Wie das Samsung Galaxy S20 Ultra mit Nona Binning tolle Fotos macht

Der Megapixel-Krieg um Smartphone-Kameras verlangsamte sich mehrere Jahre lang, nahm aber 2019 wieder Fahrt auf. Die Ankunft des Huawei P20 Pro im Jahr 2018 (Rezension) und das Huawei Mate 20 Pro (Rezension) mit riesigen 40-Megapixel-Quad-Bayer-Sensoren bewies, dass hohe Megapixel-Sensoren nicht unbedingt ein Nachteil für die Fotografie bei schlechten Lichtverhältnissen sind. Dank raffiniertem 4-in-1-Pixel-Binning und einem leistungsstarken Nachtmodus konnten die Flaggschiff-Smartphones von Huawei aus dem Jahr 2018 bequem dabei sein Die Spitzenklasse in der Low-Light-Fotografie, die mit den Besten von Googles HDR+ und Night Sight mithalten und diese in manchen Fällen sogar übertreffen kann Angebot. Im Jahr 2019 kamen, inspiriert von Huawei, Quad-Bayer-Sensoren mit hoher Megapixelzahl in den Mainstream, wobei die meisten großen Smartphone-Anbieter irgendeine Form davon verwendeten

48MP Sony IMX586, 48MP Samsung GM1 und GM2, das 64MP Samsung ISOCELL GW1und schließlich der neueste 64MP Sony IMX686. Xiaomi hat mit der Einführung des noch einen Schritt weiter gegangen Mi Note 10, in dem a 108MP Samsung ISOCELL HMX Primärsensor. Der neu eingeführtes Samsung Galaxy S20 Ultra ist das zweite Telefon auf dem Markt, das eine 108-MP-Hauptkamera verwendet (ohne die Mi Mix Alpha Konzepttelefon), aber der Arbeitsablauf ist anders. Kommen wir zu den Details.

Das Galaxy S20 Ultra ist das Flaggschiff der Galaxy S20-Serie von Samsung und verfügt über die entsprechenden Spezifikationen und Preise. Während das reguläre Galaxy S20 und das Galaxy S20+ einen neuen 12-MP-Primärsensor mit einer Pixelgröße von 1,8 Mikrometern verwenden, steigt das Galaxy S20 Ultra auf einen 108-MP-Primärsensor auf. Dies ist jedoch nicht derselbe Sensor wie beim Mi Note 10. Das Galaxy S20 Ultra verwendet einen ISOCELL HM1-Sensor, was eine leichte Verbesserung gegenüber dem im Mi Note 10 verwendeten ISOCELL HMX darstellt. Zum einen ist es in der Lage, Videos mit 8K@24fps aufzunehmen. Noch interessanter ist, dass es vom 4-in-1-Pixel-Binning des Mi Note 10 zu einem neuen 9-in-1-Pixel-Binning übergeht, das 12-MP-Fotos erzeugt. Samsung nennt dies Nona-Binning und es ist das erste Telefon, das ein 3x3-Pixel-Binning anstelle eines 2x2-Pixel-Binnings verwendet. Das Galaxy S20 Ultra kann dynamisch zwischen einem hochauflösenden 108-MP-Modus und einem Nona-Pixel-Binned-12-MP-Modus wechseln.

Um zu verstehen, warum dies von Vorteil ist, schauen wir uns an, wie Pixel-Binning funktioniert.

Pixel-Binning auf Quad-Bayer-Sensoren mit hoher Megapixelzahl

Vor 2018 verfügte praktisch jede Smartphone-Kamera über ein Bayer-Farbfilter-Array. Das Huawei P20 Pro und das Huawei Mate 20 Pro waren die ersten Telefone, die Quad-Bayer-Sensoren verwendeten. Einfach ausgedrückt hat ein Quad-Bayer-Sensor eine geringere Farbauflösung als ein Sensor mit einem Standard-Bayer-Layout. Beim IMX586 beispielsweise haben die physikalischen Farbfilter am Kamerasensor nur eine effektive Auflösung von 12 MP. Der ISP solcher Sensoren ist in der Lage, ein virtuelles 48-MP-Bayer-Ergebnis aus dem Sensor heraus zu erzielen, indem er die Subpixel unter den logischen Pixeln neu anordnet. Es sollte klar sein, dass dieser Ansatz nicht so gut ist wie die Verwendung eines Standard-Bayer-Filters. Was ist der konkrete Unterschied? Entsprechend AnandTech, Der 48-MP-IMX586 hat eine räumliche Auflösung von näher an 27 MP, da er die räumliche Auflösung nur zur Hälfte erhöhen kann.

