Pentingnya sensor dalam fotografi ponsel

Jika saat ini ponsel Anda hampir menjadi milik Anda kamera kepala tempat tidurIni bukan sihir. Belum lama ini, kamera ponsel hanyalah solusi cepat: mengambil foto dokumen yang buram, mengirim gambar jelek melalui MMS, dan tidak lebih dari itu. Sekarang, banyak orang meninggalkan kamera saku mereka di rumah karena ponsel pintar berkinerja sangat baik sehingga dapat bersaing dengan kamera kelas menengah khusus, dan bahkan beberapa kamera kelas menengah hingga atas.

Masalahnya adalah pemasaran telah membuat kita melihat ke tempat yang seharusnya tidak kita lihat. Selama bertahun-tahun kita telah diberitahu bahwa yang penting adalah... megapiksel dan jumlah kameraDan banyak orang masih memilih ponsel hanya berdasarkan dua angka tersebut. Namun, inti sebenarnya dari sistem ini adalah komponen lain yang hampir tidak diperhatikan siapa pun: sensor gambar. Memahami apa fungsinya, bagaimana cara kerjanya, dan mengapa ukurannya sangat penting, akan membuat perbedaan besar antara membeli berdasarkan iklan dan membeli dengan bijak.

Mengapa megapiksel bukanlah ukuran kualitas yang sebenarnya

Selama bertahun-tahun kita telah terbiasa untuk berfokus terutama pada hal-hal berikut: jumlah megapiksel Dari segi kamera: semakin tinggi jumlah megapiksel, semakin baik… atau begitulah kelihatannya. Iklan bersikeras bahwa kamera dengan lebih banyak megapiksel menghasilkan foto berkualitas lebih tinggi, dan banyak produsen meningkatkan jumlahnya tanpa menyentuh hal yang benar-benar penting: ukuran sensor dan ukuran setiap piksel.

Sebuah sensor terdiri dari jutaan partikel kecil. semikonduktor silikon Ini disebut fotosit atau fotodioda. Masing-masing mengubah cahaya (foton) yang diterimanya menjadi sinyal listrik. Secara praktis, setiap fotosit sesuai dengan satu piksel dalam gambar akhir. Ketika kita berbicara tentang megapiksel, kita hanya merujuk pada jumlah total titik-titik ini, bukan kualitasnya.

Resolusi (misalnya, 5472 x 3648 piksel pada kamera sekitar 20 megapiksel) memberi tahu kita tingkat detail maksimum dan hingga ukuran berapa kita dapat cetak atau gunting tanpa membuat foto menjadi berantakan. Tetapi itu tidak memberi tahu kita apa pun tentang noise, rentang dinamis, performa cahaya rendah, atau akurasi warna. Semua itu sebagian besar bergantung pada ukuran fisik sensor dan ukuran setiap piksel.

Secara umum, jika kita membandingkan teknologi dari generasi yang sama, semakin besar sensornya, semakin besar pula risikonya. kualitas gambar secara keseluruhanJadi mengapa mereka tidak memasang sensor sebesar mungkin di semua perangkat? Ini murni karena alasan teknis: sensor besar lebih mahal, memakan lebih banyak ruang, dan membutuhkan lensa yang lebih besar, yang bertentangan dengan ponsel ultra-tipis dan margin harga yang ketat.

Selain resolusi tersebut, penting untuk memahami dua konsep kunci: kerapatan piksel (jumlah megapiksel per sentimeter persegi sensor) dan ukuran piksel (ukuran setiap fotosit, biasanya dalam mikron). Dengan ukuran sensor yang sama, semakin sedikit megapiksel berarti piksel semakin besar, mampu menangkap lebih banyak cahaya dan karenanya menawarkan kualitas gambar yang lebih baik.

Bagaimana cara kerja sensor kamera ponsel sebenarnya

Kamera ponsel Anda menggunakan teknologi dasar yang sama dengan sebuah kamera digital Tradisional. Di satu sisi terdapat blok optik (rangkaian lensa) yang bertanggung jawab untuk "mengatur" dan mengarahkan cahaya tanpa menimbulkan terlalu banyak distorsi atau aberasi kromatik. Cahaya ini melewati lensa ketika sistem membuka diafragma dan langsung menuju sensor.

