Чем оптический зум камеры телефона отличается от цифрового и какой лучше
На нашем сайте немало материалов посвящено камере телефона, а все потому, что для многих покупателей ее качество является главной характеристикой устройства. Когда мы фотографируем или снимаем видео на Андроид, то часто прибегаем к помощи зума (увеличения), чтобы приблизить объект съемки. На каждом смартфоне он разный. Мало того, что варьируется кратность приближения, так еще существуют разные виды зума: цифровой, оптический и гибридный. Давайте разберемся, чем они отличаются и как это все работает.
Сегодня невозможно представить камеру без зума
Содержание
- 1 Как работает цифровой зум камеры
- 2 Чем лучше камера с оптическим зумом
- 3 Что такое гибридный зум
- 4 Максимальный зум камеры
- 5 Смартфоны с оптическим зумом
Как работает цифровой зум камеры
Цифровое увеличение — самый простой вид зума, который встречается на всех смартфонах без исключения.
Суть его работы заключается в том, что устройство берет изображение с основной камеры и кропает его, то есть фактически вырезает определенный фрагмент.
Многие считают подобное приближение ложным, поскольку на каждом шаге ухудшается качество изображения
Цифровой зум может достигать 12-кратного увеличения. Чаще всего встречается 10-кратное приближение, но оно бывает и меньше в зависимости от разрешения камеры и режима съемки (фото или видео). Каждый шаг зума ухудшает качество картинки. Снимок с 10-кратным цифровым увеличением, сделанный на камеру 12 Мп, будет не лучше фотографии в разрешении 1 Мп.
⚡ Подпишись на AndroidInsider в Дзене, чтобы получать новости из мира Андроид первым
Чем лучше камера с оптическим зумом
Цифровой и оптический зум отличаются между собой подходом к увеличению картинки. Если в первом случае происходит банальное кадрирование, то во втором меняется фокусное расстояние камеры, о котором мы говорили в тексте об искажении лиц на фото.
Теоретически это позволяет нивелировать разницу качества снимков, сделанных с увеличением и без.
Оптический зум позволяет приблизить объект без потери качества
В отличие от профессиональной техники, ввиду особенностей конструкции камера смартфона не может похвастать динамическим изменением фокусного расстояния. В противном случае ее объектив выпирал бы так сильно, что гаджет просто бы не поместился в вашем кармане. Поэтому производители смартфонов идут другим путем, устанавливая телеобъектив камеры.
Читайте также: Как правильно выбрать смартфон с хорошей камерой
Это дополнительный сенсор с увеличенным фокусным расстоянием. Если на основной камере оно составляет 24 мм, то для двукратного оптического зума на телевике расстояние от сенсора до линзы должно быть эквивалентно 48 мм. Допустим, ваш смартфон обладает именно таким набором объективов. Тогда во время увеличения будет происходить следующее:
- при зумировании в диапазоне 1-1.
9x смартфон кропает изображение с основной камеры; - после достижения отметки 2x девайс автоматически переключается на телевик, то есть на дополнительный сенсор с объективом.
9x смартфон кропает изображение с основной камеры;Из-за упомянутых ранее особенностей конструкции смартфона телевик не может иметь слишком большое фокусное расстояние, а потому демонстрирует в лучшем случае 3.5-кратное увеличение. Из этой ситуации производителям тоже удалось найти выход: они придумали перископическую камеру, которая располагается перпендикулярно корпусу. В таком случае удается достичь 10-кратного приближения, как на смартфоне Galaxy S23 Ultra, чья дополнительная камера имеет фокусное расстояние 230 мм.
Так в корпусе смартфона размещается камера-перископ
Но не стоит думать, что фото без приближения и снимок, сделанный на флагман Samsung с зумом 10x, не отличаются по качеству. Картинка с телевика (перископа) будет менее четкой, так как камера с оптическим увеличением всегда хуже основной.
И опять во всем виноваты конструктивные особенности смартфона. Ведь фокусное расстояние, указанное в характеристиках, является эквивалентным; чем больше физический размер сенсора, тем длиннее при прочих равных отрезок от матрицы до линзы. Поэтому в качестве телевика и перископа устанавливается маленькая камера со скромной светосилой. Впрочем, это все равно лучше цифрового зума.