Warum dann Quad-Bayer-Sensoren verwenden? Sie sind sinnvoll, weil sie bisher die einzige Option auf dem Markt sind, wenn ein Gerätehersteller einen Sensor mit hoher Megapixelzahl einbauen möchte. Ihre Nachteile werden durch die Verwendung von 4-in-1-Pixel-Binning abgemildert, das vier Pixel auf Sensorebene zu einem Pixel kombiniert, um Rauschen zu reduzieren, den Dynamikbereich zu verbessern und die Details pro Pixel zu verbessern. Die Kombination mehrerer Pixel zu einem ist keine neue Idee. Dies geschah bereits 2012 und 2013 mit dem Nokia 808 PureView und dem Nokia Lumia 1020. Bisher bestand die Idee darin, mehrere verrauschte Pixel zu einem sauberen „Super“-Pixel zusammenzufassen. Das Aufkommen von Quad-Bayer-Sensoren führte zur Popularisierung des Pixel-Binning.

Die Theorie hinter dem Pixel-Binning ist folgende. Der spezielle 40-MP-Sensor von Huawei in seinen Flaggschiffen hat eine Pixelgröße von 1,0 Mikrometer. Die gängigen 48MP- und 64MP-Sensoren haben mit 0,8 Mikrometer eine noch kleinere Pixelgröße. Sogar die 108-MP-ISOCELL-Sensoren haben die gleiche Pixelgröße von 0,8 Mikron, da die Pixelgröße konstant bleibt, wenn die Auflösung gleichzeitig mit der Sensorgröße erhöht wird. Wenn die Pixelgröße verringert wird, wird die Bildqualität bei schlechten Lichtverhältnissen negativ beeinflusst. Fotos bei schlechten Lichtverhältnissen werden stark von der Lichtempfindlichkeit eines Pixels beeinflusst und gelten daher als Faustregel soll auf eine größere Pixelgröße setzen, wobei sich die Flaggschiff-12-MP-Sensoren bei einer Pixelgröße von etwa 1,4 Mikrometern einpendeln.

Die Quad-Bayer-Sensoren umgehen diese Einschränkung theoretisch durch Pixel-Binning. Das 4-in-1-Pixel-Binning von Huawei führt standardmäßig zu 10-MP-Fotos bei einer „effektiven Pixelgröße“ von 2,0 Mikrometer. Die 48-MP- und 64-MP-Sensoren verwenden standardmäßig 4-in-1-Pixel-Binning für 12-MP- und 16-MP-Fotos bei einer effektiven Pixelgröße von 1,6 Mikrometer. Das Xiaomi Mi Note 10 verwendet standardmäßig 4-in-1-Pixel-Binning für 27-MP-Fotos bei einer effektiven Pixelgröße von 1,6 Mikrometer. Dadurch können sie auch bei schlechten Lichtverhältnissen wettbewerbsfähige Ergebnisse erzielen. Natürlich ist die Smartphone-Fotografie ein kompliziertes Feld und die Bildbearbeitung ist ein ebenso wichtiger Faktor, aber Wenn alle anderen Faktoren konstant bleiben, sollte eine effektive Pixelgröße von 1,6 Mikrometer besser sein als eine Pixelgröße von 1,4 Mikron. Einige Gerätehersteller waren bei der Implementierung solcher Quad-Bayer-Sensoren mit hohen Megapixeln erfolgreicher als andere. Samsung, Huawei und Apple entschieden sich dafür, bei ihren maßgeschneiderten Sensoren zu bleiben, während Google weiterhin die relativ alten Sony-Sensoren verwendete IMX363 im Google Pixel 4, was durch Computerfotografie in Form von verbessertem HDR+ und Nacht ausgeglichen wird Sicht.

Somit haben wir jetzt einen Markt, in dem sogar Telefone der unteren Mittelklasse über 48-MP- und 64-MP-Quad-Bayer-Sensoren verfügen, da diese im Wesentlichen kaum echte Nachteile gegenüber herkömmlichen 12-MP- oder 16-MP-Sensoren haben. Durch die Verwendung von 4-in-1-Pixel-Binning werden die endgültigen Fotos bei den meisten Lichtverhältnissen ohnehin eine Auflösung von 12 MP haben, insbesondere bei schlechten Lichtverhältnissen. Der Vorteil der hohen Auflösung zeigt sich bei Tageslicht, wo einige Telefone 48-Megapixel-Modi bieten, um die höhere räumliche Auflösung zu nutzen.

