Перископні телефотокамери забезпечують до 10-кратного оптичного масштабування на смартфонах, мінімізуючи шум. Ось як працюють перископічні камери.
Камери незамінні для телефонів. Починаючи з першого телефону з камерою, камери займали настільки центральне місце в брендингу телефонів, що багато компаній заробляють лише на здатності своїх пристроїв знімати Ідеальний піксель (каламбур безумовно призначений) фотографії. Протягом останніх років виробники телефонів спрямували свою творчу енергію на вдосконалення камер і розміщення більшої кількості датчиків на смартфонах. Очевидним результатом є феноменальне зростання конкуренції між брендами за пропонування більшої кількості камер за менші гроші. Інновації були ключем до виживання в цьому конкурентному середовищі, і одна технологія камери, яка була втілення інновацій це перископічні зум-камери. Завдяки миттєвому 5- або 10-кратному оптичному збільшенню перископічні телефотокамери забезпечують швидке й просте наближення на далеку відстань.
У цій статті розповідається про використання перископічних зум-камер, їх переваги та недоліки, а також перспективне майбутнє перископічних зум-камер. Але перш ніж ми почнемо з останніх тенденцій, ось короткий огляд того, що могло призвести до цієї інновації.
Коротка історія телефотокамер для смартфонів
Хоча Apple не була першою, хто представив концепцію більше однієї камери на телефонах, компанії, безперечно, слід віддати належне за популяризацію цієї ідеї та надихання інших приєднатися до цієї ідеї. Компанія Apple, яка протягом тривалого часу була лідером фотозйомки на смартфонах, представила телефотокамеру з 2-кратним оптичним збільшенням на iPhone 7 Plus у 2016 році. Окрім оптичного масштабування, ця телефотокамера також використовувалася для захоплення даних глибини фону для портретних зображень.
Проте компанії, які займаються смартфонами, намагаються наблизити віддалені об’єкти набагато довше. У 2013 році Nokia представила Lumia 1020 з камерою 41 Мп. Незважаючи на те, що цей флагман Lumia не підтримував жодного оптичного масштабування, величезне зображення з 41-мегапіксельного датчика можна було обрізати, щоб імітувати псевдозум. На сьогоднішній день бренди смартфонів використовують подібне стратегія просування камер із великою кількістю мегапікселів, наприклад 64 МП або 108 МП.
Тим часом деякі бренди також незабаром експериментували з фактичними налаштуваннями рухомих об’єктивів, подібних до камер прямокутного типу. Наприклад, у 2013 році Samsung випустила Galaxy S4 Zoom із виступаючим об’єктивом із 10-кратним оптичним збільшенням і ксеноновим спалахом. Втягуючий об’єктив і ксеноновий спалах призвели до такої сильної схожості з прямокутною камерою, що Galaxy S4 Zoom по праву можна назвати камерою, що працює на Android і підтримує стільниковий зв’язок. The Galaxy K Zoom пішов за ним, запустивши наступного року.
Концепція перископічної камери на смартфоні залишалася досить новою, поки Huawei не популяризувала її, випустивши Huawei P30 Pro у березні 2019 року. Таким чином, вони стали першим брендом, який запропонував це комерційно. Huawei P30 Pro, як ми бачили на нашому детальний огляд камери телефону, міг робити знімки зі збільшенням до 50 разів. Проте Huawei не був першим брендом, який експериментував із цією ідеєю — саме OPPO вперше продемонструвала можливості оптичного масштабування перископічної камери на MWC 2017. Незважаючи на раннє впровадження, на створення технології знадобилося два роки прийти до усвідомлення.
Через кілька місяців після Huawei P30 Pro OPPO представила OPPO Reno 10X Zoom Edition із подібною перископічною телефото камерою. Приблизно в той же час, Samsung почала масове виробництво перископічних камер щоб інші виробники приєдналися до гонки.
Але перш ніж ми дізнаємось про телефони, які постачаються з цією технологією, давайте подивимося, як вона працює та яку роль відіграє перископ у модулі телефотокамери.
Що таке перископічна зум-камера?
Згідно з визначенням підручника, перископ — це оптичний інструмент, який дозволяє будь-кому бачити навколо перешкоди, не залишаючи їх видимими. Традиційно він включає дзеркала, які відбивають, або призми, які заломлюють світло під прямим кутом, дозволяючи людям бачити те, що знаходиться вище або нижче їх фактичної лінії зору. Протягом кількох десятиліть перископи використовувалися в броньованих машинах, таких як танки чи підводні човни. Прилад сам по собі нешкідливий, і його також можна зробити для простих цікавих наукових експериментів.
