Walka o megapiksele

Samsung Galaxy S4 pokazał, że na małej matrycy da się upchnąć 13 milionów pikseli, bez zbyt dużych strat w zakresie tonalnym i wzrostu szumów. Jednak to nie koniec i działy badawcze różnych firm szukają sposobów na zmniejszenie elementów światłoczułych sensorów i coraz lepsze wykorzystywanie małych ilości światła, które do nich docierają. Bardzo ciekawe nowe technologie, mogące wspomóc smartfonową pogoń za megapikselami, zostały niedawno zaprezentowane przez Aptinę i sojusz Panasonica z Fujifilm. Przed dalszą lekturą tego wpisu, zachęcam do zerknięcia tutaj, bo te wpisy są ze sobą mocno powiązane.

Clarity+, czyli filtr Bayera na sterydach

Nowe rozwiązanie Aptiny nie wywraca podejścia do tworzenia matryc do góry nogami, ale obiecuje sporą poprawę jakości obrazu, głównie gdy światła jest niewiele, czyli tam, gdzie malutkie piksele smartfonów mają najwięcej problemów. Koncept jest bardzo prosty – inżynierowie wzięli klasyczną trójkolorową „szachownicę” Bayera i wyrzucili z niego filtry światła zielonego.

Po co? Filtr koloru przepuszcza tylko fale o określonej długości, a reszta jest przez niego pochłaniana, czyli w pewnym sensie, część fotonów jest „marnowana”. W przypadku dużych sensorów stratę tę da się jakoś przełknąć, ale gdy mówimy o matrycach smartfonowych, to każdy foton się liczy (dosłownie i w przenośni). Tutaj do gry wchodzą specjalne, „białe” piksele, których zadanie polega głównie na pomaganiu w oddzieleniu sygnału od szumu (ponieważ do „bezfiltrowych” fotodiod wpada więcej fotonów, które wzbudzają więcej elektronów, to łatwiej dojść do tego, czy odczytany z nich sygnał jest „prawdziwy”, czy jest losowym szumem). Zebrane przez nie dane są później wykorzystywane przy obliczaniu (mniej zaszumionej) barwy okolicznych punktów.

A skąd wziąć zielony kolor w obrazie? Dzięki magii interpolacji i... odejmowania. Piksele są grupowane w czwórki, w których wiadomo wszystko o natężeniu czerwieni, niebieskiego i całkowitym natężeniu światła. Łatwo się domyślić, że wystarczy odjąć niebieski i czerwony od danych z „białych” punktów. Oczywiście jest to spore uproszczenie, ale praktyka nie jest zbyt daleka od niego i dzięki bardzo małym wymiarom pikseli, jest możliwe utrzymanie dobrego odwzorowania kolorów. Aptina zaprezentowała różnicę w jakości obrazu pomiędzy nowością, a klasycznymi rozwiązaniami i wygląda to obiecująco.

Zaletą tej techniki jest to jak łatwo jest ją zaimplementować w obecnych urządzeniach. Jedynie faza demozaikowania jest zupełnie nowa, ale wyliczone w jej czasie dane, nie różnią się niczym od tego, co jest generowane przez standardową matrycą z filtrem Bayera. To bardzo ułatwia życie programistom i umożliwia znacznie szybsze wprowadzenie Clarity+ na rynek.

Matryce organiczne, czyli zapowiedź potencjalnej rewolucji

Dużo ciekawsze i bardziej drastyczne zmiany zaprezentowało duo Panasonic/Fujifilm. Fuji już od dłuższego czasu pracuje nad zastąpieniem półprzewodnikowych fotodiod, które są z nami w matrycach aparatów od zawsze, światłoczułymi materiałami organicznymi. Projekt pokazany przez te firmy w połowie czerwca zapowiadają spore zmiany w podejściu do projektowania sensorów.

Do „liczenia” wpadających przez obiektyw fotonów wykorzystuje się tu bardzo cienką organiczną warstwę konwersji fotoelektrycznej, która robi to samo co wysłużone krzemowe fotodiody, ale... lepiej. Wykorzystanie nowych materiałów i technologii pozwoliło na znaczne poprawienie zakresu tonalnego i czułości matrycy, która przy okazji marnuje znacznie mniej światła. Dlaczego? Chociażby dlatego, ze warstwa organiczna jest jedną, ciągłą powierzchnią, która nie przypomina kratownicy, tak jak obecne sensory krzemowe, a więc matryca organiczna o tej samej całkowitej powierzchni, co matryca krzemowa, ma tak naprawdę większą powierzchnię światłoczułą.

Oprócz tego, to rozwiązanie jest w pewnym sensie naturalnym BSI, o którym pisałem w podlinkowanym we wstępie wpisie (czyli warstwa światłoczuła jest nad siatką obwodów elektrycznych, a nie pod nią), co niesie ze sobą kolejne wymierne korzyści. Fuji i Panasonic wspominają jeszcze o innych zaletach swojej technologii i nie mogę się doczekać gotowych produktów. Tym bardziej, że Fuji jest znane ze swoich kombinacji z filtrami kolorów, a Panasonic nie tak dawno temu pokazał, że tradycyjną warstwę filtrów może zastąpić układem deflektorów, a więc kooperacja tych dwóch firm może nam dać matrycę aparatową, która jest zupełnie niepodobna do czegokolwiek, z czym mieliśmy wcześniej do czynienia. Co ciekawe, z wykorzystaniem tej technologii ma się dać tworzyć matryce z pikselami mającymi boki o długości 0,9 um, czyli jeszcze mniejszymi niż te, które są w Galaxy S4 (1,1 um), co umożliwiłoby zwiększenie rozdzielczości zdjęć generowanych przez ten smartfon do... około 20 MP. Lekka przesada, ale robi wrażenie :) Pozostaje tylko pytanie o trwałość takich sensorów, bo krzem raczej nie pleśnieje ;)

Słowo na koniec

Ostatnimi czasy w świecie sensorów światłoczułych dzieje się całkiem sporo i w dużej mierze cały ten biznes zdaje się być napędzany przez smartfony i rosnące zapotrzebowanie na jak najlepszą jakość obrazu, w jak najmniejszym opakowaniu. Stąd też bierze się to całe eksperymentowanie z materiałami, BSI, czy posłaniem filtru Bayera na zasłużoną emeryturę. Jestem ciekaw gdzie nas to zaprowadzi i czy faktycznie doprowadzi to w końcu do śmierci klasycznych kompaktów (która jest zapowiadana od dawna, ale nie chce przyjść, tak jak śmierć „pecetów”). Choć w sumie, żeby było to możliwe, to jest konieczne nie tylko poprawienie jakości obrazu smartfonowych aparatów, ale też znaczne zwiększenie... pojemności akumulatorów, bo gdy biorę ze sobą telefon na wakacje, to przede wszystkim chciałbym aby mi on umożliwił wezwanie jakiejś pomocy w razie wypadku, a ciężko to zrobić z „baterią” rozładowaną w czasie intensywnego fotkowania ;)