Jak Samsung Galaxy S20 Ultra robi świetne zdjęcia z Noną Binning

Wojny megapikselowe w aparatach w smartfonach wyhamowały na kilka lat, ale w 2019 r. ponownie nabrały tempa. Pojawienie się w 2018 roku Huawei P20 Pro (recenzja) i Huawei Mate 20 Pro (recenzja) z ogromnymi czujnikami Quad Bayer o rozdzielczości 40 MP udowodniły, że czujniki o dużej liczbie megapikseli niekoniecznie są przeszkodą w fotografowaniu przy słabym oświetleniu. Dzięki sprytnemu łączeniu pikseli 4 w 1 i potężnemu trybowi nocnemu flagowe smartfony Huawei na rok 2018 mogły wygodnie przebywać w najwyższy poziom w fotografii przy słabym oświetleniu, dorównujący, a w niektórych przypadkach nawet pokonujący to, co najlepsze w HDR+ i Night Sight firmy Google oferta. W 2019 roku, czerpiąc inspirację z Huawei, do głównego nurtu trafiły wysokomegapikselowe czujniki Quad Bayer, a większość głównych dostawców smartfonów korzysta z jakiejś formy

48 MP Sony IMX586, 48 MP Samsunga GM1 i GM2, 64 MP Samsung ISOCELL GW1i wreszcie najnowszy 64-megapikselowy Sony IMX686. Xiaomi podniosło poprzeczkę wraz z wprowadzeniem na rynek Mi Note 10, w którym wystąpił m.in 108 MP Samsung ISOCELL HMX czujnik główny. The nowo wprowadzony na rynek Samsung Galaxy S20 Ultra to drugi telefon na rynku wyposażony w główny aparat 108 MP (nie licząc Mi Mix Alpha telefon koncepcyjny), ale jego przepływ pracy jest inny. Przejdźmy do szczegółów.

Galaxy S20 Ultra to flagowy telefon z serii Galaxy S20 firmy Samsung, który ma odpowiednią specyfikację i cenę. Podczas gdy zwykłe Galaxy S20 i Galaxy S20+ wykorzystują nowy główny czujnik 12 MP z pikselami o wielkości 1,8 mikrona, Galaxy S20 Ultra ma większy czujnik główny 108 MP. Nie jest to jednak ten sam czujnik, co Mi Note 10. Galaxy S20 Ultra wykorzystuje czujnik ISOCELL HM1, co stanowi niewielką poprawę w stosunku do ISOCELL HMX zastosowanego w Mi Note 10. Po pierwsze, umożliwia nagrywanie wideo w rozdzielczości 8K przy 24 klatkach na sekundę. Co ciekawsze, odchodzi od łączenia pikseli 4 w 1 stosowanego w Mi Note 10 na rzecz nowego łączenia pikseli 9 w 1, które pozwala uzyskać zdjęcia w rozdzielczości 12 MP. Samsung nazywa to binowaniem nona i jest to pierwszy telefon, w którym zastosowano binowanie 3x3 pikseli zamiast łączenia pikseli 2x2. Galaxy S20 Ultra może dynamicznie przełączać się między trybem 108 MP o wysokiej rozdzielczości a trybem 12 MP bez podziału na piksele.

Aby zrozumieć, dlaczego jest to korzystne, przyjrzyjmy się, jak działa łączenie pikseli w grupy.

Grupowanie pikseli w wysokomegapikselowych czujnikach Quad Bayer

Przed 2018 rokiem zasadniczo każdy aparat w smartfonie był wyposażony w matrycę filtrów kolorów Bayer. Huawei P20 Pro i Huawei Mate 20 Pro były pierwszymi telefonami, w których zastosowano czujniki Quad Bayer. Mówiąc najprościej, czujnik Quad Bayer ma mniejszą rozdzielczość kolorów niż czujnik ze standardowym układem Bayer. Na przykład w IMX586 fizyczne filtry kolorów w czujniku aparatu mają efektywną rozdzielczość tylko 12 MP. Dostawca usług internetowych takich czujników jest w stanie uzyskać wirtualny wynik firmy Bayer o rozdzielczości 48 MP z czujnika, ponownie rozmieszczając subpiksele pomiędzy pikselami logicznymi. Powinno być jasne, że to podejście nie jest tak dobre, jak użycie standardowego filtra Bayera. Jaka jest konkretna różnica? Według AnandTech, 48 MP IMX586 ma rozdzielczość przestrzenną bliższą 27 MP, ponieważ jest w stanie zwiększyć rozdzielczość przestrzenną tylko w połowie.

