Тэхналогія вытворчасці камер з аптычным зумам на смартфонах
У апошнія гады камеры смартфонаў хутка развіваліся. Калісьці тэлефоны абапіраліся на адзін просты аб'ектыў, цяпер многія з іх маюць некалькі камер, вялікія датчыкі, пашыраную апрацоўку малюнкаў і функцыі, якія раней былі даступныя толькі ў прафесійных камерах. Адной з самых захапляльных інавацый з'яўляецца аптычны зум — магчымасць павялічваць выяву без істотнай страты дэталізацыі, як гэта бывае з лічбавым зумам. Але рэалізацыя аптычнага зуму на такой тонкай прыладзе, як смартфон, — справа нялёгкая. У гэтым артыкуле разглядаюцца тэхналогіі, якія ляжаць у аснове камер з аптычным зумам у смартфонах, ад аптычных прынцыпаў і канструкцыі аб'ектываў да механізмаў перыскопа і стабілізацыі, а таксама вытворчых праблем.
1. Разуменне аптычнага і лічбавага зуму
Аптычны зум азначае, што павелічэнне дасягаецца шляхам змены фокуснай адлегласці з дапамогай элементаў аб'ектыва. Паколькі святло фізічна "павялічваецца" перад тым, як дасягнуць матрыцы, якасць выявы застаецца высокай: дэталі лепш захоўваюцца, шум лепш кантралюецца, а рэзкасць больш стабільная.
У адрозненне ад гэтага, лічбавы зум па сутнасці абразае і павялічвае вобласць выявы з датчыка, а затым паляпшае яе з дапамогай алгарытму. Вынік часта выглядае размытым або пікселізаваным, асабліва пры вялікім павелічэнні, бо дадатковая аптычная інфармацыя не ўключана.
Таму вытворцы смартфонаў імкнуцца прадставіць тэлеаб'ектывы (2x–3x) і нават перыскапічныя сістэмы (5x–10x), каб карыстальнікі маглі рабіць фотаздымкі з адлегласці без страты якасці.
2. Асноўны ключ: абмежаванні фокуснай адлегласці і таўшчыні смартфона
У традыцыйных камерах аптычны зум патрабуе фізічнай прасторы для перамяшчэння аб'ектыва наперад і назад. Дзеркальныя фотаапараты або беззеркальныя камеры маюць больш тоўстыя корпусы, што дазваляе больш гнутка змяняць адлегласць паміж элементамі аб'ектыва.
Смартфоны сутыкаюцца з сур'ёзнай праблемай: прастора надзвычай абмежаваная (звычайна таўшчыня каля 7-9 мм). Для дасягнення высокага аптычнага павелічэння патрабуецца большая фокусная адлегласць, але гэтая фокусная адлегласць таксама патрабуе большай прасторы. Вось тут і ўступае ў гульню сучасная аптычная тэхніка.
3. Падыходы да павелічэння са смартфонамі: фіксаваны тэлеаб'ектыў супраць зменнага павелічэння
Увогуле, існуе два спосабы забеспячэння аптычнага павелічэння:
1. Фіксаваны тэлеаб'ектыў (фіксаванае павелічэнне)
У многіх смартфонах выкарыстоўваюцца тэлеаб'ектывы з фіксаваным павелічэннем, напрыклад, 2x або 3x. Гэта прасцей рэалізаваць, бо модулю не трэба рухацца па ўсім дыяпазоне павелічэння; яму проста трэба факусавацца.
2. Зменны аптычны зум (сапраўдны зум)
Больш складаны, бо для змены фокуснай адлегласці патрабуецца рухомы элемент лінзы. Некаторыя прэміяльныя смартфоны пачынаюць рэалізоўваць гэта (напрыклад, дыяпазон 3,5x–7x), але колькасць усё яшчэ абмежаваная з-за механічных праблем, кошту і даўгавечнасці.
4. Тэхналогія перыскопа: скручванне светлавых шляхоў для размяшчэння на смартфоне
Найбольш вядомай інавацыяй для высокага аптычнага зуму ў смартфонах з'яўляецца перыскопная камера. Прынцып:
– Святло паступае праз заднюю лінзу смартфона.
– Затым яно адлюстроўваецца на 90 градусаў прызмай або люстэркам (звычайна прызмай).
