Wincyj megapikseli! Tak określić można to, co dzieje się w ostatnim czasie w branży mobilnej fotografii. A komu to potrzebne? A dlaczego? – taką zaś reakcję powodują kolejne premiery smartfonów z aparatami wyposażonymi w 48, 64, czy nawet 108 milionów pikseli. Nieco bardziej świadomi amatorzy fotografii wiedzą przecież, że wielkość pojedynczego piksela ma ogromne znaczenie dla jakości obrazu – większy piksel to więcej złapanego światła, a więcej światła to zazwyczaj lepsze zdjęcie. Podstawy matematyki mówią natomiast, że na im więcej kwadratów (pikseli) podzielony zostanie prostokąt o danej powierzchni (matryca), tym pojedynczy kwadrat (piksel) będzie mniejszy. Czy więc wyścig zbrojeń producentów może prowadzić do degradacji obrazu? Czy marketing wygrywa ze zdrowym rozsądkiem? Nie do końca – kluczowym elementem tej układanki jest bowiem oversampling.
Megapikselowy szał
Czasy, gdy producenci aparatów próbowali tworzyć analogię pomiędzy rozdzielczością, a jakością obrazu, dawno już minęły. Na całe szczęście, bo było to twierdzenie w sporej mierze kłamliwe, na które nabrało się jednak wielu niewtajemniczonych konsumentów. Nawet dziś można spotkać się z pytaniem “Wow, a ile megapikseli ma Twój aparat?”, gdy pokaże się niektórym osobom całkiem ładną fotografię.
O ile budowanie megapikselowego marketingu było postępowaniem haniebnym, tak nie należy rozdzielczości umniejszać – więcej pikseli to w połączeniu z dobrym obiektywem więcej szczegółów, szersze możliwości kadrowania, a to ostatnie ważne jest szczególnie w czasach wyświetlaczy 4K i nadchodzącej erze 8K.
Dlatego też w dziedzinie rozdzielczości matryc zachowywać należy tak zwany zdrowy rozsądek. Przez lata, które minęły od czasów marketingowego szału megapikseli, rozsądek ten był zachowywany zarówno w przypadku aparatów dedykowanych, jak i tych wbudowanych w smartfony i inne smart-urządzenia. Aż do teraz.
Nokia, która wyprzedziła swoje czasy
W trwającym przez lata powolnym wzroście rozdzielczości matryc w roku 2012 pojawił się pewien wyłom: Nokia 808 PureView, czyli rewolucyjny smartfon fotograficzny.
Produkt legendarnej Nokii wyposażony był w aparat z matrycą o wysokiej nawet dzisiaj, a w swoich czasach wręcz szokującej rozdzielczości 41 Mpx. Również fizyczna wielkość sensora była i wciąż jest niedościgniona: 1/1.2″.
Za nazwą PureView stała kluczowa technologia znana jako oversampling, czyli łączenie pikseli. Pozwalała ona nie tylko na uśrednienie wartości kilku sąsiadujących pikseli, a przez to uzyskanie lepszej jakości obrazu zgodnie z zasadą większy piksel = więcej światła = lepszy obraz, a także na (prawie) bezstratny cyfrowy zoom z wykorzystaniem gigantycznej rozdzielczości sensora w połączeniu z oversamplingiem.
Następcą modelu 808 PureView była Nokia Lumia 1020 oparta na systemie ś.p. systemie Windows Phone. Smartfon ten wyposażono w znacznie nowocześniejsze podzespoły oraz algorytmy i możliwości fotograficzne, ale sama fizyczna wielkość matrycy została zmniejszona do 1/1.5″ – wciąż znacznie więcej, niż zdecydowana większość smartfonów wówczas i dziś.
Wielkość jednak ma znaczenie
Słowo “fotografia” pochodzi od połączenia greckich słów phōtós – światło oraz graphein – rysować, pisać. Światło jest więc w fotografii kluczowe, a sama fotografia to nic innego, jak rysowanie światłem.
Aby to światło złapać, konieczne jest zastosowanie matrycy, czyli (zazwyczaj) prostokąta z siatką pikseli na nim. Im większy sensor, tym lepiej, ponieważ większy sensor umożliwi uchwycenie większej ilości światła, a przez to także większej ilości informacji, która ma się znaleźć na finalnym zdjęciu. To wszystko przełoży się na większą rozpiętość tonalną, lepsze kolory, mniejszą ilość szumów, szczególnie w słabych warunkach oświetleniowych.