Po co więc stosować czujniki Quad Bayer? Mają sens, ponieważ jak dotąd są jedyną opcją na rynku, jeśli producent urządzenia chce zastosować czujnik o wysokiej rozdzielczości. Negatywy są łagodzone poprzez łączenie pikseli 4 w 1, które łączy cztery piksele w jeden piksel na poziomie czujnika, aby zredukować szumy, poprawić zakres dynamiczny i poprawić szczegółowość na piksel. Łączenie wielu pikseli w jeden nie jest nowym pomysłem; zrobiono to w modelach Nokia 808 PureView i Nokia Lumia 1020 w latach 2012 i 2013. Wcześniej pomysł był taki, że wiele hałaśliwych pikseli zostanie połączonych w jeden czysty „super” piksel. Pojawienie się czujników Quad Bayer doprowadziło do popularyzacji łączenia pikseli w grupy.

Teoria łączenia pikseli jest następująca. Niestandardowy czujnik 40 MP Huawei we flagowych modelach ma rozmiar piksela 1,0 mikrona. Główne czujniki 48 MP i 64 MP mają jeszcze mniejszy rozmiar piksela – 0,8 mikrona. Nawet czujniki ISOCELL o rozdzielczości 108 MP mają ten sam rozmiar piksela 0,8 mikrona, ponieważ rozmiar piksela pozostaje stały, gdy rozdzielczość zwiększa się jednocześnie z rozmiarem czujnika. Zmniejszenie rozmiaru piksela wpływa niekorzystnie na jakość obrazu przy słabym oświetleniu. Na zdjęcia przy słabym oświetleniu duży wpływ ma wrażliwość piksela na światło, dlatego też obowiązuje praktyczna zasada ma mieć większy rozmiar piksela, a flagowe czujniki 12 MP mają rozmiar piksela około 1,4 mikrona.

Czujniki Quad Bayer teoretycznie omijają to ograniczenie, stosując łączenie pikseli w grupy. Łączenie pikseli 4 w 1 Huawei domyślnie daje zdjęcia w rozdzielczości 10 MP przy „efektywnym rozmiarze piksela” wynoszącym 2,0 mikrona. Czujniki 48 MP i 64 MP domyślnie korzystają z łączenia pikseli 4 w 1 dla zdjęć o rozdzielczości 12 MP i 16 MP przy efektywnym rozmiarze piksela wynoszącym 1,6 mikrona. Xiaomi Mi Note 10 domyślnie wykorzystuje łączenie pikseli 4 w 1 dla zdjęć o rozdzielczości 27 MP przy efektywnym rozmiarze piksela 1,6 mikrona. Dzięki temu mogą osiągać konkurencyjne wyniki przy słabym oświetleniu. Oczywiście fotografia smartfonowa to skomplikowana dziedzina, a przetwarzanie obrazu jest równie ważnym czynnikiem, ale wszystkie inne czynniki są stałe, efektywny rozmiar piksela wynoszący 1,6 mikrona powinien być lepszy niż rozmiar piksela wynoszący 1,4 mikron. Niektórzy producenci urządzeń odnieśli większy sukces niż inni we wdrażaniu tak wysokomegapikselowych czujników Quad Bayer. Samsung, Huawei i Apple zdecydowały się pozostać przy swoich niestandardowych czujnikach, podczas gdy Google nadal korzystał ze stosunkowo starego Sony IMX363 w Google Pixel 4, nadrabiając to fotografią obliczeniową w postaci ulepszonego HDR+ i Noc Wzrok.

Zatem mamy obecnie rynek, na którym nawet telefony z niższej średniej półki mają czujniki Quad Bayer 48 MP i 64 MP, ponieważ zasadniczo mają one niewiele wad w porównaniu z tradycyjnymi czujnikami 12 MP lub 16 MP. Dzięki łączeniu pikseli 4 w 1 ostateczne zdjęcia i tak będą miały rozdzielczość 12 MP w większości warunków oświetleniowych, szczególnie przy słabym oświetleniu. Korzyści z wysokiej rozdzielczości pojawiają się w świetle dziennym, gdzie niektóre telefony oferują tryby 48 MP, aby wykorzystać zwiększoną rozdzielczość przestrzenną.

