как работает в телефоне камера
Как это устроено. Камера в телефоне
Макс Любин
Привет! Камера, а вернее, качество съемки в мобильном телефоне, стало одним из признаков флагмана. Многие производители соревнуются между собой в том, чей аппарат снимает лучше. Модули совершенствуются, обрастают новыми функциями, которые ранее были доступны только в фотоаппаратах, тем самым постепенно вытесняют последние.
На сегодня во флагманских смартфонах применяются камеры, обладающие оптической стабилизацией изображения, высокой светочувствительностью, состоящие из большого количества линз и представляющие собой весьма сложное устройство.
Еще совсем недавно камеры были гораздо скромнее по характеристикам и по размерам. Вот для примера сравнение основной камеры разных поколений смартфонов Samsung. Перед вами камера от Galaxy S3 в сравнении с камерой от Galaxy S7 EDGE.
Первое, что бросается в глаза, – размер. Камера от S7 Edge ощутимо больше. При этом, если сравнить их в толщину, то окажется, что, несмотря на рост длины и ширины, толщина не изменилась, оставшись весьма небольшой.
Толщина модуля – один из самых главных параметров с точки зрения габаритов. Благодаря этому, большинству производителей удается сохранять толщину корпуса небольшой и добиваться того, чтобы глазок камеры не выпирал из корпуса.
Если потрясти телефон, оснащенный камерой с автофокусом, можно услышать характерное дребезжание. Многие принимали это за неисправность и писали об этом на форумах либо шли в магазин, чтобы вернуть телефон, имеющий такую неисправность. На самом деле, это дребезжит блок линз, свободно закрепленный внутри корпуса камеры. Так работают стабилизация и автофокус.
Мне всегда было интересно разобраться, как же устроен такой модуль камеры внутри, как работают эти самые стабилизация и автофокус с точки зрения механики. Чтобы удовлетворить свое любопытство, я купил неисправный модуль камеры от Galaxy S7 Edge и занялся его препарированием.
Для начала еще раз осмотрим его снаружи. Корпус собран из большого количества деталей и подключается к плате широким многоконтактным разъемом.
На шлейфе имеется маркировка, с помощью которой можно отличить подделку от оригинального модуля. В одинаковые модели своих смартфонов, предназначенных для продажи в разных странах, Samsung может ставить как модуль собственного производства, так и модули производства Sony. В данном случае модуль производства Sony. Кроме надписи на шлейфе, на внешнем металлическом кожухе имеется серийный номер камеры, выгравированный мелким шрифтом. Серьезный подход.
Ну что, начинаем вскрывать.
Для начала снимем пластиковый фартук, защищающий модуль. Затем откроем маленький блок на шлейфе, внутри которого располагаются электронные компоненты, являющиеся частью управления питания камеры. Всегда удивляет миниатюрность таких устройств.
Обратите внимание, под кожух со всех сторон уходят контакты.
Снимаем металлический кожух.
Перед нами предстает внутренний пластиковый корпус, который со всех четырех сторон опоясан шлейфом с контактами, которые мы видели, когда рассматривали кожух снаружи.
Внутри находится металлический блок. Интересно, насколько сложно он извлекается. Попробуем его достать.
Удивительно, но внутренний блок линз никак не закреплен и извлекается вообще без сопротивления. Неожиданно.
Отложим извлеченный блок в сторону и заглянем внутрь. А внутри находятся малюсенькие катушки, на которые подается питание. Больше всего это напоминает электромагниты.
Что там еще? А еще в углах корпуса расположены шарики, которые, судя по всему, являются направляющими, по которым катается блок линз.
Впечатляет размер этих шариков. Вот один в сравнении с кончиком обычной зубочистки. А еще, видимо, этот шарик керамический.
Смотрим дальше. На дне корпуса виден фильтр матрицы камеры. Если присмотреться поближе, можно увидеть, что матрица покрыта трещинами. Интересно, что нужно было делать с телефоном, чтобы так повредить матрицу? Его либо очень сильно уронили, либо я даже не знаю.
К матрице мы еще вернемся. Давайте теперь поближе рассмотрим блок линз.
