Jak Samsung Galaxy S20 Ultra pořizuje skvělé fotografie s Nona Binning

Války megapixelových fotoaparátů smartphonů se na několik let zpomalily, ale v roce 2019 znovu nabraly dech. Příchod Huawei P20 Pro v roce 2018 (Posouzení) a Huawei Mate 20 Pro (Posouzení) s obrovskými 40MP snímači Quad Bayer dokázal, že snímače s vysokým megapixelem nebyly nutně na škodu při fotografování při slabém osvětlení. Díky chytrému seskupování pixelů 4 v 1 a výkonnému nočnímu režimu byly vlajkové smartphony Huawei pro rok 2018 pohodlně nejvyšší úroveň ve fotografování při slabém osvětlení, která odpovídá a v některých případech dokonce překonává to nejlepší, co HDR+ a Night Sight od Google musely nabídka. V roce 2019 se vysokomegapixelové snímače Quad Bayer inspirovaly společností Huawei a dostaly se do hlavního proudu u většiny velkých prodejců chytrých telefonů využívajících nějakou formu 48MP Sony IMX586, 48MP Samsung GM1 a GM2,

64MP Samsung ISOCELL GW1a nakonec nejnovější 64MP Sony IMX686. Xiaomi se uvedením nového modelu výrazně zlepšilo Mi Note 10, který představoval a 108MP Samsung ISOCELL HMX primární senzor. The nově uvedený Samsung Galaxy S20 Ultra je druhým telefonem na trhu, který používá 108MP primární fotoaparát (nepočítaje v to Mi Mix Alpha koncept telefonu), ale jeho pracovní postup je jiný. Pojďme do detailů.

Galaxy S20 Ultra je vlajkovou lodí v řadě Samsung Galaxy S20 a má odpovídající specifikace a ceny. Zatímco běžné Galaxy S20 a Galaxy S20+ používají nový 12MP primární snímač s velikostí pixelů 1,8 mikronu, Galaxy S20 Ultra se posouvá až na 108MP primární snímač. Nejedná se však o stejný senzor jako Mi Note 10. Galaxy S20 Ultra používá senzor ISOCELL HM1, což je mírné zlepšení oproti ISOCELL HMX používanému v Mi Note 10. Je schopen natáčet video v rozlišení 8K@24fps. Zajímavější je, že ustupuje od seskupování pixelů 4 v 1 používaného v Mi Note 10 k novému seskupování pixelů 9 v 1, které produkuje 12MP fotografie. Samsung tomu říká nona binning a je to první telefon, který používá 3x3 pixel binning místo 2x2 pixel binning. Galaxy S20 Ultra se může dynamicky přepínat mezi režimem 108MP s vysokým rozlišením a režimem 12MP bez sdružených pixelů.

Abychom pochopili, proč je to výhodné, podívejme se, jak funguje pixel binning.

Pixel binning na vysoce megapixelových snímačích Quad Bayer

Před rokem 2018 měl v podstatě každý fotoaparát smartphonu pole barevných filtrů Bayer. Huawei P20 Pro a Huawei Mate 20 Pro byly prvními telefony, které využívaly snímače Quad Bayer. Jednoduše řečeno, snímač Quad Bayer má menší barevné rozlišení než snímač se standardním uspořádáním Bayer. Například na IMX586 mají fyzické barevné filtry na snímači fotoaparátu efektivní rozlišení pouze 12 MP. ISP takových senzorů je schopen dosáhnout virtuálního 48MP Bayer výsledku ze senzoru přeskupením subpixelů mezi logické pixely. Mělo by být jasné, že tento přístup není tak dobrý jako použití standardního Bayerova filtru. Jaký je konkrétní rozdíl? Podle AnandTech, 48MP IMX586 má prostorové rozlišení blíže k 27MP, protože je schopen zvýšit prostorové rozlišení pouze do poloviny.

Proč tedy používat snímače Quad Bayer? Dávají smysl, protože až dosud byly jedinou možností na trhu, pokud chce výrobce zařízení začlenit snímač s vysokým megapixelem. Jejich negativa jsou zmírněna použitím 4-v-1 pixel binning, který kombinuje čtyři pixely do jednoho pixelu na úrovni snímače pro snížení šumu, zlepšení dynamického rozsahu a zlepšení detailů na pixel. Spojení více pixelů do jednoho není nový nápad; bylo to provedeno s Nokia 808 PureView a Nokia Lumia 1020 v letech 2012 a 2013. Dříve byla myšlenka, že více zašuměných pixelů bude spojeno do jednoho čistého „super“ pixelu. Nástup snímačů Quad Bayer vedl k popularizaci pixel binningu.

Teorie pixel binningu je taková. Vlastní 40MP snímač Huawei na jeho vlajkových lodích má velikost pixelu 1,0 mikronu. Mainstreamové 48MP a 64MP snímače mají ještě menší velikost pixelu na 0,8 mikronu. Dokonce i 108MP snímače ISOCELL mají stejnou velikost pixelu 0,8 mikronu, protože velikost pixelu je udržována konstantní, když se rozlišení zvyšuje současně s velikostí snímače. Sníží-li se velikost pixelů, je nepříznivě ovlivněna kvalita obrazu při slabém osvětlení. Fotografie při slabém osvětlení jsou velmi ovlivněny citlivostí pixelu na světlo, a proto platí pravidlo má jít s větší velikostí pixelů, přičemž vlajková loď 12MP senzorů se ustálí na velikosti přibližně 1,4 mikronu.