„Nona binning” w Galaxy S20 Ultra

Galaxy S20 Ultra stanowi logiczny postęp metodologii łączenia pikseli w grupy. Do tej pory telefony wyposażone w czujniki o dużej liczbie megapikseli korzystały z łączenia w grupy 2x2 w celu łączenia czterech pikseli w jeden. Umożliwia to podwojenie efektywnego rozmiaru piksela, na przykład z 0,8 mikrona do 1,6 mikrona. Jednak w przypadku czujnika 108 MP istnieje możliwość jednoczesnego łączenia jeszcze większej liczby pikseli. Łączenie pikseli w grupy 4 w 1 spowoduje utworzenie trybu łączenia pikseli w rozdzielczości 27 MP, który nadal jest prawdopodobnie za duży dla zwykłych zdjęć. Ponadto zdjęcia o rozdzielczości 27 MP przy efektywnym rozmiarze piksela 1,6 mikrona są dobre, ale co by było, gdyby można było uzyskać zdjęcia o rozdzielczości 12 MP przy efektywnym rozmiarze piksela 2,4 mikrona?

Samsung osiąga efektywny rozmiar piksela wynoszący 2,4 mikrona, stosując łączenie pikseli w grupy 3x3, łącząc dziewięć pikseli w jeden piksel na poziomie czujnika. „Nona binning” to nic innego jak marketingowe określenie firmy określające binowanie 3x3. Spowoduje to połączenie dziewięciu stosunkowo hałaśliwych pikseli w jeden duży i czysty superpiksel, co teoretycznie jeszcze bardziej zwiększy czułość przy słabym oświetleniu. Efektywny rozmiar piksela wynoszący 2,4 mikrona jest niespotykany w aparatach smartfonów. Jedyna analogia jest taka Przetwornik obrazu OmniVison 48MP OV48C, który został zaprezentowany na targach CES. Wysyła standardowe zdjęcia firmy Bayer i ma rozmiar piksela 1,2 mikrona, który wykorzystuje łączenie prawie pikseli w celu uzyskania zdjęć o rozdzielczości 12 MP i rozmiarze piksela 2,4 mikrona. Chociaż ma świetne specyfikacje, nie trafił jeszcze do żadnego telefonu wysyłkowego.

Podejście Samsunga jest zatem teoretycznie najlepsze z obu światów. Według firmy telefon będzie dynamicznie przełączał się między trybem wysokiej rozdzielczości 108 MP a trybem 12 MP bez łączenia pikseli. W świetle dziennym powinien być w stanie wykonywać zdjęcia o ultrawysokiej rozdzielczości 108 MP, aby uchwycić odległe szczegóły i efektywniej kadrować, jeśli przetwarzanie obrazu jest na najwyższym poziomie. Przy słabym oświetleniu dynamicznie przełącza się w tryb 12 MP, wykorzystując łączenie pikseli 9 w 1. Na fotografowanie przy słabym oświetleniu znacznie większy wpływ ma rozmiar piksela niż rozdzielczość. Na poziomie teoretycznym łączenie pikseli 3x3 przy słabym oświetleniu ma znacznie większy sens niż łączenie 2x2, nawet jeśli rozdzielczość zostanie obniżona z 27 MP (łączenie 2x2) do 12 MP (łączenie 3x3).

Tym samym sensor 108 MP w Galaxy S20 Ultra na papierze nie ma żadnych słabych punktów. Tak naprawdę powinien okazać się nowym mistrzem jakości obrazu zarówno w świetle dziennym, jak i przy słabym oświetleniu. Choć z oceną wstrzymamy się do czasu, aż sami przetestujemy telefon, Samsung podjął właściwe decyzje na papierze. Osobiście nie mam wątpliwości, że jeśli wykonanie zostanie dobrze przeprowadzone, więcej dostawców korzystających z czujników 108 MP przejdzie do łączenia pikseli 9 w 1 z łączenia 4 w 1, aby uzyskać lepsze zdjęcia w słabym świetle. Galaxy S20 Ultra to na pewno ciekawy telefon i napawa nas nadzieją, że wydajność aparatu w smartfonie i jakość obrazu pójdą w tym roku o kolejny krok do przodu.

Fora dotyczące Samsunga Galaxy S20 ||| Fora dotyczące Samsunga Galaxy S20+ ||| Fora Samsunga Galaxy S20 Ultra