сравнение камеры смартфона и профессионального фотоаппарата

Чем отличается камера смартфона от фотоаппарата? Раскрываем все карты!

Последнее обновление:
Оценка этой статьи по мнению читателей:
4.9
(112)

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 крупные пиксели сами по себе не намного лучше мелких, если речь идет о съемке при плохом освещении.

А если бы я сказал, что два объектива с идентичным относительным отверстием (например, f/2.8) могут захватывать совершенно разное количество света, отличающееся в десятки раз, меня бы снова обвинили в тотальной безграмотности и непонимании основ фотографии.

Но позвольте мне всё объяснить. Если вы внимательно прочтете эту статью с желанием разобраться во всех этих вопросах, то я гарантирую, что для вас не будет существовать таких вопросов, как:

  • Почему смартфон с объективом f/1.8 снимает гораздо хуже большого фотоаппарата с f/1.8?
  • Почему крупные пиксели не особо помогают при плохом освещении?
  • Почему размер матрицы не влияет ни на её светочувствительность, ни на художественную ценность фотографии (боке)?
  • Можно ли как-то сравнить камеру любого смартфона со «взрослым» фотоаппаратом?
  • 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 лучше захватывает свет? И как это сделать?

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 собранного света.

Вдумайтесь еще раз в эти слова. И пока вы будете вдумываться, я подброшу еще одну «абсурдную» идею для ваших размышлений:

Яркость фотографии никак не связана с количеством собранного камерой света.

Другими словами, я говорю, что 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.

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

Давайте разбираться с этими утверждениями, начав со второго.

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 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):

сравнение камеры смартфона с фотоаппаратом на 1/60 секунды
Снимок с фотоаппарата (слева) и смартфона (справа)

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

сравнение камеры смартфона с фотоаппаратом на 1/30 секунды
Снимок с фотоаппарата (слева) и смартфона (справа)

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):

сравнение пикселей смартфона и камеры

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:

заполненность пикселей на 50%

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:

заполненность пикселей матрицы на 100%

То же касается и серого цвета. Для того, чтобы каждая камера отобразила точку серого цвета, нужно чтобы их пиксели были заполнены наполовину. В случае с большой камерой — это 3500 фотонов, а для смартфона — 500 фотонов

серый цвет на снимке и заполнение пикселя

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 света, чтобы крохотные пиксели на матрице не переполнились. Давайте посмотрим, как будет выглядеть пиксель, отвечающий за часть неба:

цвет пикселя и заполненность пикселя на матрице смартфона

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:

мало фотонов в больших пикселях

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):

мало фотонов в маленьких пикселях

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

Более того, тот единственный пиксель из трех, который захватил фотон, будет иметь уровень шума почти в 3 раза выше по сравнению с пикселем большой камеры. Повторюсь, дело не в размере пикселя, а именно в количестве упавших на него фотонов.

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. Иначе бы снимки выглядели бы совершенно по-разному.

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:

пример снимка на камеру 26 мм большого фотоаппарата

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:

неправильно подобранная эквивалентная матрица на смартфоне
Снимок со смартфона

Здесь прекрасно видно, что пучок света освещает только центральную часть большой матрицы и нет никакого смысла в неиспользуемой части сенсора вокруг светового пятна. К слову, 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.

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:

камера смартфона эквивалентная фотоаппарату

Теперь каждая линза проецирует на матрицу круг света нужного размера 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, 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 разрушила всю нашу стройную теорию. 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.

Кто-то явно что-то не договаривает…

На самом деле, Wikipedia полностью 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 также полностью прав и я. 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:

два смартфона с разными объективами

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, 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 приближает 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).

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:

сравнение того, как движется свет через линзы разных камер

Так как площадь линзы (входного зрачка) второй камеры больше вчетверо, то она «поймает» вчетверо больше фотонов, которые отлетают 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% сенсора, то вторая камера из-за вчетверо большей площади линзы поймала 400 фотонов от того же дома, но эти 400 фотонов «размазались» 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, на общую площадь которой падает, скажем, 100 фотонов:

аналогия камеры с проектором

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

сравнение длинного и короткого фокуса

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 разных объективов одно и то же значение относительного отверстия (f-число), значит, они проецируют одинаковое количество света на 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:

камера смартфона эквивалентная фотоаппарату

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 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:

размер пикселя смартфона и зеркального фотоаппарата

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. 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 это в свою очередь и привело к появлению просто абсурдной 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.