Pada kamera analog, cahaya tersebut difiksasi pada lapisan kimia dengan garam perak. Pada telepon seluler, cahaya jatuh pada sebuah susunan sel fotosensitifSensor digital. Setiap sel menghitung berapa banyak foton yang tiba selama waktu pemaparan dan menghasilkan tegangan yang proporsional dengan jumlah cahaya tersebut. Informasi ini, piksel demi piksel, kemudian diubah menjadi data digital yang akan diinterpretasikan dan diproses oleh prosesor gambar (ISP) ponsel.

Sensor yang kita temukan di ponsel dan kamera pada dasarnya terbagi menjadi dua keluarga: yang lama. CCD (Perangkat Kopling Muatan) dan CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) yang dominan. CCD menawarkan kualitas gambar yang bagus untuk waktu yang lama, tetapi harganya mahal, menjadi cukup panas, dan membutuhkan sistem pendingin yang kompleks dan besar, sesuatu yang tidak praktis pada smartphone tipis.

Sensor CMOS, yang lahir dan disempurnakan sebagian besar berkat upaya miniaturisasi NASA, merevolusi pasar. Sensor ini mengintegrasikan sirkuit pembacaan dan digitalisasi di dalam chip itu sendiri, sehingga membuatnya lebih efisien. Murah untuk diproduksi, dan mengonsumsi lebih sedikit energi. Selain itu, sensor ini menghasilkan panas yang lebih sedikit. Lebih jauh lagi, sensor ini memungkinkan penambahan logika pemrosesan di dalam sensor itu sendiri dan dapat diprogram, sehingga ideal untuk perangkat seluler di mana ruang dan efisiensi energi sangat penting.

Berdasarkan hal tersebut, muncul berbagai variasi, seperti sensor. BSI (Sensor Bercahaya Belakang)Ini sangat umum di ponsel pintar modern. Di sini, strukturnya diatur ulang sehingga cahaya mencapai fotodioda dengan lebih sedikit hambatan, yang jelas meningkatkan kinerja dalam kondisi cahaya rendah. Hasilnya: foto yang lebih jernih dengan lebih sedikit noise saat pencahayaan minim.

Cara sel-sel tersebut disusun dalam larik juga penting. Ada sensor dengan distribusi linier, trilinier, dan multi-larik… tetapi pada perangkat seluler, konfigurasi yang umum adalah… Matriks Bayeryang menggabungkan filter warna yang ditempatkan di atas setiap fotosit untuk memisahkan cahaya putih menjadi tiga komponen.

Matriks Bayer: RGGB, RYYB dan perjuangan untuk menangkap lebih banyak cahaya

Cahaya yang masuk ke sensor berwarna putih, tetapi kita perlu memisahkannya menjadi komponen warna untuk merekonstruksi gambar. Untuk itu, setiap fotosel dilapisi dengan lapisan tipis. filter warna yang hanya memungkinkan sebagian spektrum untuk melewatinya. Praktik yang umum dilakukan adalah memisahkannya menjadi merah, hijau, dan biru (RGB) atau varian seperti merah, kuning, dan biru (RYB), dan menggabungkan informasi dari beberapa fotosit untuk setiap piksel akhir.

Matriks Bayer klasik adalah RGGB: dalam satu blok empat fotosit, kita memiliki satu merah, satu biru, dan dua hijau. Redundansi hijau ini bukanlah kebetulan. Mata manusia lebih sensitif terhadap saluran hijau, dan penggandaannya memungkinkan kita untuk mencapai Lebih detail dan lebih sedikit noise pada gambar akhir. Kamera, dengan bantuan pemrosesan, menggabungkan data dari keempat fotosit tersebut untuk menghasilkan satu piksel berwarna penuh.

Huawei, bekerja sama dengan Leica, memutuskan untuk mematahkan tradisi ini di beberapa modelnya dengan memperkenalkan sensor baru. Spektrum Super RYYBDalam hal ini, matriks tersebut memiliki satu fotosit merah, satu fotosit biru, dan dua fotosit kuning, menggantikan saluran hijau yang berlebihan dengan saluran kuning yang memungkinkan bagian spektrum yang berbeda dan lebih lebar untuk melewatinya.

