Жидкая линза от Xiaomi. Еще не время радоваться

На днях Xiaomi презентовала свой первый смартфон с гибким экраном — Mi Mix Fold. И, чтобы не вставать дважды, продемонстрировала еще одну инновацию — камеру с жидкой линзой.

Естественно, такое событие не могло остаться без внимания общественности. И уже на следующий день зарубежные ресурсы начали трубить о революции, которая навсегда изменит фотографию. Затем подтянулись и русскоязычные блогеры, пересказывая подслушанное у иностранных коллег.

Но в какой-то момент ситуация стала выходить из под контроля и восторг превратился в демонстрацию полного непонимания того, как устроен объектив смартфона и глаз человека, в котором «установлена» такая же жидкая линза.

Многие начали проводить сравнение новой линзы Mi Mix Fold с глазом и говорить, что теперь одна такая линза сможет изменять свое фокусное расстояние, тем самым то приближая, то отдаляя изображение — в точности как наши глаза!

В какой-то момент я даже попытался одним глазом приблизить текст с экрана, но, несмотря на наличие в нём «жидкой линзы», ничего не вышло.

Другие писали о том, что в Mi Mix Fold нет традиционных линз, ведь вместо них используется только жидкая (на самом деле, там установлена еще «пачка» традиционных линз, исправляющих оптические искажения жидкой линзы).

В общем, думаю, вы уже наслышаны об этой технологии и ее преимуществах. Поэтому здесь я не хочу разделять общего энтузиазма и выскажу другое мнение. В конце концов, альтернативная точка зрения — это всегда интересно.

Попытка №3!

Вам не кажется странным тот факт, что столь значимую революцию в области фото сделала Xiaomi? Должно быть, таким компаниям, как Sony или Samsung, задающим тон на рынке мобильных камер последние лет 10, очень обидно осознавать этот факт?

На самом деле, еще в январе 2005 года (16 лет назад) авторитетное издательство WIRED сообщило о том, что через 3 месяца компания Samsung представит на выставке CeBIT первый прототип зум-камеры с жидкими линзами. Тогда же говорили, что первый коммерческий образец появится ближе к концу 2005 года.

В те годы пресса шумела о жидких линзах, ведь они смогли бы вывести мобильную фотографию на принципиально новый уровень — добавить функцию автофокуса, о которой тогда можно было только мечтать.

Но затем шумиха поубавилась.

Вторая волна жидких линз захлестнула умы техно-энтузиастов лет через пять. Начиная с 2009 года в сети стали появляться патенты на камеры с жидкими линзами не только от Samsung, но и Sony, Olympus, Panasonic и других:

Но почему-то снова дальше разговоров и патентов дело не пошло. Вторая попытка совершить революцию в области объективов мобильных камер опять провалилась.

Третья попытка приводит нас к 2020 году, когда в сети появился патент на жидкую линзу от Huawei. По словам различных источников, компания планировала (и планирует) использовать такую линзу в камере будущего Huawei P50.

И только Xiaomi в конце марта продемонстрировала первый коммерческий продукт.

Конечно же, хочется сразу задать логичный вопрос. Почему Samsung, запатентовавшая технологию жидких линз для мобильных камер еще до появления самой Xiaomi, не стала первопроходцем? Ведь мы знаем, насколько компания любит «технологии ради технологий», выпуская часто совершенно бесполезные «инновации», уходящие вскорости на свалку истории.

Ответ очевиден — качество жидкой линзы. В те годы оно было настолько плохим, что для минимизации искажения цвета приходилось делать серию из 3 монохромных снимков, после чего смешивать фотографии алгоритмами в один снимок.

Конечно, с тех пор прошло много лет и уже найдены/подобраны различные жидкости, дающие более-менее приемлемое качество изображения. Тем не менее, сам факт того, что жидкая линза не используется в Mi Mix Fold на 108-Мп основной матрице (которая требует от линзы очень высокой разрешающей способности), косвенно говорит о том, что далеко не все проблемы еще решены. И не факт, что технология вообще готова к коммерческому использованию.

Зачем на самом деле нужна жидкая линза в камере Xiaomi Mi Mix Fold?

Прежде всего, единственная задача жидкой линзы Mi Mix Fold — это функция автофокуса. И ничего более.

