Азбука телефонных камер

Serdar Yegulalp. The ABCs of Camera Phone Technology, Computerworld US, May 2012.

С момента появления в конце 90-х гг. прошлого века первых телефонов со встроенными камерами, разрешение которых не превышало 1 Мпикс, прошло уже немало лет. Сейчас модели с интегрированными в них фотоаппаратами получили повсеместное распространение — вряд ли в наши дни встретится в продаже устройство, не оснащенное встроенной камерой.

Благодаря совершенствованию технологий фотосъемки, применяющихся как в автономных фотоаппаратах, так и в камерофонах, хорошая телефонная камера позволяет получать снимки, вполне сравнимые по качеству со сделанными компактными фотоаппаратами предыдущего поколения. Разрешающая способность камерофонов сейчас зачастую превышает 10 Мпикс. С помощью встроенных камер с оптическим зумом можно снимать видео высокой четкости. Анализ метаданных фотографий, размещенных на сайте Flickr, показывает, что сейчас самой популярной является встроенная камера iPhone 4.

В этой статье будут рассмотрены главные технологии, благодаря которым камерофоны стали основным устройством для повседневной съемки в арсенале многих пользователей. Также будет отмечено, что отличает полнофункциональные фотоаппараты — будь то карманная автоматическая камера или профессиональное зеркальное устройство — от их телефонных собратьев.

Датчики изображения: КМОП против ПЗС

Базовая технология любого цифрового фотоаппарата остается неизменной независимо от его упаковки: объективы, датчик изображения и средства обработки снимка. У камерофона все это должно умещаться в пространстве размером с мелкую монету.

Производители телефонов могут остановить свой выбор на одной из двух основных технологий: ПЗС (приборы с зарядовой связью) и КМОП (комплементарные металлооксидные полупроводники).

Датчики изображений на основе ПЗС являются более зрелой и отработанной технологией. Сигнал от каждого пиксела датчика передается на единый аналоговый выход, после чего обрабатывается отдельной схемой. Такой способ подходит для захвата, а не для обработки изображений. В целом качество снимка здесь оказывается выше, однако расходуется больше электроэнергии. Из-за этого технология ПЗС практически не применяется в телефонах. Одним из немногих исключений была модель Sharp Aquos Shot 933SH.

При использовании популярной технологии КМОП, относительно недавно адаптированной к обработке изображений, датчик каждого пиксела самостоятельно преобразует свет в сигнал. Затем результирующая цифровая информация передается на другую схему обработки сигналов, размещающуюся там же. Технология КМОП предлагает более богатую функциональность на одной микросхеме, ее проще интегрировать в другие системы (например, в телефоны), а также она приводит к снижению потребления электроэнергии.

Основной недостаток КМОП — проблема последовательного экспонирования (rolling shutter). Поскольку датчик регистрирует изображение не целиком, а построчно, движущиеся с высокой скоростью объекты (например, вертолетный винт) будут выглядеть неестественно. Особенно ярко ограничения подобного рода проявляются при съемке видео, но могут отражаться и на неподвижных объектах. Программное обеспечение в той или иной степени устраняет такие эффекты, хотя и не полностью.

Технология КМОП непрерывно улучшается, развиваясь в направлении, повышающем эффективность ее применения в телефонах. «Обратная подсветка», например, улучшает чувствительность КМОП к свету благодаря размещению проводников за датчиком, а не перед ним. Данная технология используется в камере iPhone 4 и датчиках, выпускаемых компаниями Toshiba и Sony.

Объективы: одних только мегапикселов недостаточно

Любой, кто следил за эволюцией обычных цифровых фотоаппаратов, несомненно, заметил, как много внимания уделялось количеству поддерживаемых ими мегапикселов. И это неудивительно, ведь чем больше мегапикселов, тем выше разрешение изображения. Однако качество снимка зависит не только от сенсора, но и от объектива, играющего в фотографии гораздо более фундаментальную роль.