Поэтому размер пикселя не так важен при съемке, когда вокруг мало света. Единственное преимущество большого пикселя перед маленьким можно оценить только при очень и очень плохом освещении, когда на каждый пиксель падает буквально единицы фотонов.

В таком случае, лучше чтобы на один крупный пиксель упало 40 фотонов, нежели на 4 маленьких — 10. Так как при считывании каждого пикселя всегда присутствует определенная погрешность (шум считывания). И всегда лучше считать с матрицы 40 фотонов за один раз, чем за 4 раза. Тогда соотношение сигнала к шуму будет выше.

Но, опять-таки, шум считывания будет хоть сколько-нибудь значимым по сравнению с фотонным шумом (то, что не зависит от размера пикселя) только в самых экстремальных ситуациях.

Когда же мы выходим в солнечный день на улицу, вот здесь уже размер пикселя играет одну из ключевых ролей. Так как от этого зависит динамический диапазон снимка или во сколько раз самая темная точка (минимально считываемое количество фотонов) отличается от самой светлой (количество фотонов в полностью заполненном пикселе).

Так как это уже совсем другая тема, здесь мы не будем её касаться. Просто нужно помнить, что ни размер пикселя, ни размер матрицы сами по себе не влияют на «светочувствительность» камеры при плохом освещении.

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, которая 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.

Опять-таки, я 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 причинугеометрический 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.

Но чтобы не высчитывать для каждой конкретной камеры площадь её матрицы и интенсивность сбора света, можно поступить гораздо проще. Достаточно перевести характеристики камеры конкретного смартфона на 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:

СмартфонОбъективISO
Xiaomi Mi 11 Ultra24 мм f/6ISO-900
iPhone 13 Pro Max26 мм f/6.8ISO-2000
Google Pixel 6 Pro25 мм f/6.5ISO-1200
Sony Xperia PRO-I24 мм f/7.2ISO-1300
Galaxy S21 Ultra24 мм f/6.5ISO-1300
Huawei Mate 40 Pro23 мм f/6.6ISO-1200
OPPO Find X3 Pro26 мм f/7.6ISO-1800

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

 

P.S. Не забудьте подписаться в Telegram на первый научно-популярный сайт о мобильных технологиях — Deep-Review, чтобы не пропустить очень интересные материалы, которые мы сейчас готовим!

 

Как бы вы оценили эту статью?

Нажмите на звездочку для оценки

Внизу страницы есть комментарии...

Напишите свое мнение там, чтобы его увидели все читатели!

Если Вы хотите только поставить оценку, укажите, что именно не так?

Подписаться
Уведомить о
53 комментариев
Новые
Старые Популярные
Межтекстовые Отзывы
Посмотреть все комментарии
Вячеслав
2 дней назад

Спасибо большое за ваши обзоры. Я много лет снимаю видео. Всегда были камеры потом стали фотики (с 5д марк2), а пару лет назад я взял самсунг ноте 9 и теперь чаще его использую на улице. Ищу замену для телефона, подскажите. У меня два направления: снимаю на улице мероприятия (нужен звук нормальный, стабилизация, иногда зум, иногда недостаточно света но могу брать фотик для этого), трансляции лекций, музыки из помещения. Помогите с выбором.

Тимур
3 дней назад

Сказали А, говорите и В, и С. Тогда надо уже углубиться что такое предел разрешения для фотоматериала, а что есть оптический предел разрешения для линзы/системы/объектива. Что это объективно меряется мирами. И как одно дружит или не дружит с другим. Что толку от избыточного разрешения сяоми. Почему забываем, что качество сигнала у матриц разное. Сони делает и себе и всем не первый день. Для объектива с одним и тем же фокусным, как говорят у нас в Одессе, две большие разницы. Гелиос 44, сделанный по чертежам Carl Zeiss Jena Biotar 2/58, внешне похож, да и конструктив тот же, но совсем не биотар. Расскажите уже людям тогда про технологии просветления стекол. Как можно сяоми с цейсом равнять. По крайней мере на сегодняшний день. То, как вы по отдельным выборочным параметрам сравниваете.. Да еще с ФФ. Конечно, полный кадр в разы качественнее, и все же проводить аналогии с его работой на диафрагме 6.8 я бы не стал. Среди указанных смартфонов тут несомненно Xperia PRO-I рулит, яблоко далее, затем уже сяоми. Про системную ошибку про «кроп матрицы сони» Xperia PRO-I прокомментировал там, где у вас про него. Все там грамотно сделано, вся матрица задействована.

