Совсем скоро Xiaomi покажет свою следующую фотоимбочку — Xiaomi 17 Ultra. Одним из основных нововведений станет сенсор основной камеры с технологией LOFIC. Xiaomi не будет первой с LOFIC — её уже можно встретить в топовых моделях Honor и Huawei, а скоро она появится и в топовых моделях OPPO и Vivo. Хорошо бы разобраться, что это и стоит ли обращать внимание на эту аббревиатуру при выборе смартфона.
Коротко про сенсоры
Важнейшим компонентом любой цифровой камеры является сенсор. Он состоит из пикселей, которые преобразуют свет в электричество: чем больше света, тем больше электричества. Именно так и формируется кадр. В характеристиках камер часто упоминают количество пикселей в сенсоре (1 миллион пикселей = 1 мегапиксель) или размер пикселя ("1,2 мкм" означает, что каждый пиксель — это квадратик 1,2х1,2 мкм), но почти никогда не вспоминают про ёмкость пикселя (full well capacity, FWC). А это тоже важный параметр.
Ёмкость пикселя (FWC) зависит от его размера, но не только
От получаемого света в пикселе накапливаются электроны, при этом их максимальное количество ограничено. Это означает, что если на пиксель попадёт слишком много света, он уже не сможет различать дальнейший свет, не отличит «очень много» от «очень-очень много» — и то и другое будет воспринято как белый свет. (Хуже того, электроны могут начать убегать в соседние пиксели, но сегодня не об этом.) Такое случается, когда фотографируешь что-то светящееся (солнце, лампочку) или устанавливаешь слишком большую выдержку. Максимальное количество электронов в пикселе и называется его ёмкостью.
С другой стороны, слишком мало электронов в пикселе — тоже плохо, ведь есть шум считывания. Простыми словами, подсчёт электронов в пикселе при съёмке осуществляется не очень точно, есть небольшая погрешность. И если на полностью заполненном, белом пикселе плюс-минус пятьдесят электронов погоды не делают, то на тёмных пикселях, где электронов мало, он может вносить существенную погрешность. Это одна из причин, почему фотографии в темноте могут получаться шумными (есть и другие, но о них не сегодня). Мы такого не хотим.
В результате, чтобы снимать в темноте, надо тянуть выдержку подольше, чтобы накопилось больше электронов, а чтобы снимать что-то яркое — выдержку поменьше, чтобы пиксели не переполнились. А что делать, если в кадре есть и тёмные, и светлые участки? Либо первые останутся тёмными и шумными, либо вторые пережгутся. Способность камеры снимать одновременно и тёмные, и яркие объекты называется её динамическим диапазоном — и он тем выше, чем больше ёмкость пикселей. Ведь с большой ёмкостью пикселей можно тянуть выдержку дольше, а пиксели все равно не переполнятся!
И что делать?
В истории смартфонов было много заходов на решение этой проблемы. Первый был чисто алгоритмическим и назывался HDR (High Dynamic Range) — можно сделать несколько фотографий подряд с разной выдержкой, а потом склеить в один кадр: тёмные объекты берём с кадра с большой выдержкой, яркие — с кадра с маленькой. Но, во-первых, такие снимки выглядят неестественно, и во-вторых, движущиеся объекты так снимать нельзя. Следующим шагом стал Quad Bayer: если пиксели объединяются по типу 4-в-1, то можно внутри этих 4 пикселей выставить 4 разные выдержки. Это была одна из революционных идей легендарного Huawei P20 Pro, изменившего мобильную фотографию.
Exmor T позволил сенсору Lytia T808 почти догнать Lytia 900 по FWC, несмотря на вдвое меньшие пиксели
Но это всё костыли — почему бы просто не увеличить FWC? По этому пути пошла Sony в своих сенсорах Exmor T (пока он такой один — Lytia T808 из флагманских Xperia 1 и раскладушки OnePlus Open). И это прикольный путь, но у него есть свои ограничения. Чем больше FWC, тем выше шум считывания, поэтому динамический диапазон растёт медленнее, чем растёт FWC, плюс фотографии надо делать с большей выдержкой.
Так что такое LOFIC?
Новейшее и на текущий момент самое эффективное решение проблемы динамического диапазона — это LOFIC. Аббревиатура расшифровывается как Lateral OverFlow Integration Capacitor, или интеграционный конденсатор бокового перелива. Идея в том, чтобы рядом с обычным маленьким накопителем электронов установить в каждом пикселе ещё один, большой, в который электроны будут попадать только тогда, когда в основном накопителе место закончилось. Вот этот дополнительный большой накопитель и называется LOFIC.
В тёмных областях LOFIC даже не начинает заполняться, и мы имеем точную информацию о количестве света из основного накопителя. Он маленький, шум считывания в нём маленький, всё как в обычном сенсоре. В тех местах кадра, где света намного больше, LOFIC тоже заполняется, и пиксель получает информацию о количестве света, используя как основной накопитель, так и LOFIC, что позволяет тоже неплохо оценить количество света. Шум считывания в LOFIC больше, но, как я говорил, когда электронов очень много — это нестрашно. В итоге имеем точные данные и по тёмным частям кадра, и по светлым — а значит, более широкий динамический диапазон, чем без LOFIC.
Но насколько LOFIC эффективен? Поскольку любая современная фотография проходит постобработку, по примерам фото со смартфонов это оценить сложно. Поэтому приведу лишь данные из маркетинговых материалов OmniVision, где сравниваются её одинаковые по характеристикам сенсоры с LOFIC и без. Без LOFIC ёмкость пикселя составляет 50 ke–, а с LOFIC — аж 400 ke–! Благодаря этому динамический диапазон увеличивается с 87 дБ до 108 дБ. То есть если раньше самые светлые области были в ~22 400 раз светлее самых тёмных, то теперь — в ~250 000 раз! Прогресс, на мой взгляд, очевиден.
Так что LOFIC — это не бессмыслица, а действительно полезная инновация, которая позволит делать на смартфоны снимки в очень сложных условиях, например, контрового освещения. На LOFIC не пофиг, кароч.
Иллюстрации: OmniVision, OnePlus, Teledyne
АВТОР: Олег Лазарев