Образец объектива на базе кремниевой пластины. Весь комплект, в который входят объектив и датчик изображения, умещается на площади всего в несколько миллиметров

Возможности объективов камерофонов ограничены размерами телефона, поэтому производители устройств идут двумя путями: создают улучшенные датчики изображений (о них уже упоминалось выше) и совершенствуют технологии объективов.

Большинство из нас хорошо знакомы с объективами из матового стекла. Сначала из стекла изготавливается основная структура, а затем она подвергается машинной обработке для придания ей конкретной формы. Такие объективы по-прежнему дают наилучшее качество изображений, но они дорого стоят, а организация их производства требует серьезных усилий. Еще один метод, при котором полимер заливается в металлическую форму, позволяет осуществлять быстрый производственный процесс, но обеспечивает не слишком высокое качество. Объективы с постоянным фокусным расстоянием для недорогих камерофонов обычно делают именно из полимеров.

Третий метод предусматривает использование той же производственной технологии, что и при изготовлении микропроцессоров: она основана на применении кремниевых пластин. Результаты оказываются не так хороши, как при применении объективов из стекла, зато для размещения сенсора требуется значительно меньше места. Данная технология нашла для себя место в индийском телефоне OliveSmart V-S300 и в старой модели Nokia 2330.

Программное обеспечение камерофонов

Большинство камерофонов поставляются со специальным ПО, позволяющим улучшать, редактировать и рассылать полученные кадры. Данную нишу заполнили приложения независимых разработчиков. В последнее время широкую известность получило приложение Instagram (в том числе и благодаря тому, что данная технология была приобретена компанией Facebook). Оно предлагает пользователям iOS и Android ряд интересных фильтров и вариантов размещения фотографий.

Возможности любого фотоприложения ограничены двумя факторами: аппаратными функциями телефона и порядком взаимодействия приложений с оборудованием, который определяется операционной системой. Часть таких ограничений преодолевается путем получения прав суперпользователя или «джейлбрейка» телефона, но это не всегда реально и целесообразно.

Как бы то ни было, повысить качество изображения с помощью приложений не всегда удается, и потому большинство разработчиков стараются оснащать их средствами управления фотографиями, редактирования снимков и оптимизации фотосъемки, т.е., функциями, делающими процесс более удобным.

Камерофоны против автономных фотоаппаратов

Ранее уже были намеки на то, что камеры, встроенные в телефоны, обычно более удобны, но менее функциональны, чем их автономные собратья. Полноценные фотоаппараты, как правило, отличаются от телефонных рядом особенностей.

Вспышка. У камерофонов вспышка если и есть, то миниатюрная и, как правило, светодиодная, в то время как полноразмерные фотоаппараты оснащены мощной ксеноновой. Ничего удивительного в этом нет. Большую вспышку трудно встроить в телефон, поскольку она занимает много места и потребляет большое количество энергии батарей.

Пользователи iPhone могут подобрать себе одну из нескольких внешних вспышек. К док-коннектору подключается дополнительная вспышка iFlash iPhone. В чехле FastMac IV для iPhone находятся встроенная вспышка и несколько других аксессуаров. В продаже имеется также автономная светодиодная вспышка Phlash, работающая от своей собственной батареи.

Объектив. Как уже упоминалось ранее, возможности объективов камер телефонов в течение долгого времени были весьма ограниченными. За несколькими исключениями, речь шла о маленьких и дешевых объективах с небольшим фокусным расстоянием, у которых нет оптического зума. С появлением нового поколения телефонов ситуация постепенно стала изменяться. Так, в 2010 г. модель Nokia N8 уже имела стеклянный объектив Calr Zeiss f/2.8. Однако оставался целый ряд других труднопреодолимых ограничений.

Размеры объективов существенно отстают от разрешающей способности сенсоров. Например, модель Motorola Cliq XT имеет камеру с разрешением 5 Мпикс и очень маленький объектив. Представленный на снимке элемент включает в себя встроенный объектив (справа) и вспышку

Зеркальные и даже отдельные компактные камеры оснащаются крупными объективами, пропускающими много света (и, следовательно, деталей изображения), падающего прямо на сенсор. Зеркальные фотоаппараты оборудованы сменными (хотя и дорогими) объективами. Большинство пользователей камерофонов вынуждены довольствоваться тем объективом, которым было оснащено устройство.