❗ Поделись своим мнением или задай вопрос в нашем телеграм-чате
Что такое гибридный зум
Помимо цифрового и оптического зума существует гибридный зум. Такой вид приближения реализован во многих смартфонах, включая Galaxy S20. Разберем принцип его работы на примере этого девайса. Итак, смартфон имеет следующий набор камер:
- 12 Мп (26 мм) — основная;
- 64 Мп (28 мм) — телевик.
Не путайте оптический и гибридный зум
Фактически у Galaxy S20 просто смешной 1,1-кратный оптический зум. Но за счет того, что телефото-камера имеет в 3 раза более высокое разрешение, почти без потери качества реализуется 3-кратное приближение, так как смартфон берет 64-мегапиксельный снимок с телевика и вырезает из него те самые 12 Мп.
Результат намного лучше, чем у цифрового зума, но все равно уступает честному оптическому увеличению 3x.
🔥 Загляни в телеграм-канал Сундук Али-Бабы, где мы собрали лучшие товары с АлиЭкспресс
Максимальный зум камеры
Итоговое приближение зависит от набора камер смартфона. На сегодняшний день идеальный сетап выглядит следующим образом:
- основная камера;
- портретный объектив (2-3x оптический зум) или перископический модуль (5-10x оптический/гибридный зум).
В таком случае удается достичь 100-кратного увеличения, а порой даже приближения с коэффициентом 120x. Посмотрим, как это работает на примере смартфона Xiaomi Mi 11 Ultra:
- при увеличении 1-4.9x используется классический цифровой зум;
- достигая отметки 5x, смартфон переключается на телевик с 5-кратным оптическим приближением;
- на промежутке 5.1-10x работает гибридный зум;
- далее включается цифровой зум с телевика, который увеличивает гибридную картинку еще в 12 раз, достигая в итоге 120-кратного приближения.
Монструозная камера Xiaomi Mi 11 Ultra до сих пор остается в топе
Купить Xiaomi Mi 11 Ultra
Можно только представить, какой ужасной в итоге будет картинка с максимальным зумом. Но на помощь приходит улучшение фото через нейросеть, которое происходит в режиме реального времени, и снимок получается не таким уж плохим.
Смартфоны с оптическим зумом
Оптический зум камеры — дорогая штука. Как правило, такой тип увеличения, позволяющий минимизировать потерю качества и обеспечить максимальное приближение, доступен только флагманам. Вот несколько смартфонов с оптическим зумом, на которые стоит обратить внимание:
- Samsung Galaxy S23. Смартфон с 3-кратным оптическим и 30-кратным цифровым зумом. Цена — от 56 000 ₽.
- Xiaomi 13 Pro. Девайс с камерами Leica, предлагающий 3.2-кратный оптический и 70-кратный цифровой зум. Продается по цене от 80 000 ₽.
- HUAWEI Mate 50 Pro. Неплохой камерофон с 3. 7-кратным оптическим, 10-кратным гибридным и 100-кратным цифровым приближением. Цена стартует с отметки 65 000 ₽.
- Xiaomi 12S Ultra. Рекордсмен со 120-кратным зумом, но честное оптическое приближение только 5x. Купить Xiaomi 12S Ultra можно за 72 000 ₽.
- Samsung Galaxy S23 Ultra. Смартфон с самым качественным зумом, предлагающий 10-кратное оптическое и 100-кратное цифровое увеличение. Стоимость составляет от 78 000 ₽ и выше.
7-кратным оптическим, 10-кратным гибридным и 100-кратным цифровым приближением. Цена стартует с отметки 65 000 ₽.Хочется верить, что в скором времени телевик станет доступен и смартфонам среднего класса. Перспективы для этого есть, ведь ранее стереодинамики, оптическая стабилизация камеры и AMOLED-экраны тоже были прерогативой флагманов.
Различие оптического и цифрового увеличения в документ-камерах
На первый взгляд на эту тему написано уже достаточно много (см. например здесь) и все подробно изложено. Однако, документ-камеры продолжают активно развиваться, на рынок приходят новые, более совершенные модели, в том числе быстро растет разрешение используемых в камерах регистрирующих CMOS матриц.
