Comment le Samsung Galaxy S20 Ultra prend de superbes photos avec Nona Binning

La guerre des mégapixels avec les appareils photo des smartphones s’est arrêtée pendant plusieurs années, mais a repris de la vigueur en 2019. L'arrivée en 2018 du Huawei P20 Pro (revoir) et le Huawei Mate 20 Pro (revoir) avec d'énormes capteurs Quad Bayer de 40 MP ont prouvé que les capteurs à mégapixels élevés ne nuisaient pas nécessairement à la photographie en basse lumière. Grâce à un astucieux regroupement de pixels 4 en 1 et à un puissant mode nuit, les smartphones phares de Huawei en 2018 ont pu être confortablement installés. le meilleur niveau en matière de photographie en basse lumière, correspondant et dans certains cas même battant le meilleur que le HDR+ et Night Sight de Google avaient à offrir offre. En 2019, s'inspirant de Huawei, les capteurs Quad Bayer à mégapixels élevés sont arrivés dans le grand public, la plupart des principaux fournisseurs de smartphones utilisant une certaine forme de capteur.

Sony IMX586 48MP, Samsung GM1 48MP et GM2, le 64MP Samsung ISOCELL GW1, et enfin, le dernier Sony IMX686 64MP. Xiaomi est allé encore plus loin avec le lancement du Mi Note 10, qui présentait un 108MP Samsung ISOCELL HMX capteur primaire. Le Samsung Galaxy S20 Ultra récemment lancé est le deuxième téléphone du marché à utiliser un appareil photo principal de 108 MP (sans compter le Mi Mix Alpha concept phone), mais son flux de travail est différent. Entrons dans les détails.

Le Galaxy S20 Ultra est le téléphone phare de la série Galaxy S20 de Samsung, et il possède les spécifications et les prix qui correspondent. Alors que le Galaxy S20 classique et le Galaxy S20+ utilisent un nouveau capteur principal de 12 MP avec une taille de pixel de 1,8 microns, le Galaxy S20 Ultra passe à un capteur principal de 108 MP. Ce n’est cependant pas le même capteur que le Mi Note 10. Le Galaxy S20 Ultra utilise un capteur ISOCELL HM1, ce qui constitue une légère amélioration par rapport à l'ISOCELL HMX utilisé dans le Mi Note 10. Il est capable d’enregistrer des vidéos 8K à 24 ips, par exemple. Plus intéressant encore, il s’éloigne du regroupement de pixels 4 en 1 utilisé dans le Mi Note 10 pour passer à un nouveau regroupement de pixels 9 en 1 qui produit des photos de 12 MP. Samsung appelle cela un binning nona, et c'est le premier téléphone à utiliser un binning de 3x3 pixels plutôt qu'un binning de 2x2 pixels. Le Galaxy S20 Ultra peut basculer dynamiquement entre un mode haute résolution 108MP et un mode 12MP sans pixels.

Pour comprendre pourquoi cela est bénéfique, examinons le fonctionnement du regroupement de pixels.

Binning de pixels sur les capteurs Quad Bayer à mégapixels élevés

Avant 2018, pratiquement tous les appareils photo de smartphone étaient équipés d'un réseau de filtres couleur Bayer. Le Huawei P20 Pro et le Huawei Mate 20 Pro ont été les premiers téléphones à utiliser des capteurs Quad Bayer. En termes simples, un capteur Quad Bayer a une résolution couleur inférieure à celle d'un capteur avec une disposition Bayer standard. Sur l'IMX586, par exemple, les filtres de couleur physiques du capteur de la caméra n'ont qu'une résolution effective de 12MP. Le FAI de ces capteurs est capable d'obtenir un résultat Bayer virtuel de 48 MP à partir du capteur en réorganisant les sous-pixels parmi les pixels logiques. Il doit être clair que cette approche n'est pas aussi efficace que l'utilisation d'un filtre Bayer standard. Quelle est la différence spécifique? Selon AnandTech, le 48MP IMX586 a une résolution spatiale plus proche de 27MP car il ne peut augmenter la résolution spatiale qu'à mi-chemin.

Pourquoi utiliser les capteurs Quad Bayer alors? Ils ont du sens car jusqu’à présent, ils constituent la seule option sur le marché si un fabricant d’appareils souhaite intégrer un capteur à mégapixels élevés. Leurs inconvénients sont atténués grâce à l'utilisation du regroupement de pixels 4 en 1, qui combine quatre pixels en un seul pixel au niveau du capteur pour réduire le bruit, améliorer la plage dynamique et améliorer les détails par pixel. Combiner plusieurs pixels en un seul n'est pas une idée nouvelle; cela a été fait avec le Nokia 808 PureView et le Nokia Lumia 1020 en 2012 et 2013. Auparavant, l’idée était que plusieurs pixels bruyants seraient combinés en un seul « super » pixel propre. L’avènement des capteurs Quad Bayer a conduit à la popularisation du regroupement de pixels.

La théorie derrière le regroupement de pixels est la suivante. Le capteur 40MP personnalisé de Huawei sur ses produits phares a une taille de pixel de 1,0 micron. Les capteurs grand public 48MP et 64MP ont une taille de pixel encore plus petite, à 0,8 micron. Même les capteurs ISOCELL 108MP ont la même taille de pixel de 0,8 micron car la taille des pixels reste constante lorsque la résolution est augmentée simultanément avec la taille du capteur. Lorsque la taille des pixels est réduite, la qualité de l’image en basse lumière est affectée. Les photos en basse lumière sont fortement affectées par la sensibilité d'un pixel à la lumière et, par conséquent, par la règle empirique est d'opter pour une taille de pixel plus grande, avec des capteurs phares de 12 MP s'installant à environ 1,4 micron.