Объектив компактной камеры Canon PowerShot SD880 IS, пропускающий еще больше света, хорошо подходит для сенсора с разрешением 10 Мпикс

У владельцев iPhone есть определенные альтернативы. Продаются, к примеру, дополнительные приспособления, позволяющие подключать к телефону стандартные съемные объективы зеркальных фотоаппаратов. Однако это не слишком удобно, да и телефон становится чересчур громоздким. А если установить на телефон специальное программное обеспечение, можно получать панорамные снимки.

Модель LG Optimus T оснащена камерой с разрешением 3,2 Мпикс. Благодаря довольно большому объективу, она позволяет делать хорошие снимки и в условиях недостаточной освещенности

Батарея. Разработчики автономных фотоаппаратов могут размещать внутри устройства большие и емкие батареи, рассчитанные на продолжительную работу. Сама по себе фотосъемка не отнимает у камерофона много энергии, но при использовании вспышки ситуация изменяется. Энергия аккумулятора быстро тает и при видеосъемке, хотя реальное энергопотребление у разных моделей порой различается довольно существенно. Продолжительность съемки зависит не только от емкости аккумулятора, но и от использования аппаратного сжатия видео.

У автономного фотоаппарата заменить батарею можно буквально за несколько секунд. После этого камера очень быстро возвращается в рабочий режим, чего не скажешь о телефоне, процесс загрузки которого занимает определенное время.

Переход от спящего режима к съемке. Автономные фотоаппараты переходят из спящего режима в режим готовности за 2 с, поскольку организация съемки — единственное их предназначение. У камерофонов на подготовку уходит больше времени, но главная причина задержки — необходимость продираться через систему меню для запуска приложения камеры. Отдельные современные телефоны, на которых установлены операционные системы iOS 5 и Android, предоставляют доступ к камере непосредственно с экрана блокировки. А телефоны, имеющие специальную кнопку камеры, переводятся в режим готовности практически так же быстро, как и автономные фотоаппараты.

Подключаемое оборудование. У камерофонов нет интерфейса для установки на штатив или подключения внешней вспышки через «горячий башмак», которым оснащены практически все автономные фотоаппараты. Впрочем, независимые производители предлагают специальные приспособления, позволяющие без особого труда закрепить телефон на штативе (например, MobiMount).

Форматы изображений. Камерофоны обычно сохраняют файлы только в формате JPG, причем производитель задает фиксированную степень сжатия и алгоритм обработки снимка. Многие автономные фотоаппараты (особенно зеркальные) могут сохранять изображения в несжатом формате RAW, представляющем собой копию сигнала, зарегистрированного сенсором. Серьезные фотографы предпочитают использовать именно этот формат.

Подключение к Сети и географическая привязка снимков. Существенным преимуществом камерофонов является возможность их подключения к Сети. Все фотографии допустимо автоматически записывать на любой сервис по своему выбору. Географическая привязка осуществляется благодаря встроенному в телефон GPS-приемнику. Недостатки автономных фотоаппаратов легко исправить с помощью карты памяти SD Eye-Fi. Вставьте ее в фотоаппарат, и сделанные снимки автоматически будут загружаться по сети Wi-Fi на ваш компьютер или в интерактивный сервис.

Видео. Мобильные телефоны уже давно научились снимать видео. Однако раньше оно выглядело довольно примитивно. Вместе с тем, на рынке уже появились телефоны, умеющие снимать видео высокой четкости с разрешением 1080p, например модель Apple iPhone 4S. Правда, качество изображения по-прежнему ограничено слабой оптикой и механизмами сжатия видео.

Разделение функций. Некоторые предпочитают приобретать телефон и фотоаппарат отдельно друг от друга. Если одно из устройств потеряется или сломается, его можно заменить независимо от другого. Точно так же независимо проводится и модернизация.

Будущее камерофонов

Несомненно, число мегапикселов у сенсоров камерофонов будет расти. Следует ждать и других изменений, которые будут иметь не меньшее (если не большее) значение, чем размеры светочувствительной матрицы.