Apa artinya ini? Ini berarti fotosit kuning menangkap lebih banyak cahaya daripada fotosit hijau, jadi secara teori, sensor tersebut Alat ini mengumpulkan lebih banyak informasi cahaya.Sistem ini sekarang beroperasi lebih mirip dunia pencetakan CMYK (di mana pemikiran warna bersifat subtraktif) daripada model RGB yang sepenuhnya aditif. Untuk merekonstruksi gambar yang akurat, pemrosesan harus melakukan lebih banyak perhitungan: data merah dan biru digabungkan dengan data kuning untuk mendapatkan saluran akhir, yang membutuhkan daya pemrosesan lebih besar dan sejumlah besar komputasi fotografi.

Perubahan ini jelas menunjukkan tren industri: ada persaingan untuk memanfaatkan setiap milimeter ruang sensor untuk mendapatkan cahaya dan detail yang lebih baik. Namun, seperti yang hampir selalu terjadi, tidak ada keajaiban yang gratis. Sensor-sensor ini membutuhkan... prosesor yang andal dan algoritma tingkat lanjut untuk memanfaatkan jumlah cahaya maksimum tanpa merusak warna atau meningkatkan noise.

Ukuran sensor dan ukuran piksel: inilah kuncinya

Jika kita hanya mengambil satu kesimpulan utama dari semua ini, seharusnya itu adalah ini: dengan teknologi yang setara, Semakin besar sensornya, semakin banyak informasi yang dapat ditangkap.Dan, di dalam sensor tersebut, semakin besar pikselnya (yaitu, fotosit), semakin baik kinerja kamera, terutama saat cahaya minim.

Jumlah foton yang dapat "dihitung" oleh sebuah sel berbanding lurus dengan luas permukaannya. Sel yang besar dapat mengakumulasi lebih banyak muatan sebelum jenuh dibandingkan sel yang kecil, sehingga menghasilkan rentang dinamis yang lebih besar (detail yang lebih baik pada area terang dan gelap), lebih sedikit noise, dan reproduksi warna yang lebih stabil. Bukan kebetulan jika spesifikasi teknis yang serius menyebutkan hal ini. ukuran piksel dalam mikron: 1,22 μm, 1,4 μm, 1,8 μm, 2 μm… semakin tinggi angkanya, semakin baik, selama kita membandingkan sensor dari generasi yang sama.

Para produsen bekerja dalam ruang fisik yang sangat terbatas: modul kamera harus muat di dalam sasis ponsel, tidak boleh menonjol berlebihan, dan harus berdampingan dengan baterai, motherboard, speaker, dan komponen lainnya. Oleh karena itu, seringkali ada pengorbanan yang harus dilakukan. ukuran sensor atau piksel untuk meningkatkan resolusi dalam pemasaran. Hasilnya bisa berupa kamera 64 atau 108 megapiksel dengan piksel yang sangat kecil yang, tanpa bantuan perangkat lunak, berkinerja lebih buruk di malam hari daripada kamera 12 megapiksel dengan piksel besar.

Untuk mengatasi masalah ini, banyak sensor beresolusi tinggi menggunakan teknik "binning piksel“atau fusi piksel.” Dengan nama dagang seperti Quad Bayer, Tetracell, atau Light Fusion, sensor menggabungkan empat piksel fisik menjadi satu piksel “virtual” saat menghasilkan gambar. Dengan cara ini, sensor 48 megapiksel menghasilkan foto 12 megapiksel dengan penangkapan cahaya yang lebih besar dan noise yang lebih rendah, memanfaatkan beberapa fotosit untuk setiap piksel akhir.

Penggabungan ini dilakukan pada tingkat perangkat keras dan/atau perangkat lunak dan biasanya dapat diaktifkan atau dinonaktifkan dari aplikasi kamera. Jika kita mengaktifkan mode 48 atau 64 megapiksel penuh, kita akan mendapatkan detail selengkapnya untuk pemangkasanNamun, hal ini memperburuk performa dalam kondisi cahaya rendah. Jika kita mengizinkan ponsel untuk mengurangi resolusi hingga seperempatnya menggunakan pixel binning, kita akan mendapatkan peningkatan kualitas secara keseluruhan, terutama di malam hari.