На боковых гранях видны металлические пластинки, которые на деле оказались миниатюрными магнитами. Теперь стало окончательно понятно, каким образом управляется камера. Будучи под напряжением, блок линз висит внутри электромагнитного поля и перемещается внутри корпуса, опираясь на керамические шарики, которые, судя по всему, играют роль не столько салазок, сколько ограничителей.
Конструкция выглядит монолитно. Но нет ничего собранного одним человеком, чего не смог бы разобрать другой человек.
На верхней части есть пластиковые пломбы.
Срезаем их, после чего поддеваем боковые защелки и снимаем еще один кожух. Извлекаем блок линз, который стал еще меньше. Не модуль, а матрешка какая-то.Внутри еще одного слоя корпуса снова обнаруживаем уже знакомые нам шарики. Причем шарики держат не только блок линз, но и еще одну оболочку, на которую этот самый блок опирается. Даа… Тут не только матрешку, но и Кащеев сундук вспомнишь.
Неужели будет еще один корпус в корпусе? Но нет, дальше только блок линз, запрессованный внутри пластиковой тубы.
Внутри и правда оказалось много линз. А если быть точным, те самые шесть, обещанные в рекламе. Одна из линз собрана из двух и не разделяется. Между всеми линзами есть тончайшие прокладки черного цвета. Миниатюрность и сложность конструкции впечатляют.
Расстроило только то, что линзы оказались пластиковыми. Пластик очень нежный, моментально царапается. Я думал, что хотя бы внешняя линза, находящаяся на самом верху, окажется стеклянной. Нет, тоже пластик. Жаль.
А теперь вернемся к матрице. Собственно, размер матрицы и определяет размер всего модуля. Снимаем фильтр и смотрим на матрицу.
Снова миниатюрные, мельчайшие элементы. Обратите внимание на золотые контакты, которые идут от матрицы на плату.
Фото в сравнении с человеческим волосом.
Несмотря на то, что умом понимаешь, что на данный момент технологии находятся на таком уровне, что подобное не должно удивлять, меня это впечатляет. Одно дело – понимать, а совсем другое – видеть собственными глазами. Ведь это все нужно было не только придумать, но и собрать.
Заключение
Вот так изнутри выглядит модуль камеры Samsung Galaxy S7 Edge. Еще одной тайной стало меньше, и еще одним знанием больше. Вряд ли это знание пригодится мне в жизни, например, при ремонте телефонов, так как в домашних условиях починить модуль вряд ли возможно, да и не нужно. Но зато теперь стал лучше понятен принцип работы механизм оптической стабилизации и автофокуса. А еще, это просто интересно. Мне всегда было интересно узнавать, как устроен мир вокруг. И не только как он устроен, но и из чего он состоит. С возрастом это желание не становится меньше, а впечатления от увиденного не становятся тусклее. Узнавая о том, как устроен мир вокруг нас, мы учимся лучше его понимать, но он все равно способен удивлять. Впереди еще масса открытий.
П.С. Ко мне приехал модуль камеры для недавно купленного Galaxy S7 Active, а значит, на днях предстоит приключение по замене этого модуля. Велик риск, но и результат стоит риска.
Работа камеры в смартфоне
В приведенных ситуациях обычно много света, гости готовы к съемке.
Так и проигрывают смартфоны, ведь их размеры не позволяют увеличить и камеры. А зеркалки имеют больши́е физические размеры, поэтому и в качестве они выигрывают.
И все же, в последние годы технологии шагнули так далеко, что даже при маленьких размерах производители смартфонов умудряются установить качественные камеры, которыми можно уже снимать даже художественные фото. Применяются различные датчики фокусировки, лазерные дальномеры, оптический зум, стабилизация и др.
Матрица
И если в зеркальном фотоаппарате размеры матрицы около дюйма, то и количество мегапикселей большое. Но в смартфоне маленькие матрицы и как там работает столько пикселей? Но и тут производители нашли решение, увеличив количество самих камер на смартфоне до двух, а то и до трех.