Согласитесь, в такой формулировке восторга от инновации становится меньше? Но чтобы действительно разобраться, зачем нужна такая линза, нужно вначале понять, как вообще работает автофокус на смартфоне и что именно должна заменить новая линза.

Представьте, что у нас есть телефон с типичной камерой, фокусное расстояние которой составляет 5 мм. Фокусное расстояние означает, что линза будет проецировать четкое изображение на матрицу, которая размещена ровно в пяти миллиметрах от нее:

Теперь давайте посмотрим, что произойдет, если мы попытаемся сфокусироваться такой камерой на объекте, находящемся в 10 метрах от нас.

Лучи от этого объекта пройдут через линзу камеры (на самом деле в камере много линз, но для упрощения будем считать, что она там одна) и четко сфокусируются на расстоянии 5 мм от линзы:

Это расстояние мы можем легко посчитать по очень простой формуле тонкой линзы 1/f=1/d_o+1/d_i, где f — это фокусное расстояние объектива (в нашем случае — 5 мм), d_o — расстояние до объекта съемки (10 метров), а d_i — расстояние до четкого изображения, которое спроецирует линза позади себя.

Из этой формулы следует, что d_i = (f*d_o)/(d_o-f). Просто подставляем числа вместо f и d_o и получаем d_i=5 мм.

Итак, наша матрица находится именно на таком расстоянии, а значит, вся картинка будет резкой.

Но теперь мы решили сделать снимок объекта, который находится в 10 см от смартфона. Лучи света от этого объекта пройдут через линзу и соберутся в четкое изображение, но уже на расстоянии 5.3 мм от линзы (согласно формуле тонкой линзы):

И вот тут-то мы сталкиваемся с серьезной проблемой. Четкое изображение находится дальше, чем матрица, соответственно, на матрице картинка будет размытой.

Что в таком случае делает смартфон? Просто механически отодвигает линзу подальше от матрицы. И теперь расстояние между линзой и матрицей составляет не 5 мм, а 5.3 мм, что идеально подходит для нашей фотографии.

На многих смартфонах даже можно услышать стук этой линзы, если хорошенько потрясти телефон. Она не зафиксирована жестко и может двигаться вдоль объектива.

А что в такой ситуации сделает наш глаз? Ведь, в отличие от жаб, рыб и мобильных камер, «линза» человеческого глаза (хрусталик) не ездит вперед-назад, чтобы подстраивать фокус.

Тут на помощь и приходит та самая жидкая линза. Дело в том, что оптическая сила линзы (способность изменять ход световых лучей) зависит от ее кривизны. Плоское стеклышко просто пропустит пучок света без отклонения, но чем сильнее оно будет изогнуто, тем сильнее будет отклоняться луч света в сторону.

Почему так происходит, я расскажу в статье о том, как устроен объектив камеры смартфона и зачем ему столько линз внутри. А пока просто примите это как факт.

Так вот, если четкое изображение оказалось дальше сетчатки, нужно просто напрячь мышцы глаза, тем самым сделав хрусталик более выпуклым, чтобы он агрессивнее сводил все лучи в одну точку:

Если в смартфоне есть жидкая линза, которая может аналогичным образом изменять свою форму (выпуклость), то совершенно незачем двигать линзы. Достаточно просто сфокусировать лучи ближе:

А теперь подумайте, можно ли как-то с помощью жидкой линзы приближать и отдалять изображение? То есть, заменить одной жидкой линзой сразу несколько камер (широкоугольную, телеобъектив)?

Если вы не можете этого делать своим глазом, то и жидкой линзой не сможете. Для этой задачи вам потребуется целый набор линз, из которых минимум две (а лучше — три или четыре) будут жидкими.

Естественно, ничего подобного в камере Xiaomi Mi Mix Fold нет и мы имеем дело только с фокусировкой.

Но как же режим 2-в-1?

Судя по новостям и роликам в YouTube, всех прямо-таки поразила возможность новой камеры Mi Mix Fold с жидкой линзой работать в «двух режимах» — в качестве телеобъектива и макро-камеры. Это преподносится как нечто инновационное, недоступное для обычных камер.

Но в реальности любая камера может быть в том числе «макро-объективом», если она способна фокусироваться на близком расстоянии. Всё дело, опять-таки, исключительно в фокусировке — сможет ли конкретная камера сфокусироваться на предмете, расположенном очень близко.