Di segmen pasar kelas atas, kita sudah melihat sensor 1 inci di beberapa model canggih dari merek seperti Xiaomi dan Huawei. Sensor ini tidak hanya berukuran lebih besar secara fisik, tetapi juga dapat dilengkapi dengan piksel lebih besarHal ini jelas meningkatkan kapasitas pengumpulan cahaya mereka. Itu tidak secara otomatis berarti mereka menghasilkan foto terbaik di pasaran, tetapi hal itu memberi mereka keunggulan objektif dalam bahan baku: foton.

Sensor, optik, dan pemrosesan: trio yang menentukan kualitas akhir.

Kualitas fotografi tidak hanya bergantung pada sensor. Meskipun sensor merupakan komponen terpenting, dua pilar lain juga memiliki bobot yang signifikan: kualitas lensa dan pemrosesan gambar. Lensa berkualitas buruk, lensa yang dipoles dengan buruk, atau desain yang buruk dapat menimbulkan aberasi kromatik, hilangnya ketajaman di tepi, dan distorsi geometris yang merusak suatu pemandangan, tidak peduli seberapa bagus sensornya.

Setelah tembakan dilepaskan, proses pengolahan data mulai berjalan, yang pada ponsel modern terkait erat dengan hal tersebut. fotografi komputasiISP dan perangkat lunak pabrikan menggabungkan beberapa bidikan, menyesuaikan noise, mengangkat bayangan, mengompres sorotan, mengoreksi warna, dan menerapkan penajaman selektif. Setiap merek memiliki ciri khasnya sendiri: beberapa memprioritaskan warna yang lebih jenuh dan kontras tinggi, sementara yang lain bertujuan untuk tampilan yang lebih lembut dan alami.

Namun, ukuran fisik sensor tetap lebih penting daripada resolusi murni. Sensor yang lebih besar, bahkan dengan lebih sedikit megapiksel, dapat menawarkan gambar berkualitas lebih tinggi (terutama dalam kondisi pencahayaan buruk) dibandingkan dengan yang lebih kecil yang dipenuhi sel-sel kecil. Hal ini menyebabkan keputusan desain yang bertentangan dengan persaingan megapiksel, seperti HTC One M7 dengan 4 megapiksel dan piksel besar, atau iPhone yang selama bertahun-tahun "tetap" pada 8 atau 12 megapiksel, tetapi dengan sensor yang semakin besar.

Di sisi ekstrem lainnya, kita memiliki ponsel yang menawarkan 40, 50 megapiksel atau lebih, bahkan sensor 41 megapiksel seperti Nokia 808 PureView yang legendaris atau 40,1 megapiksel pada Lumia 1020, yang menggunakan resolusi yang lebih dari cukup untuk menawarkan zoom tanpa kehilangan apa pun dan pemangkasan gambar yang agresif. Setiap pendekatan memiliki keuntungannya masing-masing, tetapi Anda harus selalu memperhatikan sensor dan ukuran piksel untuk benar-benar memahami apa yang Anda beli.

Jenis-jenis sensor dan perannya dalam fotografi seluler saat ini

Ponsel modern biasanya tidak hanya memiliki satu sensor, tetapi beberapa sensor, yang masing-masing dikhususkan untuk penggunaan tertentu. sensor utama Biasanya, kartu ini memiliki kualitas tertinggi (dan seringkali terbesar), karena menangani sebagian besar foto dan video pengguna. Performa dalam kondisi cahaya rendah, resolusi, dan rentang dinamisnya menentukan pengalaman fotografi secara keseluruhan.

Di sebelahnya tampaklah sensor sudut lebarSensor ini, yang bertanggung jawab untuk memperluas bidang pandang, ideal untuk foto lanskap, arsitektur, atau foto grup. Sensor ini mengorbankan sedikit ketajaman tepi dan terkadang sedikit cahaya untuk menangkap lebih banyak bagian dari pemandangan. Pada model kelas atas, sensor ini juga memiliki optik yang baik dan ukuran yang layak, sehingga tetap berguna dalam situasi yang menantang.

El sensor telefoto Hal ini menjadi penting ketika kita menggunakan zoom optik. Tidak seperti zoom digital (yang memotong dan meregangkan gambar), zoom telefoto memungkinkan kita untuk mendekat tanpa kehilangan detail sebenarnya, karena pembesaran dicapai dengan optik khusus. Di sini, ukuran sensor dan piksel kembali menjadi kunci: lensa telefoto yang sangat panjang dengan sensor kecil dapat berkinerja buruk saat senja, tidak peduli seberapa tinggi angka pembesarannya yang diiklankan.

