Come il Samsung Galaxy S20 Ultra scatta splendide foto con Nona Binning

La guerra dei megapixel delle fotocamere degli smartphone si è arrestata per diversi anni, ma ha ripreso vigore nel 2019. L'arrivo nel 2018 del Huawei P20 Pro (revisione) e Huawei Mate 20 Pro (revisione) con enormi sensori Quad Bayer da 40 MP ha dimostrato che i sensori con megapixel elevati non erano necessariamente un danno per la fotografia in condizioni di scarsa illuminazione. Grazie all'ingegnoso pixel binning 4-in-1 e alla potente modalità notturna, gli smartphone di punta Huawei del 2018 sono riusciti a stare comodamente in il livello più alto nella fotografia in condizioni di scarsa illuminazione, eguagliando e in alcuni casi addirittura battendo il meglio di HDR+ e Night Sight di Google offerta. Nel 2019, prendendo ispirazione da Huawei, i sensori Quad Bayer ad alto megapixel sono arrivati ​​al mainstream con la maggior parte dei principali fornitori di smartphone che utilizzano una qualche forma di

Sony IMX586 da 48 MP, Samsung GM1 da 48 MP e GM2, il Samsung ISOCELL GW1 da 64 MPe, infine, l'ultimo Sony IMX686 da 64 MP. Xiaomi ha fatto un passo avanti con il lancio del Mi Nota 10, che presentava a Samsung ISOCELL HMX da 108 MP sensore primario. IL Samsung Galaxy S20 Ultra appena lanciato è il secondo telefono sul mercato a utilizzare una fotocamera principale da 108 MP (senza contare Mi Mix Alfa concept phone), ma il suo flusso di lavoro è diverso. Entriamo nei dettagli.

Il Galaxy S20 Ultra è il telefono di punta della serie Galaxy S20 di Samsung e ha specifiche e prezzi adeguati. Mentre il normale Galaxy S20 e il Galaxy S20+ utilizzano un nuovo sensore primario da 12 MP con una dimensione pixel di 1,8 micron, il Galaxy S20 Ultra passa a un sensore primario da 108 MP. Questo però non è lo stesso sensore del Mi Note 10. Il Galaxy S20 Ultra utilizza un sensore ISOCELL HM1, che rappresenta un leggero miglioramento rispetto all'ISOCELL HMX utilizzato nel Mi Note 10. È in grado di registrare video 8K a 24 fps, per esempio. Ancora più interessante, si allontana dal binning pixel 4 in 1 utilizzato nel Mi Note 10 a un nuovo binning pixel 9 in 1 che produce foto da 12 MP. Samsung chiama questo nona binning ed è il primo telefono a utilizzare un binning di 3x3 pixel anziché un binning di 2x2 pixel. Il Galaxy S20 Ultra può passare dinamicamente da una modalità da 108 MP ad alta risoluzione a una modalità da 12 MP senza pixel bin.

Per capire perché questo è vantaggioso, diamo un'occhiata a come funziona il pixel binning.

Pixel binning su sensori Quad Bayer ad alto megapixel

Prima del 2018, praticamente ogni fotocamera di smartphone aveva un array di filtri colorati Bayer. Huawei P20 Pro e Huawei Mate 20 Pro sono stati i primi telefoni a utilizzare sensori Quad Bayer. In poche parole, un sensore Quad Bayer ha una risoluzione cromatica inferiore rispetto a un sensore con layout Bayer standard. Sull'IMX586, ad esempio, i filtri colorati fisici sul sensore della fotocamera hanno solo una risoluzione effettiva di 12MP. L'ISP di tali sensori è in grado di ottenere un risultato Bayer virtuale da 48 MP dal sensore riorganizzando i subpixel tra i pixel logici. Dovrebbe essere chiaro che questo approccio non è efficace quanto l'utilizzo di un filtro Bayer standard. Qual è la differenza specifica? Secondo AnandTech, l'IMX586 da 48MP ha una risoluzione spaziale più vicina ai 27MP in quanto è in grado di aumentare la risoluzione spaziale solo a metà.