Устройство Polaroid SC1630 — это, скорее, фотоаппарат с интерфейсом Android, чем телефон Android со встроенной камерой

Форма и функциональность. Телефоны наподобие Polaroid SC1630, имеющие новый типоразмер, занимают особую функциональную нишу. Модель SC1630 не подключается к сотовым сетям и не является телефоном в традиционном понимании, но ее сенсор с разрешением 16 Мпикс и трехкратный оптический зум, наряду с интерфейсом Wi-Fi и сенсорным экраном, позволяют эффективно использовать приложения Android.

Поставки устройства SC1630 должны начаться в 2012 г. Другие модели того же класса смогут заменить не только компактные камеры, но и небольшие планшетные компьютеры.

На подходе и новые оптические технологии, которые помогут снять некоторые ограничения, обусловленные малым типоразмером. У жидких объективов подводимое напряжение изменяет форму (а, следовательно, и фокусное расстояние) электрочувствительной жидкости, находящейся внутри специальной капсулы. По словам представителей компании Optilux, жидкие объективы потребляют меньше энергии и наводятся быстрее традиционных. В текущем году Optilux планирует представить новую технологию для сотовых телефонов.

В технологии жидких объективов вместо твердых оптических материалов используются электрочувствительные жидкости

Исчезают и технические ограничения, отделяющие любительские устройства от продуктов профессионального уровня — например, видео с разрешением 1080p или формат RAW поддерживаются уже не только зеркальными фотоаппаратами. Осталось посмотреть, будут ли эти функции востребованы пользователями камерофонов старшего класса или же они по-прежнему останутся прерогативой автономных устройств.

Перспективы камерофонов во многом похожи на планы дальнейшего развития фотоаппаратов, которые мы привыкли покупать отдельно. Следовательно, у пользователей начнут исчезать стимулы к покупке автономных камер. Конечно, от зеркальных фотоаппаратов люди откажутся еще не скоро, а вот вероятность того, что функции компактных камер возьмут на себя телефоны, достаточно велика. Собственно, это уже и происходит.

Полезные фотоприложения

Приложения, предлагаемые независимыми разработчиками, не добавят волшебным образом лишних мегапикселов сенсору телефона, но они вполне способны сделать процесс съемки и дальнейшей обработки изображений гораздо более удобным.

Action Snap (распространяется бесплатно, версия Pro — 3,99 долл.) — приложение Android, позволяющее отснять серию кадров и объединить их в коллаж.

Camera+ (0,99 долл.) — программа для iPhone, предоставляющая множество функций, улучшающих процесс фотосъемки, предлагая сетку для правильного формирования композиции, средства контроля экспозиции и автоматическое расширение изображения.

Instagram (бесплатно) — культовое приложение для iPhone и Android, завоевавшее репутацию самого быстрого способа получения, упорядочения и размещения фотографий. Сделанные таким образом снимки имеют старомодный вид фотографии Polaroid со скругленными углами — отличная возможность превратить кадры, сгенерированные с помощью цифровой камеры, в аналоговые фотографии в стиле ретро.

Nightcap (0,99 долл.) — программа, предназначенная для съемки на iPhone с большой выдержкой. Она позволяет получать хорошие результаты в ночное время и даже в условиях почти полной темноты. Нужно только, чтобы камера была закреплена.

Photaf Panorama (бесплатно, версия Pro — 3,99 долл.) — приложение, помогающее снимать на телефон с Android серии кадров и склеивать их, создавая панорамные фотографии. Учтите, что на формирование полной круговой панорамы уйдет несколько минут, поэтому лучше проделывать эту операцию на мощном телефоне.

Snapseed (4,99 долл.) — приложение iOS, претендующее, по словам его разработчиков, на роль могильщика Instagram. На самом же деле Snapseed служит, скорее, дополнением к Instagram. Эта программа поддерживает многие функции Instagram (например, создание фотографий в стиле ретро), но предлагает и много нового — расширение области кадра, фильтр размытия отдельных областей, подключение к различным сервисам размещения фотографий. Разработчиками обещана и версия для Android.