Snímače Quad Bayer toto omezení teoreticky obcházejí tím, že přecházejí na pixel binning. Technologie 4 v 1 pixel binning od Huawei má za následek 10MP fotografie ve výchozím nastavení při „efektivní velikosti pixelu“ 2,0 mikronu. 48MP a 64MP snímače standardně používají 4-v-1 pixel binning pro 12MP a 16MP fotografie při efektivní velikosti pixelu 1,6 mikronu. Xiaomi Mi Note 10 standardně používá 4-v-1 pixel binning pro 27MP fotografie při efektivní velikosti pixelu 1,6 mikronu. To jim umožňuje dosáhnout konkurenceschopných výsledků při slabém osvětlení. Fotografování chytrými telefony je samozřejmě komplikovaný obor a zpracování obrazu je neméně důležitým faktorem, ale jsou všechny ostatní faktory konstantní, efektivní velikost pixelu 1,6 mikronu by měla být lepší než velikost pixelu 1,4 mikron. Někteří výrobci zařízení byli úspěšnější než jiní v implementaci takto vysoce megapixelových snímačů Quad Bayer. Samsung, Huawei a Apple se rozhodly zůstat u svých vlastních senzorů, zatímco Google nadále používal relativně starý Sony IMX363 v Google Pixel 4, kompenzuje to výpočetní fotografií v podobě vylepšeného HDR+ a Night Pohled.

Nyní tedy máme trh, kde i telefony nižší střední třídy mají 48MP a 64MP Quad Bayer senzory, protože mají v podstatě jen málo skutečných nevýhod oproti tradičním 12MP nebo 16MP senzorům. Při použití 4-v-1 pixel binning budou výsledné fotografie ve většině světelných podmínek tak jako tak v rozlišení 12MP, zejména při slabém osvětlení. Výhoda vysokého rozlišení přichází za denního světla, kde některé telefony nabízejí režimy 48MP, aby bylo možné využít zvýšené prostorové rozlišení.

„Nona binning“ Galaxy S20 Ultra

Galaxy S20 Ultra je logickým pokračováním metodologie pixel binning. Až dosud používaly telefony využívající vysokomegapixelové senzory 2x2 binning ke spojení čtyř pixelů do jednoho. To umožňuje zdvojnásobit efektivní velikost pixelu například z 0,8 mikronu na 1,6 mikronu. Se 108MP snímačem však existuje potenciál pro slučování ještě více pixelů najednou. 4-v-1 pixel binning bude mít za následek 27MP pixel binned režim, který je stále pravděpodobně příliš velký pro běžné fotografie. Také 27MP fotografie při efektivní velikosti pixelu 1,6 mikronu jsou dobré, ale co kdybyste mohli mít 12MP fotografie s efektivní velikostí pixelu 2,4 mikronu?

Samsung dosahuje efektivní velikosti pixelu 2,4 mikronu pomocí 3x3 pixel binning, kdy sloučí devět pixelů do jednoho pixelu na úrovni snímače. "Nona binning" není nic jiného než marketingový termín společnosti pro 3x3 binning. Tím se zkombinuje devět relativně zašuměných pixelů do jednoho velkého a čistého superpixelu, což by teoreticky ještě více zvýšilo citlivost na nízké světlo. Efektivní velikost pixelu 2,4 mikronu je u fotoaparátů chytrých telefonů neslýchaná. Jediná paralela je Obrazový snímač OmniVison OV48C 48MP, která byla zahájena na CES. Vydává standardní fotografie Bayer a má velikost pixelu 1,2 mikronu, která využívá seskupení téměř pixelů k dosažení 12MP fotografií s velikostí pixelu 2,4 mikronu. I když má skvělé specifikace, zatím se nedostal do žádného expedičního telefonu.

Přístup Samsungu je tedy teoreticky nejlepší z obou světů. Podle společnosti se bude telefon dynamicky přepínat mezi režimem 108MP s vysokým rozlišením a režimem 12MP bez seskupení pixelů. Za denního světla by měl být schopen pořizovat fotografie v ultra vysokém rozlišení 108 MP pro zachycení vzdálených detailů a pro efektivnější ořez, pokud je zpracování obrazu na špičkové úrovni. Při slabém osvětlení se dynamicky přepne do 12MP režimu pomocí 9-in-1 pixel binning. Fotografování při slabém osvětlení je mnohem více ovlivněno velikostí pixelů než rozlišením. Na teoretické úrovni dává binning 3x3 pixelů při slabém osvětlení mnohem větší smysl než 2x2 binning, i když rozlišení kleslo z 27MP (2x2 binning) na 12MP (3x3 binning).

108MP snímač Galaxy S20 Ultra tedy na papíře nemá žádné slabiny. Ve skutečnosti by se měl ukázat jako nový šampión kvality obrazu za denního světla i za nízké hladiny osvětlení. I když si vyhrazujeme úsudek, dokud telefon sami nevyzkoušíme, společnost Samsung učinila správná rozhodnutí na papíře. Osobně nepochybuji o tom, že pokud bude provedení provedeno dobře, více prodejců používajících 108MP senzory přejde na 9-in-1 pixel binning z 4-in-1 binning, aby dosáhli lepších fotografií při slabém osvětlení. Galaxy S20 Ultra je rozhodně zajímavý telefon a dává nám naději, že výkon fotoaparátu smartphonu a kvalita obrazu letos udělají další krok vpřed.

Fórum Samsung Galaxy S20 ||| Fórum Samsung Galaxy S20+ ||| Fórum Samsung Galaxy S20 Ultra