Если еще совсем недавно нормой было разрешение в 5 мегапикселей (5М), то сейчас менее 8М даже не рассматривается, и при этом все больше устройств основаны на матрицах уже в 13М. А в недалеком будущем можно ожидать переход на 20-30 мегапиксельные камеры. Использование подобных высокоразрешающих сенсоров открывает возможность реализации так называемого smart zoom – «умного» цифрового увеличения, эквивалентного оптическому. Однако надо понимать, что для этого камера должна иметь на борту и соответствующий цифровой процессор (DSP), позволяющий аккуратно выполнять необходимые математические вычисления в реальном времени (в качестве удачного примера можно привести документ-камеру 
Все это вынуждает нас еще раз вернуться к разъяснению такой важной характеристики как увеличение документ-камеры. Начнем с повторения азов.
(1) Основное назначение документ-камеры – показ изображений различных предметов или их отдельных участков в увеличенном виде на большом экране, чтобы было видно всем присутствующим в аудитории (учебном классе). Увеличение изображения по-английски пишется как zoom, так что в наш современный язык прочно вошел термин зум, и теперь мы свободно рассуждаем про оптический зум и фотоаппараты и видеокамеры с зум-объективами.
(2) Любое устройство отображения, будь то компьютерный монитор или видеопроектор, проецирующий формируемое изображение на настенный экран, обладает ограниченным разрешением, определяющим эффективную детализацию показываемого изображения. Вчера характерными были значения 1024х768, сегодня 1920х1080 (Full HD, FHD), завтра это будет уже 3840х2160 (4К UHD). Понятно, что увеличение отображаемого изображения означает, что на экране с тем же разрешением будет показываться меньший участок наблюдаемого предмета, но соответственно с большей детализацией.
На обыденном уровне это эквивалентно простому приближению к объекту наблюдения.
Важно понимать, что увеличение изображения равнозначно увеличению числа регистрирующих пикселей, приходящихся на заданный участок наблюдаемого объекта. Принципиальное значение имеет именно число пикселей регистрирующей матрицы, именно оно отвечает за детализацию изображения, за его информационную насыщенность. Хотя с точки зрения удобства визуального восприятия отображаемого изображения важны и размер экрана и допустимое значение разрешения используемого устройства отображения. Но эти параметры на исходную детализацию изображения не влияют.
(3) С точки зрения физики формирования изображений документ-камера аналогична фотоаппарату или видеокамере. С определенной натяжкой ее даже можно назвать фото-/видеокамерой на штативе. Соответственно важнейшим элементом этого инструмента является объектив, состоящий из одной или нескольких линз. Если однолинзовый объектив обладает фиксированным фокусным расстоянием, то у более сложного объектива фокусное расстояние может меняться путем смещения составляющих его линз друг относительно друга.
Таким образом, оптическое увеличение означает изменение размера наблюдаемого участка до регистрации его изображения (до съемки).
(4) Доступный диапазон изменения фокусного расстояния объектива, как правило, определяет потенциальную величину оптического увеличения (зума). Так, если в спецификации камеры написано f=33-330мм, то это подразумевает 10Х оптический зум (см., например, модель 
И в поисках компромисса между двумя этими важными характеристиками производители документ-камер нередко сознательно ограничивают («зажимают») доступное оптическое увеличение. Так, например, у документ-камеры DOKO DC817M f=35-205mm, что эквивалентно 23-кратному зуму. Но при этом в спецификации оптическое увеличение определено всего как 17Х. И все ради того, чтобы обеспечить возможность фокусировки с 2 см, в противном случае пришлось бы минимальное расстояние до предмета увеличить до 20см.
Попутно отметим, что реализация оптического увеличения требует сложных и дорогих объективов (тем сложнее и дороже, чем больше обеспечиваемое результирующее увеличение), которыми оснащаются только старшие модели документ-камер. А для более привлекательных по цене бюджетных моделей характерно использование именно простых и легких объективов с фиксированным фокусным расстоянием. В качестве примера можно привести модели DOKO DS08MU и DOKO DS08FU. Надо признать, что подобные объективы, как правило, «страдают» и более заметными искажениями по краям поля зрения и более ограниченными возможностями по фокусировке на малых расстояниях.
(5) Как уже отмечалось, универсальный способ увеличения – простое приближение объектива камеры к наблюдаемому предмету. Несмотря на тривиальность такого подхода, в терминологии компании Epson он даже получил особое название «механического увеличения». И иногда его на полном серьезе приводят в характеристиках камеры.