Многие смартфоны легко позволяют это делать своими широкоугольными камерами, но в случае с телеобъективами двигать линзы вперед-назад приходится гораздо дальше, поэтому на телеобъективах фокусное расстояние изменяется незначительно.

Использование жидкой линзы позволяет обойти это ограничение и изменять фокус в очень широком диапазоне. Но, повторюсь, принципиально ничего необычного в 3-кратном объективе, который способен фокусироваться на близком расстоянии, нет.

Революция в рекламе?

Жидкие линзы действительно могут значительно изменить камеры смартфонов в будущем, но Mi Mix Fold в этом плане не представляет из себя ничего интересного. Это не Siri от Apple, которой все хотели задать остроумный вопрос, и не гибкий экран от Samsung, который хотелось самому попробовать раскрыть и закрыть, убедившись, что он не сломается.

В жидкой линзе Mi Mix Fold для рядового пользователя нет никакого вау-эффекта, если только его не приводит в восторг работа автофокуса.

Когда (и если) камера будет иметь набор из жидких линз, способных не просто изменять фокусное расстояние, приближая или отдаляя изображение, но делать это плавно при помощи оптики, тогда можно будет говорить о настоящей революции.

А что сейчас? А сейчас Xiaomi выпускает камеру с единственной жидкой линзой для фокусировки и делает это на самом нишевом смартфоне, на далеко не самой востребованной его 8-Мп камере.

Всё это говорит о том, что сам разработчик на текущем этапе развития технологии не считает, что такая линза способна даже в качестве автофокуса заменить традиционные линзы.

Выглядит так, будто жидкая линза используется лишь для одной цели — создать информационный повод, чтобы весь мир заговорил о революции (повторюсь, не достойной даже того, чтобы использовать ее в основной камере смартфона).

Сегодня жидкая линза в Mi Mix Fold — это больше маркетинг, чем реальные преимущества. Да, фокусировка теоретически должна работать быстрее, так как передвигать линзы моторчиком банально дольше, чем изменять форму жидкости.

Но это не решает проблему с плохой фокусировкой при недостаточном освещении. Ведь проблема не в том, что подуставший за день смартфон не может быстро двигать линзы ночью, а в том, что он «плохо видит», на какое расстояние и в какую сторону их следует передвигать. А передвигать или изменять форму — это уже другой вопрос.

Жидкие линзы уже много лет используются в промышленности, медицине и других сферах, где качество картинки — это последнее, что интересует клиента. От таких линз требуется молниеносная фокусировка и они с успехом справляются с поставленной задачей.

Рано или поздно, на смартфоне останется лишь одна камера

Скорее всего, так и будет, но далеко не только благодаря жидкой линзе. Сегодня смартфоны используют несколько камер для разных целей. Это и портретный режим, и всевозможные режимы объединения картинок с разных матриц для получения дополнительной информации о сцене (цвете, детализации, глубине).

Рано или поздно искусственный интеллект сможет всё это заменить собой, а набор из жидких линз будет покрывать все фокусные расстояния от ультраширокоугольного до телеобъектива.

Вот только Mi Mix Fold к этому будущем пока не имеет отношения.

У Samsung было много проблем с автофокусом в Galaxy S20 Ultra и если бы эти проблемы могла уже сегодня решать жидкая линза, компания бы внедрила ее спустя 16 лет работы над технологией. Но в S21 Ultra мы видим классический лазерный автофокус в качестве вспомогательной системы фокусировки.

Что в итоге?

Жидкие линзы в смартфонах могут стать революцией, но революционность этой линзы в Mi Mix Fold, мягко говоря, несколько преувеличена.

Xiaomi добилась своей главной цели — громкий пиар за счет блогеров и прессы. Пиар на технологии, которая использована в самом нишевом продукте на камере, не играющей ключевой роли.

Продолжаем следить за рынком и мобильными камерами. Сможет ли Huawei или Samsung продемонстрировать прорыв с жидкими линзами, реализовав первый настоящий зум-объектив? Ведь, согласитесь, гонка мегапикселей уже перестала вызывать восторг, да и смысла подниматься выше 108 Мп на крохотных матрицах нет.