Основные параметры матрицы, которые вы можете встретить в описании:
Что касается ISO, так это часть настройки экспозиции. Экспозиция один из самых важных параметров для фотографа. Умение ее настраивать — это признак профессионализма. Еще там участвует диафрагма (характеристика объектива) и выдержка. В общем, это целая наука, хорошо, что в смартфоне все это устанавливается в автоматическом режиме. Поэтому мы и не будем дальше разбираться в теории по этим вопросам.
Объектив
Объектив в камере отвечает за угол обзора, за четкость, фокусировку, фокусное расстояние. От объектива в большой степени зависит качество снимка. Объективы в камере имеют несколько линз, обычно они пластмассовые, реже из стекла. От качества линз зависит и качество фоток.
Объектив формирует ту картинку, которая подается на матрицу. Нужно добиться как можно меньше искажений при максимальном качестве снимка.
Самые важные характеристики объективов — это фокусное расстояние и диафрагма.
Зум в основном используют для приближения объекта съемки, не подходя к нему. Цифровой зум использует кадр, который есть на матрице. Регулируя размеры кадра (движение пальцев навстречу или в разные стороны по экрану смартфона), мы можем увеличить нужный объект при включенной камере. Для хорошей работы цифрового зума нужна матрица с большим количеством пикселей и хорошая программная реализация. Все это доступно на дорогих моделях телефонов.
Диафрагма характеризует размер отверстия, через которое свет попадает на матрицу. Чем больше это отверстие, тем лучше для снимков. Обозначается диафрагма как буква f и рядом число. Например, f1.8 или f/1.8, это равнозначные записи. Так вот, чем меньше это число, тем больше отверстие и тем лучше.
Ниже на рисунке вы видите, как обозначение диафрагмы соответствует реальному размеру диафрагмы в объективе.
Это объектив фотоаппарата, но такая картина справедлива и для смартфонов
Вот в итоге мы и получили, что количество мегапикселей не совсем тот параметр, который влияет на качество снимков. Намного важнее знать модель матрицы, насколько качественна оптика, есть ли ручные настройки. Если вручную установить ISO на значение 100 и установить смартфон на штатив, то могут и ночью получиться хорошие фотоснимки.
Автофокус
Схема работы автофокуса при любом методе
Фокусировка по контрасту
Недостатками контрастной фокусировки являются :
График работы контрастного автофокуса
Фазовая фокусировка
А вот активная фокусировка определяет расстояние до объекта, используя датчики, что позволяет быстрее и точнее настроить резкость.
Как вы поняли, улучшение фазовой системы автофокуса происходит за счет увеличения датчиков на матрице.
Лазерная фокусировка
Лазерная фокусировка использует лазер от специального излучателя, расположенного рядом с объективом. Отраженный луч фиксируется датчиком и высчитывается расстояние до объекта. Очень точная фокусировка, но ограничена расстоянием до 3—5 метров, лазерный луч дальше уже очень рассеивается и система дает ошибки. На больших расстояниях включаются системы фазового или контрастного автофокуса.
До 2015 года основным методом автофокуса был контрастный. Уже с моделей Galaxy S5 и iPhone 6 был использован метод определения фазы.
Стабилизация изображения
Цифровая стабилизация используется часто для фотосъемки и всегда для видеосъемки. Она показывает неплохие результаты.
Стабилизация с помощью OIS или EIS дает приемлемые результаты только при небольшой тряске, в пределах нескольких миллиметров.
Ниже на рисунке показан принцип работы оптической стабилизации методом сдвига линзы в объективе или матрицы.
Когда говорят о 4-х осевой стабилизации, то подразумевается смещение блока линз по осям вверх-вниз, влево-вправо, и двум осям вращения: вертикальной и горизонтальной.
4-осевая оптическая стабилизация
Как работает двойная камера
Создать фотокамеру, ограниченную размерами смартфона и способную изменять диафрагму и фокусное расстояние (ФР) не получается. А изменять ФР и диафрагму нужно для получения художественных фотографий, да просто эти параметры расширяют возможности съемки.
