Mažas stikliukas, kuris užfiksavo milijardus akimirkų
Prisimenu, kaip vaikystėje tėvas nešiodavosi didžiulį fotoaparatą su objektyvu, kuris atrodė tarsi mažas teleskopas. Dabar mano kišenėje guli telefonas, kuris daro geresnes nuotraukas nei tas senovinis aparatas. Kaip tai įmanoma? Kaip į tokį mažytį įrenginį sutalpinta technologija, kuri prieš dešimtmetį būtų atrodžiusi kaip mokslinė fantastika?
Telefono fotoaparatas – tai inžinerijos stebuklas, kuris kasdien dirba mūsų kišenėse. Jame susipina optika, elektronika ir programinė įranga taip glaudžiai, kad kartais net sunku pasakyti, kur baigiasi fizika ir prasideda matematika. Pabandykime išsiaiškinti, kaip visa tai veikia iš tikrųjų.
Šviesos kelionė nuo objekto iki sensoriaus
Viskas prasideda nuo šviesos. Kai fotografuojate draugą, šviesa atsispindi nuo jo veido ir keliauja link jūsų telefono. Štai čia ir prasideda magija. Pirmiausia šviesa patenka į objektyvą – tą mažytį stikliuką telefono nugarėlėje.
Telefono objektyvas paprastai susideda iš 4-7 lęšių, sustatytų viena paskui kitą. Kodėl tiek daug? Viena lęšis sukurtų iškraipytą vaizdą – kraštai būtų išlinkę, spalvos išsisklaidytų tarsi per prizmę. Kiekviena lęšis taiso ankstesnės klaidas. Kai kurios lęšiai pagamintos iš plastiko, kitos – iš stiklo. Plastikines lengviau ir pigiau gaminti, bet stiklinės geriau leidžia šviesą ir mažiau įbrėžiamos.
Šviesos spinduliai, praėję pro visas lęšis, sutelkiami į vieną tašką – vaizdo sensorių. Čia vyksta tikrasis stebuklėlis. Sensorius – tai mažytė mikroschema, paprastai ne didesnė už ryžio grūdą, kurioje sumontuoti milijonai šviesai jautrių elementų, vadinamų pikseliais.
Kaip šviesa virsta skaičiais
Kiekvienas pikselis veikia kaip mažytis šviesos kaupiklis. Kai į jį patenka fotonai (šviesos dalelės), jie išmuša elektronus iš puslaidininkio medžiagos. Kuo daugiau šviesos – tuo daugiau elektronų. Šie elektronai kaupiasi kaip vanduo kibire, ir po tam tikro laiko (tai ir yra jūsų fotografavimo išlaikymo laikas) specialus mikroschemos mechanizmas “suskaičiuoja”, kiek elektronų susikaupė kiekviename pikselyje.
Štai kodėl tamsoje nuotraukos būna triukšmingos – kai šviesos mažai, elektronų susirenka nedaug, ir net nedidelis atsitiktinis elektronų judėjimas mikroschemos viduje (kurį sukelia šiluma) tampa pastebimas. Tai tarsi bandytumėte išgirsti šnabždesį triukšmingoje kavinėje.
Dauguma telefonų naudoja CMOS tipo sensorius (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor – bet kam tai rūpi, kaip vadinasi). Svarbu tai, kad šie sensoriai sunaudoja mažai energijos ir gali labai greitai nuskaityti informaciją. Kai kurie brangūs telefonai turi didesnius sensorius – ne daugiau pikselių, bet didesnius pačius pikselius. Didesnis pikselis sugauna daugiau šviesos, todėl nuotraukos tamsoje būna šviesesnės ir švaresnės.
Spalvų problema ir jos sprendimas
Čia slypi įdomus dalykas – sensorius iš prigimties nemato spalvų. Jis tik skaičiuoja, kiek šviesos pateko. Kaip tada gaunamos spalvotos nuotraukos?
Ant sensoriaus uždėtas specialus filtras, vadinamas Bayer filtru (pavadinimu mokslininko, kuris jį išrado). Tai tarsi mozaika iš raudonų, žalių ir mėlynų langelių, uždėta ant kiekvieno pikselio. Kiekvienas pikselis mato tik vieną spalvą. Bet čia prasideda gudrus triukas – telefono procesorius žino, kad šalia raudono pikselio yra žalias ir mėlynas, todėl jis “spėja”, kokios spalvos turėtų būti kiekviename taške, remdamasis gretimų pikselių informacija.
Kodėl žalių pikselių yra dvigubai daugiau nei raudonų ar mėlynų? Nes mūsų akys jautriausios būtent žaliai šviesai. Tai evoliucijos dovana – mūsų protėviai medžiuose turėjo gerai matyti įvairius žalios spalvos atspalvius.