У современных моделей документ-камер диапазон подобного механического увеличения, определяемый как отношение максимального (высота штатива) и минимального (на котором надежно выполняется фокусировка) расстояний, составляет 3-10 крат. Так, например, для DOKO DS08MU и DOKO DS08FU это 3.3 и 4.3 соответственно, для модели
(6) Наравне с оптическим в документ-камерах активно используется и цифровое увеличение. Все, кто хоть раз выполнял программное увеличение компьютерных картинок, уже сталкивался с подобной операцией и понимает ее суть. Здесь на CMOS матрице выделяется («вырезается») нужная часть зафиксированного (уже зарегистрированного) цифрового изображения, которая путем математической интерполяции просто увеличивается до требуемого размера на экране.
Несмотря на формальное увеличение размера исходное число независимых пикселей увеличиваемого участка изображения остается прежним. Так что в реальности при обычном цифровом увеличении детализация не изменяется, просто отображаемые элементы «растягиваются», а результирующая картинка размывается (изображение «замыливается»). Впрочем, в определенных случаях это облегчает пользователю визуальное восприятие картинки.
Важно отметить главный признак цифрового увеличения – оно выполняется не до, а уже после регистрации изображения (т.е. после его съемки и сохранения).
(7) Однако, при избыточности разрешения регистрирующей матрицы в определенных пределах удается обеспечивать цифровое увеличение без потери качества, и по факту оно оказывается эквивалентно оптическому увеличению. Подобная технология известна довольно давно и используется в старших моделях документ-камер различных производителей (под именами SmartZoom, Extension Zoom, AverZoom и т.д.). Остановимся на этой технологии подробнее.
Как уже отмечалось, увеличение изображения соответствует увеличению числа регистрирующих пикселей, приходящихся на заданный участок наблюдаемого объекта. А если число этих пикселей изначально в разы превышает разрешение устройства отображения?
Рассмотрим поясняющий пример. Сегодня типичное разрешение выходного видеосигнала документ-камеры составляет 1920х1080, т.е. ограничено 2 миллионами (2М) независимыми элементами отображения. А типичное разрешение регистрирующей матрицы составляет 8М пикселей, и на каждый элемент отображения приходится по 4 пиксела матрицы. Соответственно детализация при регистрации изображения по каждой из осей в 2 раза превышает возможности визуализации. И соответственно каждые 3 из 4 пикселов зарегистрированного изображения напрасно «пропадают». Но подобную избыточность вполне можно использовать для эффективного увеличения отображаемого участка изображения, просто задействуя «скрытые» (неотображаемые) пиксели. Так очень легко можно обеспечить увеличение в 2 раза – просто выделить четвертую часть изображения и отобразить в нем имеющиеся пикселы.
(8) Эффективное оптическое увеличение определяется как результат перемножения значения, обеспечиваемого зум-объективом камеры, и smart увеличения, достигаемого за счет использования избыточности регистрирующей матрицы. Подобное комбинированное увеличение иногда называют расширенным (extended) оптическим увеличением.
(9) Рассмотрим более подробно модель DOKO DS13MU.
Она использует объектив с фиксированным фокусным расстоянием, так что оптическое увеличение отсутствует. Но зато реализован SmartZoom. И что интересно – хотя имеющийся «запас» избыточности регистрирующих пикселей (13М против требуемых для отображения 2М) потенциально позволяет достигать подобного увеличения в 2.5Х, в спецификации он ограничен значением всего в 2Х.
DOKO DS13MU — сверхкомпактная документ-камера с функцией «умного» цифрового увеличения SmartZoom.
Почему такая скромность? А дело в том, что необходимо также учитывать и аспектное отношение экранного (отображаемого) изображения. Значение этого отношения для выходного HDMI сигнала (1920х1080) равно 16:9, в то время как используемая в DOKO DS13MU регистрирующая матрица (Sony IMX214) имеет 4208х3120 активных пикселей и характеризуется аспектным отношением 4:3. Соответственно по большей из сторон максимальное увеличение ограничено значением 2.19 (как 4208:1920). Из дополнительных соображений точности реализации соответствующего алгоритма увеличения (математического расчета промежуточных значений) было принято решение установить значение Smart увеличения как 2Х.