Вот тогда и пришли к такому решению, как использование второй камеры для съемки. Разрешение в пикселях для дополнительной камеры может быть небольшим для получения хороших результатов. У первых смартфонов, использующих вторую камеру для изменения фокусного расстояния и диафрагмы, ее разрешение было 2 Мп.
С помощью дополнительной камеры можно сделать размытый фон на фото, улучшить резкость на снимке, получить разный зум (телеобъектив или широкоугольный). Плохо, что одна вспомогательная камера может делать только один из этих эффектов.
Создаем размытый фон
Монохром и резкость
Другие возможности
Если в фотовспышке используется два светодиода, то у них разная цветовая температура и в результате можно получить естественный цветовой баланс.
Выводы
Что в итоге останется с этих двойных камер, а что уйдет с рынка, еще предстоит выяснить, покупатель сделает свой выбор, нужно только подождать.
Как работают камеры смартфонов?
Потребители часто выбирают смартфоны, оценивая их фото и видеовозможности. От чего же зависит качество фотографии? Во-первых, от того, насколько качественный сам модуль камеры. Насколько много деталей данный модуль способен получить. Во-вторых, многое зависит от обработки изображения (наука о цвете).
Как же работают камеры? Фотоны света проходят через объектив. Диафрагма определяет, сколько света должна получить камера. Далее затвор перед сенсором (матрицей) контролирует, сколько по времени сенсор должен принимать свет. Далее матрица преобразует свет в цифровое изображение. На каждый пиксель матрицы попадают фотоны, и чем больше фотонов, тем ярче будут выходные пиксели матрицы.
Для того, чтобы матрица понимала цвет, используется фильтр Байера, он располагается перед матрицей и фильтрует фотоны по длине волны. Каждый цвет (синий, зеленый и красный) имеет свою длину волны. С помощью дебайеринга, который представляет собой сложные математические вычисления, происходит процесс восстановления полноцветного изображения.
И это лишь часть работы, которую проделывает камера смартфона. Далее в дело вступает программная обработка изображений, ведь если бы финальный результат был в RAW-формате, он бы понравился, мягко говоря, не всем. Процесс обработки изображений и является наукой о цвете.
Производители могут настраивать баланс белого, цвета, контраст, насыщенность и другие параметры. В последнее время часто прибегают к помощи искусственного интеллекта. С помощью него программа распознает объекты на фотографии и применяет отдельно к каждому объекту определенные цветовые параметры.
Например, Apple в iPhone очень любит использовать теплые тона. Как правило, теплые тона приятнее глазу. В Pixel 3 Google использует агрессивный режим HDR+, который сильно увеличивает контрастность и четкость изображения, а также делает изображение более холодным.
Samsung ранее любила использовать повышенную насыщенность и контрастность. В последнее время корейцы изменили свою науку о цвете, в Note 9 упор сделан на реалистичных цветах и повышенной яркости изображения.
Все производители используют камеры Sony, но смартфоны Sony имеют худшие фотографии на рынке. Причина этому — плохая обработка.
Данный материал лишь поверхностно охватывает работу камеры и обработку изображений, однако надеюсь, многим он будет полезен.
Мнением делитесь в Telegram-чате или ниже в комментариях.
masterok
masterokМастерок.жж.рф
Хочу все знать
В самом начале процесса появления камеры на смартфоне она была зачастую просто номинальна. Ну изображение можно было посмотреть на таком же маленьком экранчике смартфона. Камеры были от 0,3Мп и ни о каком разумном качестве речь не шла. Айфоны тогда показывали лучший результат и все были в шоке — как так можно снять на телефон? А на дешевых смартфонах был вообще ужас.
Сейчас все смартфоны снимают как нормальный фотоаппарат, а многие смартфоны снимать очень качественно намного превосходя простецкие фотоаппараты и сравниваясь с качественными фотоаппаратами. Если вы думаете, что устройство этого мелкого глазка в вашем телефоне очень простое, то вы ошибаетесь.
Так как же устроена камера современного смартфона?
