Mieszko Krzykowski | 24 lipca 2013, 18:59

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.

 clarityplus-1

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.

clarityplus-2

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.

claritypsample-1

claritypsample-2

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.

organic-1

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.

 organic-3

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 ;)

organic-2

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 ;)

Komentarze
luke130
25 lipca 2013, 06:50
Cekawy artykuł. Dzięki. Z racji zainteresowania fotografiką bardzom ciekaw nowych technologii.
Ale:
1. Jak się ma rynek foto w komórkach do zwykłych aparatów o dużo większych senselach? Czy przypadkiem zysk z zastosowania nowej technologii w dużych matrycach (od APS-C po FF i większe) nie będzie już tak spektakularny?
2. IMO rewolucją byłoby wywalenie jakichkolwiek filtrów sprzed matrycy, czy to Bayeropodobnych czy innych dolnoprzepustowych. Wiązałoby się to z opracowaniem sensela który widziałby również barwę a nie tylko jej intensywność ale zysk mógłby być ogromny, przede wszystkim poprzez zrezygnowania z demozaikowania.
ps. Może używajmy właściwej terminologii: w matrycy jest sensel. Piksel to cecha samego obrazu a nie elementu go rejestrującego.
1
miekrzy
25 lipca 2013, 08:27
Ad 1. Technologia Aptiny jest typowo skierowana do smartfonów. W przypadku większych pikseli, różnice byłoby ciężko zauważyć i co najwyżej dawałoby to jakieś efekty przy ekstremalnie wysokich ISO, a w zamian generowałoby problemy z odwzorowaniem kolorów i ostrością obrazu przy niższych czułościach, a tego nikt nie chce. Czyli dość paradoksalnie zwiększa to efektywność działania małych pikseli/senseli (jak zwał, tak zwał ;)), ale do dobrego działania... wręcz wymaga ich małych rozmiarów, bo tylko dzięki nim jest możliwe osiągnięcie dobrych rezultatów w czasie interpolowania zieleni. Dlatego raczej nigdy nie zostanie to przeniesione do większych matryc.

Ad. 2. Niestety informacje na temat tego rozwiązania są bardzo szczątkowe i nie chciałem zbytnio wróżyć z fusów. Ale tutaj znowu widać z podawanych informacji, że celem było zmniejszenie strat fotonów w matrycach z gęstym upakowaniem punktów, bo takie rzeczy jak poszerzenie kątów wpadania światła, które są wymieniane jako jedne z największych zalet nowości, nie mają aż takie znaczenia w przypadku APS-C+. Poza tym gdzieś wygrzebałem informację, że na razie chcą budować matryce organiczne z senselami o wielkości 0,9-3 um, więc o ile Fuji nie planuje X-Pro 2 z sensorem o rozdzielczości 40+ MP, to raczej w nim nie zobaczymy organicznych materiałów ;) No i to nadal bardzo wczesna faza rozwoju technologii i obie firmy próbują ją okiełznać. Na przykład w pierwszych wersjach organicznych matryc Fuji w ogóle nie dodawało warstwy mikrosoczewek, bo ponoć była niepotrzebna, a teraz ją już widzimy...
1
ZIB2000
25 lipca 2013, 14:39
luke130 (2013.07.25, 06:50)
Cekawy artykuł. Dzięki. Z racji zainteresowania fotografiką bardzom ciekaw nowych technologii.
Ale:
1. Jak się ma rynek foto w komórkach do zwykłych aparatów o dużo większych senselach? Czy przypadkiem zysk z zastosowania nowej technologii w dużych matrycach (od APS-C po FF i większe) nie będzie już tak spektakularny?
2. IMO rewolucją byłoby wywalenie jakichkolwiek filtrów sprzed matrycy, czy to Bayeropodobnych czy innych dolnoprzepustowych. Wiązałoby się to z opracowaniem sensela który widziałby również barwę a nie tylko jej intensywność ale zysk mógłby być ogromny, przede wszystkim poprzez zrezygnowania z demozaikowania.
ps. Może używajmy właściwej terminologii: w matrycy jest sensel. Piksel to cecha samego obrazu a nie elementu go rejestrującego.



raczej chłopie fotografią - fotografika to zupełnie inny dział
Edytowane przez autora (2013.07.25, 14:40)
0
CortexM3
25 lipca 2013, 14:39
Tylko że MPIX, nie równa się jakość. Swego czasu dużo się działo w aparatach cyfrowych, i okazuje się że sensowność upychania MpIX, kończy się w okolicy liczby 10M. Potem już zwiększanie liczby pixeli nie przekłada się sensownie na jakość, a nawet w tanich matrycach może ją pogarszać, wyłażą szumy, zakłucenia itd.
-3
radek_z
25 lipca 2013, 15:50
Jedno się daje zauważyć że zdjęcia z obecnych smartfonów nie muszą już mieć kompleksów wobec zdjęć z aparatów kompaktowych. Bynajmniej zdjęcia z nich nie wyglądają już jak substytut urządzenia fotografującego no i ogromny plus że telefon ma się zawsze przy sobie. Nawet zgrabnego kompaktu nie zawsze człowiek ze sobą zabiera.

Do planowanego robienia zdjęć, wiadomo zawsze lustrzanka, która w moim przypadku ma tylko... 10 mpx:)
1
luke130
25 lipca 2013, 20:13
ZIB2000 (2013.07.25, 14:39)

raczej chłopie fotografią - fotografika to zupełnie inny dział

A skąd Ty wiesz czym się ja interesuję? Pomijam fakt, że fotografika również korzysta z zasobów sprzętowych, a więc zarówno klisz jak i matryc, więc nie baw się w polityków i nie mów mi, proszę, czym mam się interesować. OK?
0
KvM
28 sierpnia 2013, 17:56
smartfony potrzebują przede wszystkim zooma. skupianie się na matrycach i wyłącznie ilości mpx to droga do nikąd. Smartfony są dalej jakościowo od kompaktów niż kiedykolwiek przedtem, Wiem przesadziłem, ale takie sony rx 100 jakością obrazu, możliwościami nie daje płaszczyzny porównawczej nawet z rozwiązaniami nokii, która dała namiastkę zooma.
0
Zaloguj się, by móc komentować