Podstawy fotografii (smartfonem) - cała prawda o zoomie

Wraz z premierą nowych smartfonów z linii Galaxy S Samsung nie omieszkał popisać się obiektywem 108 Mpx oraz 100-krotnym zoomem. Specyfikacja z pewnością rozpala wyobraźnię, efekty finale nieco je studzą. Wynika to z kilku faktów, a głównym jest…

Zoom zoomowi nierówny

Zoom to przybliżanie lub oddalanie widoku i dzieli się na kilka podstawowych typów - zoom optyczny i cyfrowy.

1) Zoom optyczny: wykorzystuje ruchome soczewki obiektywu by sprawić wrażenie, że jest się blisko fotografowanego obiektu

Zoom optyczny polega na zmianie ogniskowej (stopnia przybliżenia) obiektywu, co wpływa na kąt widzenia oraz na wrażenie bliskości względem fotografowanego obiektu. Wysokie wartości (oferowane przez teleobiektywy), np. 200mm oferują stosunkowo wąskie pole widzenia oraz wspomniane wrażenie bliskości. Niskie ogniskowe (obiektywy szerokokątne), np. 13mm oferują dużo szersze pole widzenia oraz wrażenie bycia daleko od fotografowanego obiektu. Zoom oparty na ogniskowej obiektywu pozwala uzyskać niemal idealny obraz, zupełnie tak, jakbyśmy podeszli bliżej fotografowanego obiektu.

Ogniskowa może być a) stała lub b) zmienna.

a) obiektywy zmiennoogniskowe wykorzystują ruchome soczewki wewnątrz obiektywu i są popularne w lustrzankach i bezlusterkowcach, w każdym budżecie

Pojawiły się również próby przeniesienia tego rozwiązania na rynek smartfonów, jednak brak takich modeli w ofercie czołowych producentów jasno pokazuje, jaki odniosły rezultat. Ciekawych konstrukcji pojawiło się wiele, np. Samsung Galaxy S4 Zoom, który oferował prawdziwy, 10-krotny zoom optyczny. Niestety, powstałe urządzenie było bardziej aparatem z zainstalowanym Androidem niż smartfonem, a jego grubość była dla wielu klientów sporym problemem.

b) obiektywy stałoogniskowe nie mają ruchomych części, a wartość ogniskowej jest stała. Tego typu obiektywy są popularne w smartfonach, a także w aparatach. W smartfonach najpopularniejszy jest 2-krotny zoom optyczny, stosowany, m.in. przez Apple. Można spotkać także zoom 3 i 5-krotny.

2) Zoom bezstratny: zapewnia obrazek o niższej rozdzielczości, bez widocznego pogorszenia jakości obrazu

W 2012 roku Finowie zaprezentowali światu Nokię 808 PureView. W ówczesnych czasach była to fotograficzna bestia, której podzespoły nie nadążały za przetwarzaniem danych z ogromnego, liczącego aż 1/1.2”, sensora aparatu o rozdzielczości 41 Mpx (realna rozdzielczość to 38 Mpx dla proporcji 4:3. Podobnie było w Lumii 930, która miała aparat 20 Mpx z finalnymi fotkami zapisanymi w 16 Mpx). Tak wielka matryca pozwalała jednak na zastosowanie zoomu bezstratnego, dzięki czemu można było przybliżać obraz bez pogarszania jego jakości. Materiał 720p w 16:9 ma rozdzielczość 1280x720 pikseli, podczas gdy matryca Nokii 808 PV oferuje rozdzielczość 7728x5368 pikseli. Cała sztuczka polega na tym, by zarejestrowany w tak wysokiej rozdzielczości obraz przyciąć do określonego rozmiaru, tym samym uzyskując zoom bezstratny. Dla materiału 720p przekłada się to na 6-krotny zoom bezstratny.

Podobnie działa to w dzisiejszych smartfonach. Obrazek jest przycinany z większej rozdzielczości do mniejszej w celu uniknięcia rozciągania pikseli i, co za tym idzie, pogorszenia jakości finalnego obrazka. W ciągu ostatnich lat wielu producentów zaczęło stosować dedykowany teleobiektyw. Niektórzy producenci obrali inny kierunek i zastosowali właśnie zoom bezstratny, co przy matrycy 12 Mpx daje obrazek o rozdzielczości 7-8 Mpx (wybaczcie, nie pamiętam który producent tak to rozwiązał, ale chyba Sony) i złudzenie zastosowanie teleobiektywu.

3) Zoom hybrydowy: to spotkanie zoomu optycznego oraz cyfrowego z fotografią obliczeniową i zaawansowanym przetwarzaniem obrazu

Obecne smartfony są przedstawicielami tzw. fotografii obliczeniowej. Wydane podzespoły, zaawansowane przetwarzanie obrazu i stosowanie wielu obiektywów otworzyły nowe, nieznane dotąd, możliwości.

Zoom hybrydowy jest podobny do zoomu bezstratnego, jednak zamiast fizycznej ilości pikseli, wykorzystuje zaawansowane przetwarzanie obrazu.

Huawei P30 Pro posiada trzy obiektywy – teleobiektyw (8 Mpx), standardowy (40 Mpx), szerokokątny (20 Mpx) i oferuje 1 oraz 5-krotny zoom optyczny, a także 10-krotny zoom hybrydowy. Wartości powyżej (aż do 50x) to zoom cyfrowy.

