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.

Nokia 808 PureView oversampling

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.

sony imx586 oversampling
48 Mpx matryca Sony IMX586

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.

quad bayer sony matryca oversampling

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.