Роман
11 дней назад

Тот же Sony Xperia PRO-I вполне может оказаться одним из лучших камерофонов при хорошей освещенности (за счет крупных пикселей и высокой глубины цвета)

А можете и для случая хорошей освещённости провести сравнение моделей с указанием всех влияющих факторов? Для малой освещённости получилось, что можно хоть калькулятор писать в google sheets для сравнения, а для хорошей освещённости как «калькулятор» сделать осталось недосказанным

Последний раз редактировалось 11 дней назад Роман ем
Дмитрий
15 дней назад

А ещё сюда можно добавить T-стоп. У каждой линзы он будет свой. Об этом часто не знают даже фотографы.

Алексей
15 дней назад

(5/7>1): знак в этом месте перевёрнут. Должно быть «меньше одного».

Дмитрий
17 дней назад

«Многим до сих пор нужен просто надежный, качественный и недорогой телефон от известного бренда, который даже спустя 5 лет будет быстро работать и поддерживать все актуальные приложения.
Из статьи про iPhone SE 2020. Подскажите пожалуйста, какой телефон можно так же описать в 2021?
Заранее спасибо за ответ)

Руслан
17 дней назад

Крутая статья! Алексей, вы меня вдохновили составить файлик Excel для удобного расчета параметров светосилы и эквивалентного ISO.
Однако я решил срезать путь и рассчитывать диагональ матрицы смартфона не через количество пикселей и их размер, а через диагональ матрицы из официальной спецификации. Там размер указывается в долях видиконовского дюйма (16.93 мм).

Например, для S21 Ultra диагональ сенсора будет 1/1,33″ или 16,93/1,33 = 12,73 мм.
У вас же получилось 12,09 мм.
Разница около 5% и как следствие итоговые результаты будут отличаться. Эквивалентная диафрагма будет f/6.1, а ISO 1156.

Откуда расхождения?
Может быть размер пикселя 2,4 мкм указан с погрешностью?

Руслан
17 дней назад
Ответить на  Руслан

Вот такой расчет получился. В зависимости от способа расчета 1 или 2 результаты не совпадают, хотя и отличаются не так сильно.
joxi.ru/a2XgWL7SlGw03m

Петр
18 дней назад

Тогда почему на смартфон получаются такие великолепные снимки в темноте, а на камеру — нет? И тут начинается вычислительная фотография, в смартфонах нынче щелкается от трех до семи кадров и считается HDR сразу, а камеры как были где-то там, в начале 2000-х, так и остались. Сними RAW, потом занимайся конвертацией в лайтрумах или дарктейблах.

Николай
18 дней назад

Здравствуйте! Извините за оффтоп . Недавно просил порекомендовать Алексея телефон на замену старому XRN5, в итоге выбрал Realme 8 pro и заказал ( в списке рекомендаций его не было). Алексей, если у вас будет возможность, сделайте на него обзор, очень интересует что вы скажете. Спасибо!

Никита
17 дней назад
Ответить на  Николай

Почитайте обзор на Redmi Note 10 Pro. У них одинаковая камера. Но в Реалми более приятная обработка фото, в большинстве случаев они будут выглядеть лучше, чем в редми. Плюс у Реалми более чистая оболочка и в декабре планируется переход на новую версию андроида и Реалми уи 3. Меньше расход батареи за счёт этого по сравнению с miui. Добавьте к этому зарядку superdart. Так что Вы сделали хороший выбор. Я тоже покупал такой же супруге. Единственное, могу выделить у Редми 3 преимущества по сравнению с Реалми: шикарный макрообьектив, а не затычка, как и сделали в редми 11 про; стереозвук; линейные вибромоторы.

Последний раз редактировалось 17 дней назад Никита ем
Александр
19 дней назад

Не всё описано. Фотоны, ячейки, — это всё хорошо, но еще надо СНЯТЬ СИГНАЛ. И вот тут самая проблема — это будет какой-то слабый сигнал с каждой ячейки. Осмелюсь предположить, что чувствительность считывателей сигнала — одинакова в рамках одной технологии. В случае с зеркалкой при плохом освещении мы считываем сигнал, сформированный (например) 100 фотонами, а в случае с мелким пикселем — в 7-10 раз меньше. И тут надо понимать, что сигнал — это сигнал/шум и вот тут и возникает неточность считывания (что и характеризует битность матрицы) и само качество сигнала.
Из этой же оперы и неработающий биннинг — когда сигнал с четырех ячеек нельзя просто тупо сложить математически как нам говорят маркетологи. Это шум и он складывается по другим формулам. Я уже писал — если станок гудит на 60Дб то два станка работающие рядом не дадут 120Дб, будет 63 Дб. Формула сложения шума не простая.