Perché allora utilizzare i sensori Quad Bayer? Hanno senso perché fino ad ora sono l'unica opzione sul mercato se un produttore di dispositivi desidera incorporare un sensore ad alto megapixel. I loro aspetti negativi vengono mitigati utilizzando il binning dei pixel 4 in 1, che combina quattro pixel in un pixel a livello del sensore per ridurre il rumore, migliorare la gamma dinamica e migliorare i dettagli per pixel. Combinare più pixel in uno solo non è un'idea nuova; è stato fatto con il Nokia 808 PureView e il Nokia Lumia 1020 nel 2012 e nel 2013. Prima, l'idea era che più pixel rumorosi venissero combinati in un unico pixel "super" pulito. L'avvento dei sensori Quad Bayer ha portato alla diffusione del pixel binning.

La teoria alla base del pixel binning è questa. Il sensore personalizzato da 40 MP di Huawei sui suoi flagship ha una dimensione pixel di 1,0 micron. I sensori tradizionali da 48 MP e 64 MP hanno una dimensione dei pixel ancora più piccola pari a 0,8 micron. Anche i sensori ISOCELL da 108 MP hanno la stessa dimensione pixel di 0,8 micron perché la dimensione dei pixel viene mantenuta costante quando la risoluzione viene aumentata contemporaneamente alla dimensione del sensore. Quando la dimensione dei pixel viene ridotta, la qualità dell'immagine in condizioni di scarsa illuminazione viene influenzata negativamente. Le foto in condizioni di scarsa illuminazione sono fortemente influenzate dalla sensibilità di un pixel alla luce e, quindi, dalla regola pratica è quello di optare per una dimensione di pixel più grande, con i sensori di punta da 12 MP che si attestano su una dimensione di pixel di circa 1,4 micron.

I sensori Quad Bayer teoricamente aggirano questa limitazione utilizzando il pixel binning. Il binning dei pixel 4 in 1 di Huawei produce foto da 10 MP per impostazione predefinita con una "dimensione pixel effettiva" di 2,0 micron. I sensori da 48 MP e 64 MP utilizzano per impostazione predefinita il pixel binning 4 in 1 per foto da 12 MP e 16 MP con una dimensione effettiva dei pixel di 1,6 micron. Lo Xiaomi Mi Note 10 utilizza per impostazione predefinita il pixel binning 4 in 1 per foto da 27 MP con una dimensione effettiva dei pixel di 1,6 micron. Ciò consente loro di ottenere risultati competitivi in ​​condizioni di scarsa illuminazione. Naturalmente, la fotografia da smartphone è un campo complicato e l’elaborazione delle immagini è un fattore altrettanto importante, ma restando costanti tutti gli altri fattori, una dimensione effettiva dei pixel di 1,6 micron dovrebbe essere migliore di una dimensione dei pixel di 1,4 micron. Alcuni produttori di dispositivi hanno avuto più successo di altri nell'implementazione di sensori Quad Bayer con megapixel così elevati. Samsung, Huawei e Apple hanno deciso di rimanere con i loro sensori personalizzati, mentre Google ha continuato a utilizzare il relativamente vecchio Sony IMX363 nel Google Pixel 4, compensando con la fotografia computazionale sotto forma di HDR+ e Night migliorati Vista.

Pertanto, ora abbiamo un mercato in cui anche i telefoni di fascia medio-bassa hanno sensori Quad Bayer da 48 MP e 64 MP, poiché essenzialmente presentano pochi svantaggi reali rispetto ai tradizionali sensori da 12 MP o 16 MP. Utilizzando il pixel binning 4 in 1, le foto finali avranno comunque una risoluzione di 12 MP nella maggior parte delle condizioni di illuminazione, soprattutto in condizioni di scarsa illuminazione. Il vantaggio dell'alta risoluzione arriva alla luce del giorno, dove alcuni telefoni offrono modalità 48MP per sfruttare la maggiore risoluzione spaziale.