– Пасля гэтага святло праходзіць паралельна корпусу смартфона (гарызантальна), а не праз таўшчыню тэлефона.
«Складаючы» светлавы шлях, вытворцы могуць дадаць больш доўгі масіў тэлеаб'ектываў, не робячы тэлефон таўсцейшым. Вось чаму перыскопы могуць дасягнуць аптычнага павелічэння ад 5 да 10 разоў.
Важныя кампаненты перыскопа:
– Высокаякасная прызма/люстэрка: павінна быць дакладнай, каб не зніжаць рэзкасць і кантраснасць.
– Зборка тэлеаб'ектыва: звычайна складаецца з некалькіх пластыкавых і/або шкляных элементаў.
– Датчык: часта выкарыстоўваецца датчык нестандартнага памеру, бо прастора модуля абмежаваная.
– Сістэма факусоўкі і стабілізацыі: вельмі важная, бо пры вялікім павелічэнні нават невялікія дрыжанні выглядаюць вялікімі.
5. Канструкцыя лінзаў: матэрыялы і размяшчэнне аптычных элементаў
Стварэнне аптычнага зум-аб'ектыва ў смартфоне азначае распрацоўку аптычнай схемы, якая:
– рэзкія ў цэнтры і па краях,
– мінімальныя скажэнні,
– мінімальная храматычная аберацыя (каляровая аблямоўка),
– застаецца яркім (дыяфрагма дастаткова вялікая),
– і застаецца тонкім і ўдаратрывалым.
Матэрыял лінзы
Большасць аб'ектываў для смартфонаў выкарыстоўваюць аптычны палімерны пластык, таму што ён лёгкі, недарагі і яго лёгка фармаваць з высокай дакладнасцю. Аднак для прэміяльных тэлеаб'ектываў/перыскопаў некаторыя вытворцы выкарыстоўваюць шкляныя элементы або спецыяльныя матэрыялы для паляпшэння святлопрапускання і памяншэння скажэнняў.
Размяшчэнне элементаў
Тэлеаб'ектывы звычайна складаюцца з некалькіх асферычных элементаў. Асферычныя элементы могуць паменшыць аберацыі з меншай колькасцю элементаў, што неабходна для эканоміі месца.
6. Аўтафакусоўка: VCM і сучасная тэхналогія факусоўкі
Аптычны зум карысны толькі ў тым выпадку, калі факусоўка хуткая і дакладная. Сістэмы факусоўкі ў смартфонах звычайна выкарыстоўваюць:
– VCM (гукавы рухавік): мініяцюрны электрамагнітны рухавік, які перамяшчае аб'ектыў для факусоўкі.
– Dual Pixel PDAF або quad pixel PDAF: тэхналогія датчыка, якая дапамагае вызначаць фазу для хуткай факусоўкі.
– Лазерны аўтафокус (на некаторых мадэлях): дапамагае хутка вымяраць адлегласці ў цёмных умовах або пры блізкіх аб'ектах.
На тэлеаб'ектывах аўтафокус павінен быць больш дакладным, таму што глыбіня рэзкасці можа быць меншай, і невялікія вібрацыі больш прыкметныя.
7. OIS пры аптычным зуме: стабілізацыя больш складаная
Пры вялікіх фокусных адлегласцях асноўнай праблемай з'яўляецца дрыжанне рук. Таму тэлеаб'ектывы/перыскопічныя модулі часта маюць OIS (аптычную стабілізацыю выявы).
Існуе два агульныя падыходы:
– Аптычная стабілізацыя выявы са зрушэннем аб'ектыва: элементы аб'ектыва перамяшчаюцца для кампенсацыі вібрацый.
– Аптычная стабілізацыя выявы са зрушэннем датчыка: датчык перамяшчаецца (часцей сустракаецца ў вялікіх камерах, цяпер пачынае з'яўляцца і ў некаторых смартфонах).
Для перыскопаў аптычная стабілізацыя выявы (OIS) з'яўляецца больш складанай задачай з-за абмежаванай прасторы і «складзенага» светлавога шляху. Механізм павінен быць надзвычай дакладным і ўдаратрывалым.
8. Вытворчы працэс: высокая дакладнасць у мініяцюрным маштабе
Вытворчасць модуля аптычнага павелічэння для смартфона ўключае ў сябе шэраг важных працэсаў:
1. Друк/вытворчасць элементаў лінзы
Пластыкавыя элементы адліваюцца з дапамогай дакладнага ліцця пад ціскам. Для шкла працэс больш складаны і ўключае шліфоўку і паліроўку.