Les capteurs Quad Bayer contournent théoriquement cette limitation en optant pour le regroupement de pixels. Le regroupement de pixels 4 en 1 de Huawei donne par défaut des photos de 10 MP avec une « taille de pixel effective » de 2,0 microns. Les capteurs 48MP et 64MP utilisent par défaut le regroupement de pixels 4-en-1 pour les photos 12MP et 16MP avec une taille de pixel effective de 1,6 micron. Le Xiaomi Mi Note 10 utilise par défaut le regroupement de pixels 4 en 1 pour les photos de 27 MP avec une taille de pixel effective de 1,6 micron. Cela leur permet d’obtenir des résultats compétitifs dans des conditions de faible luminosité. Bien sûr, la photographie sur smartphone est un domaine complexe et le traitement de l'image est un facteur tout aussi important, mais tous les autres facteurs étant constants, une taille de pixel effective de 1,6 micron devrait être meilleure qu'une taille de pixel de 1,4 micron. Certains fabricants d’appareils ont mieux réussi que d’autres à mettre en œuvre des capteurs Quad Bayer de ces mégapixels. Samsung, Huawei et Apple ont choisi de conserver leurs capteurs personnalisés, tandis que Google a continué à utiliser le Sony, relativement ancien. IMX363 dans le Google Pixel 4, compensant cela avec la photographie informatique sous la forme de HDR+ et Nuit améliorés Vue.

Ainsi, nous avons maintenant un marché où même les téléphones de milieu de gamme inférieur sont dotés de capteurs Quad Bayer de 48 MP et 64 MP, car ils présentent essentiellement peu d'inconvénients réels par rapport aux capteurs traditionnels de 12 MP ou 16 MP. Grâce au regroupement de pixels 4 en 1, les photos finales auront de toute façon une résolution de 12 MP dans la plupart des conditions d'éclairage, en particulier dans des conditions de faible luminosité. L’avantage de la haute résolution se présente à la lumière du jour, où certains téléphones proposent des modes 48MP pour profiter de la résolution spatiale accrue.

Le « nona binning » du Galaxy S20 Ultra

Le Galaxy S20 Ultra est la progression logique de la méthodologie de regroupement de pixels. Jusqu'à présent, les téléphones utilisant des capteurs à mégapixels élevés utilisaient le regroupement 2x2 pour combiner quatre pixels en un seul. Cela permet par exemple de doubler la taille effective des pixels, passant de 0,8 micron à 1,6 micron. Cependant, avec un capteur de 108 MP, il est possible de regrouper encore plus de pixels à la fois. Le regroupement de pixels 4 en 1 entraînera un mode de regroupement de pixels de 27 MP, ce qui est sans doute encore trop grand pour les photos générales. De plus, les photos de 27 MP avec une taille de pixel effective de 1,6 micron sont bonnes, mais que se passerait-il si vous pouviez avoir des photos de 12 MP avec une taille de pixel effective de 2,4 microns ?

Samsung atteint une taille de pixel effective de 2,4 microns en utilisant un regroupement de 3x3 pixels, combinant neuf pixels en un seul pixel au niveau du capteur. "Nona binning" n'est rien d'autre que le terme marketing de l'entreprise pour le binning 3x3. Cela combinera neuf pixels relativement bruyants en un superpixel grand et propre, ce qui améliorerait théoriquement encore davantage la sensibilité à la faible luminosité. Une taille de pixel effective de 2,4 microns est inédite dans les appareils photo des smartphones. Le seul parallèle est Capteur d'image 48MP OV48C d'OmniVison, lancé au CES. Il produit des photos Bayer standard et a une taille de pixel de 1,2 microns qui utilise le regroupement proche des pixels pour obtenir des photos de 12 MP avec une taille de pixel de 2,4 microns. Bien qu’il ait d’excellentes spécifications, il n’a encore été disponible sur aucun téléphone d’expédition.

L'approche de Samsung est donc théoriquement le meilleur des deux mondes. Le téléphone passera dynamiquement entre un mode haute résolution 108MP et un mode 12MP sans pixel, selon la société. À la lumière du jour, il devrait être capable de prendre des photos ultra haute résolution de 108 MP pour capturer des détails lointains et pour un recadrage plus efficace, si le traitement de l'image est à la hauteur. En basse lumière, il passera dynamiquement à un mode 12MP, en utilisant le regroupement de pixels 9-en-1. La photographie en basse lumière est bien plus affectée par la taille des pixels que par la résolution. Sur le plan théorique, le binning 3x3 pixels en basse lumière a beaucoup plus de sens que le binning 2x2, même si la résolution passe de 27MP (binning 2x2) à 12MP (binning 3x3).

Ainsi, le capteur 108MP du Galaxy S20 Ultra ne présente aucune faiblesse sur le papier. En fait, il devrait s’avérer être un nouveau champion de la qualité d’image en lumière du jour comme en basse lumière. Même si nous réservons notre jugement jusqu'à ce que nous ayons testé le téléphone nous-mêmes, Samsung a pris les bonnes décisions sur papier. Personnellement, je n'ai aucun doute que si l'exécution est bien effectuée, davantage de fournisseurs utilisant des capteurs 108MP migreront vers le binning de pixels 9-en-1 à partir du binning 4-en-1 pour obtenir de meilleures photos dans des conditions de faible luminosité. Le Galaxy S20 Ultra est définitivement un téléphone intéressant, et il nous laisse espérer que les performances de l’appareil photo et la qualité d’image du smartphone feront encore un pas en avant cette année.

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