Zoom hybrydowy wykorzystuje zdjęcia z dwóch matryc - przycięte do odpowiedniej wielkości zdjęcie z głównego sensora (40 Mpx) oraz z teleobiektywu, a następnie przetwarza je korzystając, m.in. z super rozdzielczości (Super-resolution imaging).

Super rozdzielczość to technika polegająca na łączeniu wielu ujęć o niskiej rozdzielczości w jedno zdjęcie o wysokiej rozdzielczości. Technikę tę zastosowało, m.in. Google w Pixelu 3, który wykonuje wiele ujęć (każde minimalnie przesunięte w określonym kierunku), przetwarza je (eliminując aliasing, czyli postrzępione krawędzie), a na koniec łączy je w jedno zdjęcie. Efekty są w dużej mierze zależne od dopracowania algorytmów przetwarzania danych, jednak jeśli są one zaimplementowane dobrze to efekty powinny być bliższe zoomowi bezstratnemu niż cyfrowemu.

Źródło: http://bit.do/fxJbk

4) Zoom cyfrowy: przycina obrazek i rozciąga go do pełnej rozdzielczości prowadząc do widocznego pogorszenia jakości zdjęcia

Zoom cyfrowy polega na przycięciu obrazka, a następnie rozciągnięciu go do pełnej rozdzielczości, co ma symulować wrażenie przybliżenia się do fotografowanego obiektu.

Kluczową wadą zoomu cyfrowego jest jego wpływ na jakość obrazu. Z pomocą przychodzi fotografia obliczeniowa, która pozwala na zredukowanie efektu pogarszania jakości obrazu, m.in. poprzez stosowanie super rozdzielczości oraz interpolacji.

Interpolacja działa nieco podobnie do zoomu cyfrowego, jednak występują między nimi istotne różnice. Zoom cyfrowy po prostu powiększa obrazek, co skutkuje pogorszeniem szczegółowości i jakości obrazu, a w skrajnych przypadkach nawet widocznymi pikselami.

Wyjaśnienie takiej sytuacji jest proste, jednak zanim do niego przejdziemy zacznijmy od pikseli. Zdjęcie 12 Mpx składa się z 12 mln pikseli. Każdy z nich wyświetla jeden, określony kolor, co możecie zobaczyć na poniższym obrazku.

Znajduje się na nim około 910 pikseli, a każdy wyświetla określony kolor. Nie wygląda to atrakcyjnie prawda? Jednak zdjęcie 12 Mpx składa się nie z setek, a milionów pikseli, których połączenie składa się na coś, co może się podobać.

Załóżmy, że zdjęcie ma 12 Mpx, a po zastosowaniu zoomu cyfrowego powstaje wycinek o wielkości 3 Mpx, który jest następnie rozciągany do 12 Mpx. Oznacza to, że dostępna jest jedynie ¼ potrzebnych pikseli (3 mln z 12), czyli kolor, za którego wyświetlanie odpowiedzialny był 1 piksel, teraz wyświetlany jest przez 4 piksele. To niemal tak, jakby włączyć filmik na YouTube w 360p i powiedzieć, że to 1080p.

Jednym ze sposobów na zaradzenie tej sytuacji jest zastosowanie interpolacji. Algorytmy za nią odpowiedzialne potrafią przeanalizować dostępne dane (tutaj 3 mln z 12), a następnie „domyślić się” jakie kolory powinny być wyświetlane przez okoliczne piksele (9 mln z 12, czyli ¾ pikseli). Im więcej dostępnych danych, tym lepsze efekty (interpolacja radzi sobie dobrze do około 2-krotnego zoomu, powyżej algorytmy muszą „domyślać się” kolorów dla zbyt dużej ilości pikseli, co owocuje widocznym pogorszeniem jakości obrazu oraz szumem).

Można porównać to poprzez analogię do telewizyjnych teleturniejów, których uczestnicy mają za zadanie odgadnąć wyświetlane słowa mając do dyspozycji tylko część liter. Im mniej liter, tym łatwiej popełnić błąd. Im więcej, tym łatwiej domyślić się jakich liter brakuje. W przypadku interpolacji jest tak samo, lecz zamiast liter odgaduje ona brakujące kolory.

Interpolacja jest stosowana również w filmach. W serwisie YouTube dostępnych jest wiele starych bajek przerobionych z 24 do 60 klatek na sekundę. Pomogła w tym właśnie interpolacja, która przeanalizowała dwie klatki i „domyśliła się” jak powinna wyglądać klatka między mini.

Wróćmy jednak do fotografii.

Warto zwracać uwagę na typ zoomu

Producenci rozbudzają wyobraźnię klientów oferując wysoką rozdzielczość zdjęć oraz robiący wrażenie zoom. Warto jednak mieć świadomość, iż zoom zoomowi jest nierówny, a różnice między 100-krotnym zoomem optycznym, a 100-krotnym zoomem cyfrowym są ogromne.

 

Materiały z tej serii:

1. Podstawy ekspozycji

2. Podstawy kompozycji

3. Jak utrzymać ład i porządek na zdjęciu

4. Pierwszy, drugi i trzeci plan

5. Balans bieli. Co to jest i dlaczego jest takie ważne

6. Najlepsza pora na robienie zdjęć

7. Dane EXIF, co to jest i kiedy się przydaje?

8. Technika Low-key

9. Cała prawda o zoomie

10. Rozdzielczość to nie tylko megapiksele. To znacznie więcej

11. Quad-Bayer i Nonacell to nadzieja na lepszą jakość zdjęć

12. Czy zapis RAW ma sens w erze fotografii obliczeniowej?