Игорь
19 дней назад

Алексей, у вас почти получилось доказать, что размер пикселя не играет решающей роли в цифровой фотографии. В таком случае нужно сообщить инженерам Sony, что их детище Alpha 7s с ее 12 мегапикселями на фулл-фрейме — это нелепость и фатальная ошибка!
Оперируя исключительно теоретическими выкладками, Вы совершенно игнорируете реалии физического мира, а именно — технологические допуски изготовления кремниевой электроники, которые влияют на соотношение — сигнал-шум, -то есть на практический рабочий уровень ISO, и в свою очередь — на динамический диапазон или битность сенсора. Кстати, ДД дюймового сенсора IMX383, который установлен Sony Xperia PRO-I, составляет 12 бит.

Порш
20 дней назад

Физика раскрыта прекрасно. Но непонятно как всё же можно сравнивать в лоб вычислительную фотографию и фото на проф камеру. У меня есть сомнения, что в более менее продвинутых смартфонах в принципе существует режим что вижу то пою без какой-либо обработки вообще (если это не рав).

Алексей
20 дней назад

Отличная статья, в общем как и все здесь. Вообще-то не имя полного спектра фотоустройств, регулярной практики фотографирования на них, обработки фото сделанных в разных световых (а ещё важно каких цветовых) условиях трудно понять где «кончается» сила смартфона и начинается хотя-бы фотоаппарата на micro 4/3. Но весь этот зоопарк фототехники собрать — нужна уйма денег, а ещё заставить себя снимать на всё это. Так что статья очень полезная. В рамках, пускай даже большого текста, конечно не могло уместиться освещение такого важного фактора как удобство съёмки, да и наверное и не задумывалось. Но лично мне в смартфонах не хватает плавного оптического зума, и хорошего хвата.

Михаил
20 дней назад

И получается у телефонов неь так называемой художественности или объема за счет большой глубины резкости и искуственно повышенной общей резкости?

Михаил
20 дней назад

Алексей, спасибо за подробный разбор!
Получается что 108мп, лучше чем 64мп за счет большего отверстия объектива? (При условии одинаковых технологиях матрицы)

Ахан
20 дней назад

Отличная статья. А про боке будет еще подробнее?) Ведь факторов влияющих на боке не только в размере диаметра «зрачка», но в ГРИП конкретного объектива, а размытия смартфонов в большинстве случаев просто программное решение, продукт вычислительной фотографии. И эти новомодные функции астрофотографии мне кажется просто результатом компиляции картинки ИИ на основе скудных меток фотонов на матрице… Ну вроде слегка понял смартфон где какая звезда и созвездие, а остальное просто взял и нарисовал)

Сергей
20 дней назад
Ответить на  Ахан

Зачем так усложнять, если смартфоны и так отлично видят звёзды и млечный путь. В обычном ручном режиме за 15 сек можно сделать. Будет шумно конечно, но можно сложить несколько снимков, как это и делается в режиме астрофотографии.

Akhan
19 дней назад
Ответить на  Сергей

Простите, но даже в горах, в отсутствии светового шума, при максимальных 30 сек выдержки и более низких исо на смартфонах получается совсем не то, что выдает кэнон 700д) Да там уже и звезды смазываются на такой выдержке. Таки я более чем уверен, что большинство фото на смартфонах получаются из-за вычислительной фотографии, что суть дорисовка картинки, цвета, света и прочего.

Сергей
18 дней назад
Ответить на  Akhan

Так я и не сравнивал Кэнон в астрофото и телефон. Я сравнивал режим астрофото на телефоне и то, что можно сделать с помощью raw и ручных настройках на телефоне. Во втором случае результат будет даже лучше. Или вы хотите сказать, что фото в режиме астрофото на телефон выходит лучше, чем на 700д?