Das „Nona-Binning“ des Galaxy S20 Ultra

Das Galaxy S20 Ultra ist die logische Weiterentwicklung der Pixel-Binning-Methode. Bisher haben Telefone mit Hoch-Megapixel-Sensoren 2x2-Binning verwendet, um vier Pixel zu einem zu kombinieren. Dadurch lässt sich die effektive Pixelgröße beispielsweise von 0,8 Mikrometer auf 1,6 Mikrometer verdoppeln. Bei einem 108-MP-Sensor besteht jedoch die Möglichkeit, noch mehr Pixel auf einmal zu binning. Das 4-in-1-Pixel-Binning führt zu einem 27-MP-Pixel-Binning-Modus, der für allgemeine Fotos immer noch zu groß ist. Auch 27-Megapixel-Fotos mit einer effektiven Pixelgröße von 1,6 Mikrometern sind gut, aber was wäre, wenn Sie 12-MP-Fotos mit einer effektiven Pixelgröße von 2,4 Mikrometern hätten?

Samsung erreicht eine effektive Pixelgröße von 2,4 Mikrometer durch die Verwendung von 3x3-Pixel-Binning, bei dem neun Pixel auf Sensorebene zu einem einzigen Pixel zusammengefasst werden. „Nona-Binning“ ist nichts anderes als der Marketingbegriff des Unternehmens für 3x3-Binning. Dadurch werden neun relativ verrauschte Pixel zu einem großen und sauberen Superpixel zusammengefasst, was theoretisch die Empfindlichkeit bei schlechten Lichtverhältnissen weiter verbessern würde. Eine effektive Pixelgröße von 2,4 Mikrometern ist bei Smartphone-Kameras unerreicht. Die einzige Parallele ist OmniVisons 48MP OV48C-Bildsensor, das auf der CES vorgestellt wurde. Es gibt Standard-Bayer-Fotos aus und hat eine Pixelgröße von 1,2 Mikrometern, die mithilfe von Near-Pixel-Binning 12-MP-Fotos mit einer Pixelgröße von 2,4 Mikrometern erzeugt. Obwohl es über hervorragende Spezifikationen verfügt, hat es noch keinen Weg in ein handelsübliches Telefon gefunden.

Der Ansatz von Samsung ist daher theoretisch das Beste aus beiden Welten. Nach Angaben des Unternehmens wechselt das Telefon dynamisch zwischen einem hochauflösenden 108-MP-Modus und einem 12-MP-Nona-Pixel-Binned-Modus. Bei Tageslicht sollte es in der Lage sein, ultrahochauflösende 108-MP-Fotos aufzunehmen, um weit entfernte Details einzufangen und für einen effektiveren Zuschnitt, sofern die Bildverarbeitung auf dem neuesten Stand ist. Bei schlechten Lichtverhältnissen wechselt es mithilfe von 9-in-1-Pixel-Binning dynamisch in den 12-MP-Modus. Die Fotografie bei schlechten Lichtverhältnissen wird weitaus stärker von der Pixelgröße als von der Auflösung beeinflusst. Auf theoretischer Ebene ist 3x3-Pixel-Binning bei schlechten Lichtverhältnissen viel sinnvoller als 2x2-Binning, auch wenn die Auflösung von 27 MP (2x2-Binning) auf 12 MP (3x3-Binning) sinkt.

Somit weist der 108MP-Sensor des Galaxy S20 Ultra auf dem Papier keine Schwächen auf. Tatsächlich sollte es sich sowohl bei Tageslicht als auch bei schlechten Lichtverhältnissen als neuer Champion in der Bildqualität erweisen. Obwohl wir uns ein Urteil vorbehalten, bis wir das Telefon selbst getestet haben, hat Samsung auf dem Papier die richtigen Entscheidungen getroffen. Ich persönlich habe keinen Zweifel daran, dass bei guter Umsetzung mehr Anbieter, die 108-MP-Sensoren verwenden, von 4-in-1-Pixel-Binning auf 9-in-1-Pixel-Binning umsteigen werden, um bessere Fotos bei schlechten Lichtverhältnissen zu erzielen. Das Galaxy S20 Ultra ist auf jeden Fall ein interessantes Telefon und es stimmt uns zuversichtlich, dass die Kameraleistung und Bildqualität des Smartphones dieses Jahr einen weiteren Schritt nach vorne machen wird.

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