Что такое Nоnacell в камере смартфона: плюсы и минусы технологии

Что такое Nоnacell в камере смартфона: плюсы и минусы технологии

Компания Samsung в начале 2020 года представила новую мобильную камеру на 108 мегапикселей, получившую индекс S5KHM1. Помимо впечатляющего разрешения и внушительных по мобильным меркам размеров 1/1,33", она получила особенность в виде структуры пикселей Nonacell.

Nonacell (не следует путать с Nanocell) – структура расположения светофильтров на матрице, при которой фильтр одного цвета (красного, зеленого или синего) покрывает квадрат из 9 пикселей формата 3 х 3. Именно этим и обусловлено название технологии, так как «nona» на латыни – «девять», а «cell» по-английски – «ячейка». Термин создан по аналогии с введенным ранее «Tetracell», где «tetra» – «четыре» по-гречески.

Как выглядит структура Nonacell на матрице камеры

Сами пиксели не умеют определять цвет, поэтому для создания цветного изображения нужно накрыть каждый из них светофильтром, пропускающим только красное, зеленое или синее излучение. В итоге пиксель записывает только один цвет. Чтобы добавить недостающие каналы (красный и синий – к зеленому, зеленый и синий – к красному и т. д.), контроллер камеры получает их значения от соседних ячеек.

В обычной байеровской матрице (названа в честь изобретателя Брюса Байера) разноцветные светофильтры расположены в шахматном порядке по принципу «один пиксель – один фильтр». Nonacell отличается от обычной структуры тем, что каждый светофильтр накрывает не один пиксель, а группу из 9 (квадрат 3 х 3).

Структуры Bayer, Tetracell и Nonacell
Структуры Bayer, Tetracell и Nonacell

Преимущества камеры с Nonacell

Объединив и увеличив светофильтры камеры смартфона, инженеры добились ряда преимуществ.

Улучшение светочувствительности

Светофильтр – это микролинза, фокусирующая пропущенный объективом свет на пиксель. Одна большая линза способна качественно сфокусировать немного больше света, чем 9 маленьких со сравнимой общей площадью. Поэтому объединение трех светофильтров в один снижает потери света.

Повышение технологичности

Наносить один светофильтр, имеющий размеры 2,4 х 2,4 мкм, в массовом производстве проще, чем массив из 9 фильтров по 0,8 х 0,8 мкм. За счет укрупнения повышается производительность оборудования, снижается выход брака, что оборачивается для конечного пользователя меньшей ценой. Без Tetracell и Nonacell рынок вряд ли дождался бы много бюджетных смартфонов с камерами на 48 и более мегапикселей вроде Redmi Note 9.

Повышение детализации

При хорошем освещении камера смартфона на 108 Мп с Nonacell создаст более детализированную картинку, чем 12-мегапиксельная матрица такого же размера с байеровским светофильтром. Площадь сенсора у них примерно идентичная, но за счет дробления на ячейки большой пиксель оказывается разделен на 9 маленьких. При этом для улучшения цветопередачи (например, ночью) снимок с матрицы на 108 Мп можно превратить в обычные 12 Мп.

Варианты съемки: в 108 и в 12 Мп
Варианты съемки: в 108 и в 12 Мп

Улучшенный HDR

В группе 3 х 3 пикселя, накрытой общим фильтром, можно заставить каждый пиксель снимать со своей выдержкой (длинная, средняя и короткая). После обработки получится снимок в 12 Мп, склеенный из трех кадров. Для пользователя это означает возможность снимать с широким динамическим диапазоном, без пересвеченных и темных участков, в одно нажатие.

Кадр с HDR и без
Кадр с HDR и без

3-кратный зум с фикс-объективом

Снимок в разрешении 108 Мп всегда можно обрезать, взяв фрагмент в центре или с краю. На выходе будет картинка с честным разрешением 12 Мп, но приближенная в 3 раза относительно стандартного режима.

Недостатки камеры с Nonacell

Идеальных технологий нет, и Nonacell не исключение, поэтому у нее есть и недостатки.

Цветопередача

В байеровской структуре каждый пиксель одного цвета соседствует минимум с парой точек двух других цветов (синий – с зелеными и красными и т. д.), что позволяет добавлять недостающие тона на основе их усредненного значения. В Nonacell пиксели в центре квадрата 3 х 3 со всех сторон окружены ячейками такого же цвета. Датчики, расположенные в серединах сторон, имеют соседей своего и какого-то еще одного цвета. Только угловые пиксели контактируют с ячейками как своего, так и обоих недостающих тонов.

Сравнение фильтра Байера и Nonacell
Сравнение фильтра Байера и Nonacell

Неравномерность усложняет алгоритмы цветокоррекции. Нейросети и инструменты ИИ частично решают проблему, но в равных условиях традиционный фильтр Байера работает лучше и быстрее.

Шумы

Маленькие пиксели более склонны ловить шумы. Если сравнивать одинаковые по площади сенсоры, на 12 Мп – с фильтром Байера и на 108 Мп – с Nonacell, то второй больше подвержен шумам.

Снижение относительной детализации

Мелкие пиксели сильнее подвержены шумам, а общие светофильтры усложняют вычисление цвета. Из-за этого камера смартфона с Nonacell на 108 Мп создаст картинку, реальная детализация которой будет лучше, чем у такой же на 12 Мп, не в 9 раз, а меньше.

Нагрузка на железо

Увеличение общего числа ячеек матрицы, сочетаемое с усложнением алгоритмов цветокоррекции, неминуемо увеличивает нагрузку на ISP смартфона. По словам Samsung, часть этих задач возложена на сам контроллер камеры, поэтому чипсету перенапрягаться не придется. Но и в таком случае эти дополнительные вычисления в конечном итоге сказываются на автономности и производительности.

Именно поэтому смартфоны с Nonacell, как и их предшественники с Tetracell, по умолчанию снимают в уменьшенном разрешении, в режиме склейки одноцветных пикселей. А чтобы получить фото на 48, 64 или 108 Мп, эту опцию нужно включить в настройках камеры.

Изображения: Samsung, GSMArena.com