Додаток мало чим відрізняється, коли мова заходить про камери смартфонів. На відміну від стандартних телефотокамер, які пропонують 2- або 3-кратне оптичне збільшення, перископічні камери зазвичай пропонують 5- або 10-кратне збільшення, використовуючи більше одного об’єктива разом із датчиком камери. Роль перископа полягає в тому, щоб допомогти розмістити ряд лінз без різкого збільшення товщини смартфона.
Щоб зрозуміти роль перископа всередині модуля камери, візуалізуйте смартфон у 3D-розташуванні з різними осями, представленими координатами X, Y та Z. Смартфон лежить рівним екраном на площині YZ, а його товщину можна виміряти по осі Х. Традиційні датчики камери та прикріплені об’єктиви також лежать у площині YZ, перпендикулярній до осі Z.
Однак у випадку перископічної установки датчик і лінзи лежать на площині XZ і перетинають вісь Y під прямим кутом. На кінці, протилежному датчику камери, лежить призма, яка змінює напрямок світла перпендикулярно датчику. Завдяки використанню прямокутної призми перископічні камери мають квадратні або прямокутні вирізи замість традиційних круглих.
Світло потрапляє через прямокутний отвір камери перископа, заломлюється під прямим кутом, а потім проходить через лінзи і досягає датчика. Щоб забезпечити чіткість зображень, зроблених із 5- або 10-кратним збільшенням, використовують перископічні телефотокамери. оснащений підтримкою автофокусування, у якому лінзи рухаються вперед або назад для фокусування на віддаленому об’єкті датчик. Це продемонстровано в наступному відео від Samsung:
Крім того, при 5-кратному або більшому зумі навіть незначні поштовхи збільшуються і виглядають як значні рухи. Щоб уникнути цього перебільшеного зміщення кадру, перископічні камери побудовані з OIS або оптичною стабілізацією — зазвичай у призмі. Це означає, що призма може вільно рухатися вздовж кількох осей, реагуючи на зміни сили тяжіння, і, отже, сприймати будь-які раптові ривки.
Розташувавши лінзи та пряму кутову призму перпендикулярно отвору камери, виробники смартфонів можуть значно заощадити простір. Це запобігає тому, що смартфони з перископічними телефотокамерами будуть смішно товщі, ніж вони можна було б уявити, якби об’єктиви розмістили в одній площині з іншими камерами на смартфон.
Є ще одна цікава і досить поширена функція перископів, яку ми бачимо в камерах. У дзеркальних і дзеркальних камерах використовуються дзеркала або призми, щоб відбивати або заломлювати світло від об’єктива камери до оптичного видошукача. Хоча немає прямого зв'язку між перископами всередині дзеркальних камер і перископічним телефото камери на смартфонах, ми не можемо скасувати перші, можливо, були джерелом натхнення для нового віку оптичний зум.
Різниця між перископом і телефотокамерою
Телефотокамери – це камери, які дозволяють здійснювати оптичне масштабування з рухомою частиною або без неї. Навпаки, перископічна камера є переважно розширенням стандартної телефотокамери. Окрім різниці в орієнтації, телефото та перископічні камери можна відрізнити за формою отвору камери. Фактично, прямокутний отвір для перископічної камери дозволяє легко визначити її серед інших типів камер. З іншого боку, у типових телефотокамерах використовуються стандартні круглі отвори, і їх неможливо ідентифікувати з першого погляду.
Враховуючи більшу кількість об’єктивів, які використовуються в перископічній телеоб’єктиві, телеоб’єктив має більшу фокусну відстань. Нарешті, як ми побачимо в наступних розділах, ані телефото, ані перископічні камери наразі не підтримують змінну фокусну відстань, але деякі модифіковані рішення в майбутньому можуть це зробити.
Смартфони з камерою з перископічним масштабуванням
Як ми вже згадували вище, Huawei P30 Pro був першим комерційно доступним пристроєм, оснащеним 5-кратним перископічним зумом; Невдовзі з’явився OPPO Reno 10X Zoom Edition. Електромеханіка Samsung також розпочала виробництво цих модулів перископічної камери влітку минулого року, але потрібен деякий час, перш ніж вони змогли набрати пристойну кількість замовлень.
Через довгий час після виходу Huawei P30 Pro, Vivo X30 Pro (обмежено Китаєм) деякий час утримував естафету як «останній телефон із камерою-перископом», але незабаром його замінив Samsung Galaxy S20 Ultra. Випущений у лютому 2020 року Galaxy S20 Ultra також став першим смартфоном, який підтримує 100-кратне гібридне збільшення.