2. Антыблікавае пакрыццё
Тонкае пакрыццё наносіцца для памяншэння ўнутраных адлюстраванняў і павелічэння кантраснасці, што асабліва важна ў перыскопных сістэмах, дзе адлюстраванняў можа быць больш.
3. Зборка модуля (выраўноўванне)
Гэта вельмі важны крок. Лінза, прызма і датчык павінны быць выраўнаваны з мікраметрычнымі допускамі. Нават найменшая памылка можа знізіць рэзкасць і выклікаць скажэнні.
4. Завадская каліброўка
Пасля зборкі модуль калібруецца па характарыстыках фокусу, аптычнай стабілізацыі выявы, дысторсіі, віньеткі і колеру. Гэтыя калібравальныя дадзеныя выкарыстоўваюцца праграмным забеспячэннем камеры для карэкцыі ў рэжыме рэальнага часу.
9. Асноўныя праблемы: святло, шум і якасць пры вялікім павелічэнні
Хоць аптычны зум і павялічвае дэталізацыю, ён таксама стварае праблемы:
– Меншая дыяфрагма тэлеаб'ектываў/перыскопаў: каб падысці, аб'ектывы часта маюць меншую дыяфрагму, чым асноўныя камеры. Гэта ўскладняе начную фатаграфію, бо прапускае менш святла.
– Меншы памер датчыка: тэлеаб'ектыўныя модулі часта выкарыстоўваюць меншыя датчыкі, чым асноўная камера.
– Дыфракцыя і аберацыя: у мініяцюрных канструкцыях кантроль аберацыі больш складаны.
– Пераключэнне камеры: калі карыстальнік змяняе маштаб «паміж» 1x і 3x, тэлефон можа выбраць асноўную або тэлеаб'ектыўную камеру, а затым выканаць гібрыдную апрацоўку.
Каб пераадолець гэтыя недахопы, вытворцы выкарыстоўваюць:
– шматкадравае накладанне (аб'яднанне некалькіх фотаздымкаў),
– звышвысокае разрозненне,
– Шумапрыглушэнне з дапамогай штучнага інтэлекту,
– HDR,
– і гібрыдны зум (камбінаваны аптычны + інтэлектуальны кадр).
10. Будучыня: сапраўдны бесперапынны зум і больш тонкія дызайны
У будучыні могуць развівацца наступныя тэндэнцыі:
– бесперапынны аптычны зум з больш шырокім дыяпазонам,
– больш яркі перыскопны модуль (большая апертура),
– Мацнейшая аптычная стабілізацыя выявы,
– большы тэлеаб'ектыўны сэнсар,
– а таксама больш эфектыўную канструкцыю лінзаў са складзенай оптыкай.
Больш за тое, усё больш вытворцаў будуць спалучаць аптычныя магчымасці з вылічальнай апрацоўкай: вынік павелічэння будзе залежаць не толькі ад аб'ектыва, але і ад інтэлекту праграмнага забеспячэння, якое «запаўняе» дэталі больш натуральным чынам.
Выснова
Тэхналогія аптычнага зуму ў смартфонах — гэта спалучэнне аптычнай інжынерыі, дакладнай механікі і вылічальнай фатаграфіі. Каб забяспечыць высокае аптычнае павелічэнне ў тонкім корпусе, вытворцы выкарыстоўваюць фіксаваныя тэлеаб'ектывы, перыскопныя механізмы (складаную оптыку), мініяцюрныя асферычныя лінзы, хуткі аўтафокус і дакладную аптычную стабілізацыю выявы (OIS). Нягледзячы на праблемы з асвятленнем і прасторай, інавацыі працягваюць развівацца, набліжаючы магчымасці камер смартфонаў да спецыялізаваных камер — з зручнасцю заўсёды мець іх у кішэні.
Калі хочаце, магу дадаць спецыяльныя раздзелы, такія як: параўнанне перыскопа і звычайнага тэлеаб'ектыва, прыклады архітэктуры модуляў 5x/10x або больш тэхнічныя тлумачэнні формул фокуснай адлегласці і дыяфрагмы для міні-сістэм.