Akhan
17 дней назад
Ответить на  Сергей

Видел астрофото с реалме, и оно показалось мне просто нереально красивым, что и поразило. Поэтому я сделал вывод, что вычислительная фотография местами просто подменяет картинку. В принципе наше зрение тоже самое делает)

Akhan
18 дней назад
Ответить на  Алексей (Deep-Review)

Спасибо за труд, буду ждать.
Да, но на разных объективах разное боке, от типа и количества лепестков диафрагмы разные световые пятна. Или легендарные крученные боке Гелиосов-44… Все это тоже подчинено законам физики и техническим особенностям) И для смартфонов не все достижимо. Они тоже творят, но программно, зеркалки (и безз) достигают многих эффектов, так сказать, физически, сменным «стеклом». Натуральным путем)

Alex
20 дней назад

«Поэтому размер пикселя совершенно неважен при съемке, когда вокруг темно.» — вот эту фразу совсем не понял. Выше есть картинка, где показано, что при недостатке света маленькие пиксели могут вообще не поймать ни одного фотона или поймать 1-2. Тогда матрица, подняв исо, получит белую точку, где 1 фотон и чёрную, где 0 фотонов. Т.е. получим лишь цифровой шум вместо полезной информации. На большие же пиксели будут попадать от 0 до какого-то бо́льшего количества фотонов и мы получим диапазон значений намного шире, т.е. какую-то информацию. Почему же размер пикселя не важен в условиях плохой освещённости?

Сергей
20 дней назад

А если мы сравниваем две камеры. S21 Ultra и iPhone 13 pro. Посчитав диаметр входного зрачка мы получаем 3,72 у первого и 3,8 у второго. По сути айфон поглощает на толику больше света, но у Самсунга размер пикселя 2,4мкм, а у Айфона 1.9мкм. Кто будет лучше в условиях недостаточного освещения? До этого я бы однозначно сказал, что с21у, ведь при почти идентичном количестве света у него размер пикселя почти на 30% больше. Но сейчас я запутался

Сергей
18 дней назад
Ответить на  Алексей (Deep-Review)

Но ведь если мы возьмём тот же S21U в режиме 12мп и 108мп(представим, что это две разные матрицы, одна 12мп с 2,4мкм, а другая 108мп с 0,8мкм), то размер входного зрачка будет одинаковый и свет обе матрицы будет получать одинаковый, но очевидно на сто процентов, что в условиях плохого освещения камера с 0,8мкм выдаст результат гораздо хуже

Сергей
18 дней назад
Ответить на  Алексей (Deep-Review)

Если мы представим, что у нас есть две матрицы. Одна 108мп с размером пикселя 0.8мкм и вторая 12мп 2.4мкм. Все остальное, в т.ч объектив — абсолютно одинаково. По качеству сигнала что будет лучше?
Логически я понимаю, что на матрица попадает одинаковое количество света, но практика говорит о том, что чем меньше размер пикселя, тем более шумное фото при одинаковых исо

Последний раз редактировалось 18 дней назад Сергей ем
Александр
17 дней назад
Ответить на  Алексей (Deep-Review)

Да. Чем меньше пиксель — тем труднее снять точный сигнал с ячейки. Фотонов меньше и качество сигнала — хуже. Поэтому появляются неточность считывания — шум. Этим же параметром и определяется битность матрицы — возможность точно определить количество света, попавшего на ячейку.

Владимир
18 дней назад
Ответить на  Сергей

Если сравнивать две матрицы с разным размером пикселя, но с одинаковым их кол-вом (12Мп), то площадь матрицы с маленькими пикселями соответственно будет меньше. Соответственно меньше света и хуже картинка. Но Вы ведь сравниваете 2 матрицы с одинаковым физическим размером, кол-во света на которые падает одинаково.

Владимир
18 дней назад
Ответить на  Сергей

Если сравнивать 2 одинаковых телефона, 108Мп и 12Мп со включенным биннингом, то как бы да, шума при 108Мп будет больше, но и детализации по идее больше. Тут суть вот в чём. Сможем ли мы получить большую детализацию ночью? Вряд ли, ни фига не видно. Соответственно детализация уже в пролёте и лучше использовать биннинг. А вот днём, при ярком солнечном свете, уже можно сделать снимок с высокой детализацией, если это необходимо. А можно оставить те же 12Мп. В таком случае (наверное) должен быть выше динамический диапазон.

Последний раз редактировалось 18 дней назад Владимир ем
Александр
17 дней назад
Ответить на  Алексей (Deep-Review)

Вы не объедините фотоны из соседних пикселей — вы складываете сигнал и там не получится. (это не с четырех ведер слить воду в одно). Математика другая. Уверен, вы погуглите и разберетесь почему биннинг не работает как многие думают.