Xiaomi, яка рано з’являється на більшості вечірок, пізно прибула до цієї тенденції. Першим телефоном із перископічним модулем масштабування був телефон Mi 10 Youth Edition. Потім з’явився головний вбивця Realme — the Realme X3 SuperZoom — на базі однорічного Snapdragon 855. Двома останніми доповненнями до цього списку є останні флагманські пристрої від Samsung і Vivo Samsung Galaxy Note 20 Ultra 5G і Vivo X50 Pro, відповідно.
Huawei, бренд, який був піонером кількох інновацій на фронті фотографії, випустив наступників P30 Pro майже через місяць після того, як Samsung випустила Galaxy S20 Ultra. Хоча ці смартфони — Huawei P40 Pro і P40 Pro+ — передує іншим, згаданим у абзаці вище, анонс Huawei перевершує їх з точки зору технологій і вартий ексклюзивної згадки. Хоча обидва — Huawei P40 Pro і P40 Pro+ — оснащені камерами з перископічним масштабуванням, Перископна камера у варіанті Plus оснащена 10-кратним оптичним збільшенням, а звичайна Pro має 5-кратне оптичне збільшення. збільшити. Окрім перископа з 10-кратним оптичним збільшенням, Huawei P40 Pro+ також оснащено ще однією телефотокамерою з 3-кратним оптичним збільшенням.
Нещодавно запущений Серія Huawei Mate 40 дотримується тієї ж термінології, що й серія P40. Huawei Mate 40 Pro і Mate 40 Pro+ оснащені спеціальними перископічними камерами з 5-кратним і 10-кратним оптичним збільшенням. Mate 40 Pro+ також має додаткову телефотокамеру, як і P40 Pro+. Porsche Design Huawei Mate 40 Pro RS слідує за Mate 40 Pro+ і оснащений 10-кратною перископічною та 3-кратною телефото камерами.
Технологія перископічних камер розвивається відносно повільно, ніж загальна гра чисел у роздільній здатності камери. Незважаючи на те, що вона привабила як споживачів, так і виробників, її не відзначають так, як інші технології, такі як надшвидке заряджання чи постійне зростання частоти оновлення дисплея. Такі бренди смартфонів, як OPPO, працюють над тим, щоб усунути обмеження цих перископічних камер.
Перш ніж ми розглянемо ці обмеження, давайте розглянемо переваги, які пропонують перископічні камери.
Переваги перископічної зум-камери
Як ми бачили вище, за останнє десятиліття можливості масштабування смартфонів суттєво розвинулися. Камери з перископічним масштабуванням створили новий прецедент, коли справа стосується оптичного масштабування на смартфоні. Їхня головна перевага полягає в тому, що вони дозволяють знімати віддалені об’єкти чи пейзажі нарівні з камерою типу «наведи й знімай» без фактичного руху об’єктива. Одночасно перпендикулярна орієнтація перископа дозволяє виробникам смартфонів встановлювати датчик камери і набір необхідних лінз у корпусі смартфона, не коштуючи їх надто дорого товщина.
Різниця в шумах на зображеннях, зроблених із 10-кратним збільшенням за допомогою гібридного масштабування на Huawei Mate 40 Pro та цифрового масштабування на iPhone 12
Окрім більшої фокусної відстані перископічної телефотокамери, яка ідеально підходить для зйомки на відстані OIS гарантує, що зображення, зроблені з перископічним оптичним масштабуванням, мають набагато менше шуму, ніж цифрові збільшити. Крім денного світла, ця функція зручна, коли мова йде про фотографування в умовах слабкого освітлення або вночі.
Окрім усунення проблем і обмежень, з якими ми стикаємось із цифровим зумом на смартфонах, перископічні модулі зуму на смартфонах також дозволяють користувачам зазирнути в мікросвіт. Ви можете використовувати перископічну камеру, щоб робити макрознімки, навіть не наближаючись до об’єкта надто близько. Це особливо корисно, якщо ви захоплені захопленням комах або крихітних рептилій.
Однак таке розташування камери має певні недоліки, про які ми розповімо нижче.
Недоліки камери з перископічним зумом
Хоча камери з перископічним масштабуванням додають можливість наближати об’єкти набагато ефективніше, ніж цифрове масштабування, вони також мають певні обмеження. Найбільшою проблемою з перископічним телеоб’єктивом є те, що, хоча він дає вам свободу оптично збільшувати від об’єктів або наближення до крихітного об’єкта, його фокусна відстань — і, отже, можливості масштабування — фіксуються на певному значенні. Обмежений простір усередині установки об’єктива не дозволяє масиву об’єктивів занадто сильно рухатися. Рух може лише полегшити автофокус, але не збільшити чи зменшити масштаб. Таким чином, він не дозволяє збільшувати або зменшувати масштаб так само вільно, як фактично рухомий зум-об’єктив, прикріплений до наведи й знімай, цифрової дзеркальної фотокамери чи бездзеркальної камери.
