В чем разница между цифровым и оптическим зумом?

Масштабирование, как и многие другие характеристики камеры, немного сложнее, чем можно представить в рекламных кампаниях. Производители смартфонов, такие как Samsung, теперь могут похвастаться 10-кратным, 50-кратным или  даже 100- кратным увеличением. Но возможно ли это вообще? Давайте посмотрим на разницу между оптическим и цифровым зумом.

Что на самом деле означает масштабирование?

Что такое зум и что значит 5x или 10x? С точки зрения оптической физики, не так много, потому что зума не существует.

Увеличение объектива (насколько объектив увеличивает удаленные объекты) зависит от его фокусного расстояния и результирующего поля зрения. Объектив с большим фокусным расстоянием (по сравнению с размером датчика изображения ) имеет меньшее поле зрения. Это заставляет далекие объекты казаться ближе, чем через объектив с более коротким фокусным расстоянием.

Существует достаточно факторов, чтобы линзы не продавались в зависимости от того, насколько они увеличивают объекты; скорее они продаются на основе их фокусного расстояния.

Масштабирование в том виде, в котором мы его используем сейчас, — это маркетинговая концепция, популяризируемая компактными камерами. Первоначально это было соотношение между самым коротким и самым длинным фокусным расстоянием объектива. Итак, объектив 10-100 мм имел 10-кратный зум, а объектив 25-100 мм имел 4-кратный зум. Это означало, что объектив с 10-кратным зумом не обязательно увеличивал изображение в 10 раз.

Однако производители смартфонов используют зум несколько иначе. Увеличение 1x широко принято в качестве поля зрения основной камеры. Смартфоны, такие как iPhone 11 Pro, добавляют еще более широкий объектив и называют это 0,5-кратным зумом, вместо того, чтобы сбрасывать 1x до нового самого широкого угла.

В отличие от компактных камер, это означает, что вы можете ожидать в основном одинакового грубого увеличения с разными смартфонами с 10-кратным увеличением.

Все, что вам действительно нужно знать, это то, что масштабирование зависит от основного фокусного расстояния объектива и размера сенсора, а также от реальности.

Но в чем разница между оптическим и реальным увеличением (я буду продолжать использовать это слово для удобства, но на самом деле я имею в виду «видимое увеличение» или «более узкое относительное поле зрения»)?

Как работает оптический зум

Оптический зум — это когда физические свойства линзы действительно увеличивают удаленные объекты. Например, телескоп имеет оптический зум. Если вы посмотрите на Луну через одну, она будет казаться больше. Нет потери качества — объекты просто кажутся ближе.

Оптический зум обеспечивается объективами с большим фокусным расстоянием, по крайней мере, по отношению к размеру сенсора камеры. Длинный телеобъектив для цифровых зеркальных фотоаппаратов, подобных тем, которые используют спортивные фотографы на играх, имеет фокусное расстояние от 500 до 1000 мм. Вот почему они такие здоровенные.

На камерах меньшего размера фокусное расстояние может быть меньше. Компактные камеры могут получить отличный оптический зум с объективами 100 мм. Они все еще довольно большие, но намного меньше, чем телескопы, используемые на футбольных матчах.

В смартфонах производители начали использовать линзы перископа для лучшего оптического увеличения. Они смогли установить 5-кратный зум-объектив (примерно эквивалент увеличения 100-миллиметрового объектива на зеркальной фотокамере, так что неплохо) в свои флагманские телефоны, не делая их толще. Это действительно захватывающее событие.

Тем не менее, 5x еще далеко от 100x, так как же производители добиваются этого со своими заявлениями?

Как работает цифровой зум

Как мы упоминали ранее, масштабирование — понятие туманное. Цифровой зум полностью использует эту неопределенность. По сути, цифровой зум — это просто кадрирование фотографии, чтобы объекты на ней казались больше — никакой дополнительной информации об изображении не сохраняется.

Возьмите, например, снимок ниже с iPhone Xs. В этом телефоне есть 2-кратный оптический зум и 10-кратный цифровой зум. Увеличенный снимок имеет заметно меньшее разрешение.

Это проблема цифрового зума. В то время как оптический зум увеличивает без потери качества изображения, цифровой зум его уменьшает. И чем больше вы увеличиваете масштаб, тем хуже становится качество изображения.

Усилить!

Однако у цифрового зума есть немного времени. Оптический зум стоит дорого, как с точки зрения стоимости производства, так и с точки зрения компромиссов, необходимых для его добавления в смартфон. Линзы перископа — относительно новая разработка (по крайней мере, для смартфонов), так что еще предстоит кое-что выяснить.

Таким образом, производители смартфонов используют следующие приемы, чтобы улучшить цифровой зум и минимизировать потерю качества:

• Использование сенсоров невероятно высокого разрешения: Samsung Galaxy S20 имеет телеобъектив на 64 МП. Такой датчик с высоким разрешением означает, что нужно обрезать больше изображения и, следовательно, иметь больший цифровой зум.
• Pixel binning: Объединение нескольких пикселей в единый супер-пикселей обеспечивает более высокое качество на цифровое увеличение в изображениях, а не только кадрирование позже.
• Искусственный интеллект и машинное обучение: многообещающие перспективы в области фотографии. Производители фотоаппаратов могут использовать его для автоматического повышения качества изображений с цифровым увеличением.

Однако высокие уровни цифрового увеличения невозможны без оптического увеличения. Эти безумные 50- и 100-кратные зумы возможны только потому, что они представляют собой гибрид оптического и цифрового зума. Настоящий оптический объектив выполняет часть тяжелой работы, в то время как цифровые методы обеспечивают более заметный зум.

Samsung, возможно, увеличивает свои показатели масштабирования , но есть настоящие улучшения в технологии линз, лежащие в основе некоторой шумихи.

Максимальное использование Zoom

Нынешняя ориентация на увеличение камеры в смартфонах интересна. Однако в определенный момент это становится просто глупо.

Объектив с 5-кратным или даже 10-кратным оптическим зумом открывает множество интересных возможностей съемки для людей. Это также делает специализированные камеры еще более востребованными. С таким зумом вы можете фотографировать своих детей, занимающихся спортом, диких животных в саду за домом и все остальное, к чему вы физически не можете приблизиться.

Хотя цифровой зум автоматически не является плохой вещью (особенно, когда им не злоупотребляют), у слишком большого увеличения есть некоторые недостатки. Конечно, есть потеря качества изображения, но также становится все труднее делать фотографии.

При 20-кратном или 30-кратном увеличении (что примерно эквивалентно 1000 мм на зеркальной фотокамере) вам нужно держать телефон невероятно неподвижно, чтобы сделать хороший снимок. Малейшее подергивание приведет к размытому фото, и все, что вы пытаетесь сфотографировать, выйдет за пределы кадра.

Это также при условии, что вы снимаете при хорошем освещении. При слабом освещении вам понадобится штатив для вашего смартфона, чтобы получить что-то, напоминающее резкое фото.

Похоже, производители смартфонов будут продолжать конкурировать с постоянно увеличивающимися цифрами масштабирования. Просто убедитесь, что вы всегда проверяете, что такое основной оптический зум — это действительно важно.