Заблуждения по поводу небольшой сложности камеры во многом обусловлены тем, что времена, когда камера была только в самых дорогих устройствах, давно прошли, и сейчас она есть даже в моделях за несколько тысяч рублей. Конечно, качество снимков таких камер оставляет желать лучшего, но камеры там есть, а значит стоимость самого модуля очень невысокая.
Тем не менее, стоит учесть, что даже самая простая камера не может не иметь в своем составе матрицы из миллионов мельчайших элементов и системы фокусировки с подвижными элементами. А теперь представьте себе размер модуля камеры смартфона и сложность этих подвижных конструкций.
Матрица любой камеры, наряду со оптикой, являются основополагающими элементами качества снимка. Для начала разберем из чего состоит именно матрица.
Основной тип матрицы, применяемый в современных устройствах, состоит из светочувствительных элементов, собранных в блоки. Чем больше таких элементов, тем большую четкость снимков может обеспечить камера. Конечно, есть некоторые переменные, которые сводит к нулю ценность большого количества этих элементов. Это может быть низкое качество сборки, плохая оптика или желание сделать матрицу меньше при сохранении на ней светочувствительных элементов.
Стоит отметить, что сами светочувствительные элементы не могут работать без специальных фильтров, нанесенных на поверхность матрицы. Эти фильтры пропускают только красный (Red), зеленый (Green) и синий (Blue) цвет. Поэтому система и называется RGB.
Если на элемент не попадает свет определенного цвета, то он попадает на соседний. В этом и заключается принцип определения цвета снимка, так камера и понимает, какого цвета должна быть точка. Собрав несколько миллионов таких точек (мегапикселей) воедино, процессор обрабатывает их и собирает в готовое изображение.
Размер светочувствительной ячейки очень сильно влияет на итоговое качество изображения. Не смотря на то, что размер ячеек выражается в микронах, кажущаяся небольшой разница в несколько десятых микрона является очень существенной – чем больше размер пикселя, тем лучше. Например, матрица ZTE Axon 9 Pro имеет размер пикселя 1,4 микрона и, если у какого-нибудь другого смартфона размер пикселя будет на 0,14 микрона меньше, разница будет уже десятипроцентной.
Также на качество снимка влияет и расстояние между пикселями. Если пиксели будут очень маленькими и “напиханы” очень плотно, камера может иметь сколько угодно мегапикселей, но снимки будут плохими и с большим количеством шумов.
Все это является объяснением, что разрешение в 40 мегапикселей не является самым хорошим вариантом. Если сравнивать такую камеру с 20-мегапиксельной такого же размера, при малейшем снижении уровня освещения 40-мекапиксельная начнет существенно проигрывать.
Какой бы хорошей не была матрица, “стекла” могу свести на нет все старания ее создателей. В итоге вы можете получить снимок, который будет иметь большое разрешение, большой размер, но, при этом, никогда не будет четким. Для решения этой проблемы над оптикой работают не меньше, чем над самой матрицей.
Объектив камеры смартфона не зря называется именно так. Это именно объектив, как и в случае с зеркальными камерами, просто очень маленький. В конструкции объектива смартфона применяется несколько линз. Точное число зависит от конкретного производителя, но их может быть 4, 5, 7, 8 и даже больше.
Каждая линза выполняется из специального пластика или такого же специального стекла. Каждая из них собирает пучок света так, чтобы он равномерно попадал на рабочую часть матрицы. Малейшее смещение одной линзы на тысячные доли миллиметра может привести к полной неприемлемости качества снимков.
Важным критерием объектива будет его светосила или диафрагменное число. При выборе смартфона, если вам важна камера, надо выбирать тот, в котором цифра будет меньше, например, f/1,75. Это будет существенно лучше, чем f/2.0, f/2.2 и так далее. Тут все просто — чем меньше значение, тем выше светосила и тем лучше камера снимает при слабом освещении.
Еще одним важным показателем будет фокусное расстояние, но сейчас это уже потеряло актуальность для камер смартфонов. Все современные смартфоны оснащены камерами, которые отлично работают почти на любых расстояниях от объекта съемки. Есть даже модели с несколькими объективами, способными работать по-разному, дополняя функции основной камеры функциями телеобъектива (аналог оптического зума) или, наоборот, давая возможность снимать панорамы.