Це означає, що цифрове масштабування працює на значеннях збільшення, відмінних від тих, що підтримуються камерою перископа, незважаючи на налаштування перископа. Наприклад, якщо смартфон підтримує 5-кратне оптичне збільшення, перископічна камера не запрацює, доки ви не збільшите 5-кратне збільшення. збільшити й натомість продовжувати використовувати основну камеру або іншу телефотокамеру, яка підтримує менше збільшення з цифровим збільшити.
Тепер, якщо ви хочете зняти щось із фокусною відстанню, вищою за 5X — скажімо, 10X, смартфон перемикається на перископічну камеру, а потім виконує цифрове збільшення 2X, що призводить до комбінованого збільшення 10X. Виробники смартфонів називають це «гібридним» зумом, поєднанням оптичного та цифрового зуму.
Наприклад, Huawei Mate 40 Pro+ використовує основну камеру з фокусною відстанню від 1x до 3x, з цифровим масштабуванням у міру збільшення. При 3-кратному зумі та більше видошукач перемикається на телефотокамеру з 3-кратним оптичним зумом. Ця камера продовжує використовуватися до 9,9-кратного збільшення (з цифровим обрізанням 3-кратного зображення), після чого телефон перемикається на перископічну камеру з 10-кратним оптичним збільшенням. За значень вище 10-кратного збільшення телефон знову обрізає 10-кратне зображення — таким чином покладаючись на «гібридне» масштабування. Звичайно, на пристроях з модулями камери з 5-кратним перископічним зумом перехід відбувається на 5-кратному фокусній відстані.
Іншим ключовим недоліком перископних камер є те, що зі збільшенням фокусної відстані поле зору звужується, а діафрагма отвору камери менша, ніж у основної камери — припускаючи, що об’єктиви, які використовуються в обох камерах, майже однакові. З меншою діафрагмою кількість світла, що падає на датчик, зменшується, що призводить до потреби в більшій кількості зовнішнього освітлення. Як наслідок, зображення, зроблені перископічною камерою, або слабко освітлені, або штучно перетримані порівняно з основною камерою з набагато більшою діафрагмою.
Як і очікувалося, завдяки цифровому зуму на зображенні з’являються шуми та візуальні артефакти. Це доводить, що, хоча перископічне масштабування є досить потужним, йому бракує універсальності, яку забезпечує фактично рухомий телеоб’єктив.
Перископічний зум – це майбутнє для телефото?
Концепція перископічних телефото камер є прогресивним кроком попереду цифрового зуму, але обмеження, які ми перерахували вище, свідчать про необхідність кращого рішення. Будучи першою компанією, яка розробила перископічні камери, OPPO зараз працює над вдосконаленою концепцією зі змінною фокусною відстанню, яка дозволить змінювати оптичне масштабування. У серпні 2020 року OPPO представила свою концепцію "гібридний оптичний зум", яка використовує 7-елементну лінзу.
Замість того, щоб усі лінзи були рівновіддалені одна від одної, ці лінзи розділені на три групи, дві з яких можуть вільно рухатися. Цей вільний рух має дозволяти змінну фокусну відстань у діапазоні від 85 мм до 135 мм, а також зміну оптичного масштабування між 3,3X і 5,2X. Це можна прив’язати до датчика CMOS із роздільною здатністю до 32 МП і підтримкою об’єднання пікселів 4-в-1.
В той самий час, Xiaomi працює над установкою висувного об’єктива, який можна прикріпити на основну камеру або використовувати як дискретний телеоб’єктив. Однією з головних переваг цього механізму є те, що об’єктив використовуватиме набагато більшу діафрагму, ніж перископічний модуль, забезпечуючи більше світла та, отже, кращі зображення. Xiaomi може випустити смартфон із висувною широкоапертурною лінзою вже до 2021 року.
Навіть Apple, за прогнозами, переїде на перископічні камери на iPhone до 2022 року. Хоча до цього залишилося ще два роки, застосування перископічних камер на iPhone може призвести до того, що вони стануть набагато більш масовими, ніж зараз. До того часу ми продовжуватимемо відстежувати події в галузі, які дозволять нам бачити, не відриваючись надто далеко від реальності.
Що ви думаєте про камери з перископічним зумом і яку роль ви очікуєте їм у фотозйомці на смартфонах протягом наступних кількох років? Поділіться з нами своїми думками в коментарях нижче!