Il "nona binning" del Galaxy S20 Ultra

Il Galaxy S20 Ultra è la progressione logica della metodologia pixel binning. Fino ad ora, i telefoni che utilizzavano sensori ad alto megapixel utilizzavano il binning 2x2 per combinare quattro pixel in uno solo. Ciò consente, ad esempio, di raddoppiare la dimensione effettiva dei pixel da 0,8 micron a 1,6 micron. Con un sensore da 108 MP, tuttavia, esiste la possibilità di binning di ancora più pixel contemporaneamente. Il binning dei pixel 4 in 1 si tradurrà in una modalità di binning dei pixel da 27 MP, che è ancora probabilmente troppo grande per le foto generali. Inoltre, le foto da 27 MP con una dimensione effettiva dei pixel di 1,6 micron sono buone, ma se potessi avere foto da 12 MP con una dimensione effettiva dei pixel di 2,4 micron?

Samsung raggiunge una dimensione effettiva dei pixel di 2,4 micron utilizzando il pixel binning 3x3, combinando nove pixel in un singolo pixel a livello del sensore. "Nona binning" non è altro che il termine di marketing utilizzato dall'azienda per indicare il binning 3x3. Ciò combinerà nove pixel relativamente rumorosi in un superpixel grande e pulito, che teoricamente migliorerebbe ulteriormente la sensibilità in condizioni di scarsa illuminazione. Una dimensione effettiva dei pixel di 2,4 micron è inaudita nelle fotocamere degli smartphone. L'unico parallelo è Sensore di immagine OV48C da 48 MP di OmniVison, lanciato al CES. Produce foto Bayer standard e ha una dimensione pixel di 1,2 micron che utilizza il binning quasi pixel per ottenere foto da 12 MP con una dimensione pixel di 2,4 micron. Sebbene abbia ottime specifiche, non è ancora arrivato su nessun telefono di spedizione.

L'approccio di Samsung, quindi, è teoricamente il migliore dei due mondi. Secondo l'azienda, il telefono passerà dinamicamente tra una modalità ad alta risoluzione da 108 MP e una modalità senza pixel binned da 12 MP. Alla luce del giorno, dovrebbe essere in grado di scattare foto ad altissima risoluzione da 108 MP per catturare dettagli lontani e per un ritaglio più efficace, se l'elaborazione delle immagini è all'altezza. In condizioni di scarsa illuminazione, passerà dinamicamente alla modalità 12MP, utilizzando il pixel binning 9 in 1. La fotografia in condizioni di scarsa illuminazione è influenzata molto più dalla dimensione dei pixel che dalla risoluzione. A livello teorico, il binning 3x3 pixel in condizioni di scarsa illuminazione ha molto più senso del binning 2x2, anche se la risoluzione viene ridotta da 27 MP (binning 2x2) a 12 MP (binning 3x3).

Pertanto, il sensore da 108 MP del Galaxy S20 Ultra non presenta alcun punto debole sulla carta. In effetti, dovrebbe rivelarsi un nuovo campione di qualità dell'immagine sia alla luce del giorno che in condizioni di scarsa illuminazione. Anche se ci riserviamo il giudizio finché non avremo testato personalmente il telefono, Samsung ha preso le decisioni giuste sulla carta. Personalmente non ho dubbi che, se l'esecuzione viene eseguita correttamente, più fornitori che utilizzano sensori da 108 MP migreranno al binning pixel 9 in 1 dal binning 4 in 1 per ottenere foto migliori in condizioni di scarsa illuminazione. Il Galaxy S20 Ultra è sicuramente un telefono interessante e ci fa sperare che le prestazioni della fotocamera e la qualità delle immagini dello smartphone facciano un altro passo avanti quest'anno.

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