Wielkość matrycy przekłada się na wielkość pikseli. Przy założeniu tej samej rozdzielczości, większy sensor będzie oznaczał większe piksele, co również znacząco i pozytywnie wpłynie na finalną jakość zdjęć. Jednocześnie jednak zmniejszanie rozdzielczości wpływa negatywnie na ostrość obrazu, na możliwości cyfrowego zoomu i kadrowania. A co, gdyby połączyć zalety wysokich rozdzielczości z zaletami dużych pikseli?
Oversampling w erze fotografii obliczeniowej
Śmiało można powiedzieć, że czasy fotografii analogowej z wykorzystaniem taśmy fotograficznej przeminęły, a czasy fotografii cyfrowej, w klasycznym rozumieniu tego słowa, właśnie przemijają. Era fotografii, która nadeszła w przeciągu ostatnich kilku lat, to fotografia obliczeniowa. W erze analogowej najważniejsze były obiektyw oraz zastosowany film. W erze cyfrowej – obiektyw i matryca. W erze fotografii obliczeniowej do tej układanki dołączają jeszcze algorytmy. To one w ostatecznym rozrachunku mają główny wpływ na powstające zdjęcie. Oczywiście – nie zawsze algorytmy te działają perfekcyjnie, daleko im jeszcze np. do możliwości uzyskania efektu bokeh znanego z wysokiej jakości jasnych obiektywów stałoogniskowych. Programiści jednak nie próżnują, a wyniki ich prac z roku na rok stają się coraz lepsze. Można powiedzieć, że fotografia obliczeniowa wprowadza w świecie fotografii równowagę mocy: sprzęt i oprogramowanie stają się równie ważnymi, dopełniającymi się wzajemnie elementami.
Dziś oversampling nie jest już tylko technologią pozwalającą na programowe łączenie kilku pikseli w jeden poprzez uśrednienie ich wartości, a przez to redukcję szumów i rozszerzenie zakresu tonalnego. Oversampling stał się połączeniem sprzętu i oprogramowania nim sterującego.
Quad Bayer w służbie lepszej fotografii mobilnej
Zwróćmy uwagę na matrycę Quad Bayer od Sony. Bynajmniej nie jest to jakaś forma zakamuflowanej reklamy: matryce Sony są po prostu stosowane w większości istniejącego dziś sprzętu wyposażonego w aparat, w tym w ogromnym odsetku smartfonów.
Subpiksele (składowe części piksela, są to zazwyczaj dwa zielone, jeden czerwony i jeden niebieski) ustawione są w niestandardowy sposób tworząc jednokolorowe piksele. Obraz z czterech sąsiadujących pikseli jest następnie sumowany i przetwarzany w ten sposób, aby utworzyć konwencjonalną siatkę Bayera. Dzięki temu realna wielkość piksela rośnie z 0,8µm do sporych 1.6µm.
W przypadku popularnej 48-megapikselowej matrycy IMX586 wynikowy obraz ma rozdzielczość 12 Mpx. Tego typu zdjęcie powstałe po oversamplingu cechuje się znacznie lepszym odwzorowaniem kolorów, ilością detali, rozpiętością tonalną i poziomem szumów, niż konwencjonalna 12 Mpx matryca. Na tym producenci jednak nie poprzestają: Samsung przygotował już podobne 64- i 108-megapikselowe (!) sensory. W przypadku tej ostatniej, finalne zdjęcie będzie miało rozdzielczość 27 Mpx.
Oczywiście, taki oversampling nie oznacza, że rozdzielczość jest tracona: pełna rozdzielczość matrycy jest jak najbardziej dostępna, zastosowanie znajduje przede wszystkim w przypadku wykorzystania cyfrowego zoomu, a także wówczas, gdy zależy nam na maksymalnej możliwej szczegółowości zdjęcia.
II wojna megapikselowa
Oversampling sprawia, że wojna na megapiksele startuje na nowo i to ze zdwojoną siłą. Tym razem jednak wojna ta rzeczywiście ma sens i niesie ze sobą poprawę jakości obrazu. Możliwości, które daje nam fotografia obliczeniowa zbliżą aparaty w smartfonach do aparatów dedykowanych, przy zachowaniu małych rozmiarów tych pierwszych. Pamiętać bowiem należy, że najlepszy aparat to ten, który akurat masz w kieszeni. A tak się składa, że dziś smartfona w kieszeni ma każdy.