивалентный объектив» для любого смартфона, например:

Но эти расчеты важны, прежде всего, для того чтобы понять, как сильно мобильная камера будет размывать фон (чем больше число после f, тем хуже размытие/боке) и насколько хорошо она будет справляться при недостаточной освещенности (именно за счет оптики и матрицы).

В частности, мы видим, что OPPO Find X3 Pro показывает худший результат среди перечисленных камерофонов, так как ему соответствует полнокадровый фотоаппарат с f/7.6. Если сравнивать его с лучшим аппаратом из таблицы (Mi 11 Ultra), то камера от Xiaomi будет собирать за один и тот же отрезок времени в полтора раза больше света!

Таким же образом вы можете сравнивать другие камеры между собой.

Но не забывайте, что речь идет только о светосиле и боке. Тот же Sony Xperia PRO-I вполне может оказаться одним из лучших камерофонов при хорошей освещенности (за счет крупных пикселей и высокой глубины цвета), в то время как показывает один из худших результатов в таблице при недостаточном свете.

И последнее. Невозможно в рамках одной статьи всё учесть. Разумеется, на светосилу камеры влияет еще десяток деталей, включая квантовую эффективность пикселей, коэффициент пропускания света объективом, коэффициент заполнения пикселя (отношение светочувствительной области к общей площади) и многое другое.

Но обо всём этом мы поговорим как-нибудь в другой раз.

Алексей, главред Deep-Review