В большинстве смартфонов снаружи вся конструкция прикрыта сапфировым стеклом или другими его прочными разновидностями. Ведь малейшая царапина на стекле может навсегда лишить камеру возможности делать хорошие снимки.
Из названия функции понятно, за что она отвечает. На заре камеростроения для мобильных устройств они не оснащались автофокусом, это было не так плохо и позволяло фотографировать панорамы или объекты на их фоне, обладая достаточно большой глубиной резкости. Но время идет и надо вводить новые функции.
Так появился основной элемент, позволяющий улучшить снимки. В настоящее время он имеет три основных типа. Первый является контрастным. Суть его работы сводится к поиску оптимального фокуса, чтобы сделать резким все изображение или какую-то его часть, выбранную пользователем. Для такой системы не важно, на каком расстоянии находится объект съемки.
Второй тип автофокуса называется лазерным. Он работает только на небольших дистанциях и совмещается с другими системами для более полного охвата диапазона расстояний. Он способен определять расстояние до объекта и подстраивать под него настройки фокуса.
Третий тип автофокуса называется фазовым. Для его реализации предусмотрены дополнительные датчики, которые позволяют камере получить больше данных для настройки фокуса.
Наиболее продвинутые смартфоны способны на ходу объединять работу разных способов фокусировки и даже обеспечивать непрерывную автофокусировку, подстраиваются под изменение положения объекта.
Система стабилизации изображения
Если не считать программного способа стабилизации, который имеет существенные минусы, так как обрезает картинку и работает в основном только во время работы с видео, есть еще и оптический способ.
Для его реализации камера имеет специальный механизм. Он ориентируется на показания гироскопа и за счет специального привода позволяет менять положение модуля камеры. В итоге, это не удаляет полностью, но компенсирует тряску рук, позволяя сделать видео более плавным, а снимки более четкими даже при относительно низком уровне освещенности.
В наиболее продвинутых смартфонах работа систем объединена. Это позволяет добиться еще большей стабилизации изображения.
Датчик баланса белого
Для более точной цветопередачи и большей естественности снимка камеры оснащаются датчиком цвета.
Любой тип освещения имеет свою цветовую температуру, и,попадая на объект, он отражается по-разному. Человеческий глаз воспринимает это нормально и может подстраиваться, но камере работать с такими изменениями трудно.
Баланс белого можно смещать вручную, но лучше доверить это автоматике, которая сейчас развита настолько, что практически не ошибается и позволяет отказаться от ручных регулировок для большего удобства съемки.
В наше время смартфоны с одним модулем камеры выпускают только очень уверенные в себе или совсем бюджетные производители. Даже относительно недорогие модели уже оснащаются двумя модулями камеры.
В этом есть масса плюсов. Самый очевидный из них в том, что они могут иметь разные настройки фокусного расстояния. Например, ZTE Axon 9 Pro позволяет снимать не только обычные фото, но и широкоугольные — с углом обзора 130 градусов. Это может очень пригодиться, когда надо сфотографировать большую компанию, крупное здание с небольшого расстояния или панораму природы.
Как видим, камера современного смартфона не так проста, как кажется. Она состоит из матрицы с десятками миллионов светочувствительных элементов, информация с которых обрабатывается отдельно, нескольких идеально подогнанных друг под друга линз, миниатюрных приводов и датчиков.
Все это делает ее чуть ли не самым сложным элементом смартфона. Но она постоянно развивается, ведь ни для кого не секрет, что при покупке смартфона мы далеко не в последнюю очередь обращаем внимание на то, как он может фотографировать.
————————————————
Кабель КГВЭВ – силовой кабель, с медными многопроволочными токопроводящими жилами, в ПВХ оболочке и изоляции. Кабель экранирован медной оплеткой, что защищает передаваемый сигнал от электромагнитных полей. Кабель АСБ 3х240 обладает достаточно сложной конструкцией, включающей сразу несколько слоев изоляции и защиты. Однако именно такое строение обеспечивает высокие эксплуатационные характеристики изделия.
————————————————