Pada banyak ponsel, ketiga hal ini dilengkapi dengan fitur tambahan seperti penginderaan kedalaman (untuk meningkatkan keburaman potret), sensor suhu warna (untuk menyesuaikan keseimbangan putih dengan lebih baik), atau bahkan sensor makro khusus. Fungsinya adalah untuk melengkapi sensor utama, meskipun seringkali beberapa peran ini dapat disimulasikan dengan perangkat lunak menggunakan sensor utama itu sendiri.

Stabilisasi gambar, baik optik (OIS) maupun elektronik (EIS), juga harus diperhitungkan. Meskipun bukan bagian dari sensor, ia bekerja bersama-sama dengannya untuk mengurangi getaran dan guncanganIni sangat penting untuk memaksimalkan cahaya dalam adegan malam hari tanpa menghasilkan foto yang buram, dan untuk merekam video yang mulus.

Cara memilih ponsel dengan kamera sesuai kebutuhan Anda

Saat membeli ponsel dengan mempertimbangkan kebutuhan fotografi, bukan berarti mengabaikan megapixel, tetapi menempatkannya dalam konteks yang tepat. Jika Anda biasanya menikmati foto di layar ponsel, media sosial, atau TV Full HD, maka... sedikit megapiksel yang dimanfaatkan dengan baik Dan dengan sensor yang mumpuni, Anda akan memiliki lebih dari cukup. Dalam kasus tersebut, sensor besar 12 atau 16 megapiksel dapat memberikan hasil yang lebih baik dalam penggunaan sehari-hari daripada sensor 64 megapiksel dengan ukuran sensor yang kecil.

Namun, jika Anda sering mencetak di kertas berukuran besar, cenderung memotong dengan agresif, atau bekerja semi-profesional, maka memiliki alat ini jelas sangat bermanfaat. sensor resolusi tinggiAsalkan seluruh anggaran tidak dihabiskan untuk memasukkan piksel-piksel kecil ke dalam sensor yang sangat kecil. Di situlah sensor 40, 50, atau lebih tinggi megapiksel, bersama dengan ukuran fisik yang baik dan pemrosesan yang mumpuni, menjadi masuk akal.

Apa pun situasi Anda, ada baiknya Anda mengajukan tiga pertanyaan sederhana kepada diri sendiri: Dalam kondisi pencahayaan seperti apa saya paling sering memotret? Apa yang saya lakukan dengan foto-foto saya setelahnya? Dan apakah modul kamera yang lebih besar sepadan dengan kualitas tambahannya? Menjawab pertanyaan-pertanyaan ini akan membantu Anda menentukan prioritas. sensor besar dan piksel besar dibandingkan dengan resolusi astronomis yang, dalam praktiknya, tidak akan Anda manfaatkan sepenuhnya.

Terakhir, jangan lupa bahwa performa sebenarnya juga bergantung pada generasi sensor dan prosesor. Tidak ada gunanya membandingkan langsung sensor BSI modern kelas atas dengan sensor lama dari beberapa tahun yang lalu, meskipun ukurannya sama. Saat membandingkan model, cobalah untuk membandingkan perangkat dari generasi yang sama. era dan rentang yang samaDan selalu perhatikan: ukuran sensor, ukuran piksel, bukaan lensa, dan apakah memiliki stabilisasi gambar optik.

Pada akhirnya, di balik setiap foto bagus yang diambil dengan ponsel Anda terdapat keseimbangan yang rumit antara optik, sensor, dan perangkat lunak. Megapiksel memberi tahu Anda berapa banyak piksel yang akan dimiliki sebuah gambar, tetapi yang terpenting adalah... Sensor menentukan seberapa banyak cahaya, detail, dan rentang dinamis yang diinginkan. Anda akan dapat memanfaatkannya. Memahami pentingnya hal ini memungkinkan Anda untuk melihat melampaui klaim iklan dan memilih dengan bijak ponsel pintar berfokus kamera berikutnya yang Anda masukkan ke dalam saku Anda.

Artikel terkait:

Lensa telefoto dalam fotografi seluler: panduan lengkap untuk memaksimalkan zoom.