Kai kurie naujausi telefonai naudoja keturių spalvų filtrus, pridėdami baltą arba geltoną. Tai leidžia sugauti daugiau šviesos tamsoje, nors ir apsunkina spalvų atkūrimą.
Procesorius – tikrasis nuotraukos kūrėjas
Jei manote, kad nuotrauka jau padaryta, kai šviesa pateko į sensorių – klystate. Tai tik pusė darbo, o gal net mažiau. Tikroji magija vyksta telefono procesoriuje.
Duomenys iš sensoriaus – tai tik skaičių srautas. Procesorius turi atlikti dešimtis, o kartais ir šimtus operacijų, kad gautųsi tai, ką matote ekrane. Pirmiausia jis “išspėja” trūkstamas spalvas kiekviename pikselyje (tas procesas vadinamas demosaicing). Tada taiso objektyvo iškraipymus – kraštai išlyginama, spalvos suderinamos.
Bet tai tik pradžia. Modernus telefono procesorius analizuoja vaizdą ir atpažįsta, ką fotografuojate. Jei tai veidas – jis švelnina odą, bet stengiasi neištrinti tekstūros. Jei dangus – sustiprina mėlyną spalvą. Jei maistas – padaro jį šiltesnį ir patrauklesnį. Visa tai vyksta per sekundės dalį.
Kai kurie telefonai daro ne vieną, o kelias nuotraukas vienu mygtuko paspaudimu. Viena su trumpu išlaikymu, kita su ilgesniu, trečia su dar kitokiais nustatymais. Tada procesorius sujungia jas į vieną – iš šviesios nuotraukos ima detalių šviesiose vietose, iš tamsios – tamsių vietų detales. Tai vadinama HDR (High Dynamic Range), ir be šios technologijos jūsų nuotraukos atrodytų daug prasčiau.
Kodėl keli objektyvai geriau nei vienas
Pažvelkite į šiuolaikinį telefoną – ant nugarėlės matote du, tris, o kartais net keturis objektyvus. Ar tai tik reklamos triukas? Ne visai.
Kiekvienas objektyvas turi skirtingą matymo kampą. Pagrindinis objektyvas paprastai mato maždaug tiek pat, kiek ir mūsų akys. Plačiakampis objektyvas mato daugiau – puikus peizažams ar grupinėms nuotraukoms. Telefoto objektyvas (tas, kuris “priartina”) leidžia fotografuoti tolimus objektus.
Bet kodėl negalima tiesiog padidinti vaizdo programiškai? Galima, bet rezultatas būna prastas. Kai skaitmeniškai didiname vaizdą, mes tiesiog padidiname esamus pikselius – nuotrauka tampa neryški. O kai naudojame telefoto objektyvą, gaunama tikra optinė informacija, su visomis detalėmis.
Įdomiausia tai, kaip telefonai naudoja kelis objektyvus kartu. Kai fotografuojate portreto režimu, telefonas naudoja du objektyvus vienu metu. Vienas mato vieną kampą, kitas – šiek tiek kitokį. Iš šio skirtumo procesorius gali apskaičiuoti, kokie objektai yra arti, o kokie toli – tarsi turėtų du žmogaus akis. Tada jis gali išlieti foną, palikdamas aštrų tik pagrindinį objektą.
Nakties režimas – technologijos viršūnė
Prieš keletą metų fotografavimas tamsoje telefonu buvo beviltiška užduotis. Dabar kai kurie telefonai daro nuotraukas, kurios konkuruoja su profesionaliomis kameromis. Kaip tai įmanoma?
Nakties režimas – tai ne viena technologija, o kelių derinys. Pirmiausia telefonas daro ne vieną, o dešimtis nuotraukų per kelias sekundes. Kiekviena nuotrauka šiek tiek skiriasi – viena šiek tiek šviesesnė, kita tamsesnė, trečia su kitokiu fokusavimu.
Tada prasideda tikrasis darbas. Procesorius turi sulygiuoti visas šias nuotraukas – juk jūsų ranka šiek tiek juda, laikydami telefoną. Jis naudoja dirbtinį intelektą, kad atpažintų tuos pačius objektus kiekvienoje nuotraukoje ir idealiai juos sutaptų. Po to jis sudeda visas nuotraukas – triukšmas išsividurkina ir išnyksta, o signalas (tikroji informacija) sustiprėja.
Bet tai dar ne viskas. Procesorius analizuoja, kurios vaizdo dalys yra judančios (pavyzdžiui, žmonės), o kurios nejuda (pastatai). Judančius objektus jis apdoroja atsargiau, kad jie neišsiteptų, o nejudančius – agresyviau, kad gautų kuo daugiau detalių.
Rezultatas? Nuotrauka, kurioje matote daugiau nei matėte savo akimis. Tai jau nebėra gryna fotografija – tai fotografijos ir kompiuterinio vaizdo apdorojimo hibridas.
Dirbtinis intelektas objektyve
Šiuolaikiniuose telefonuose dirbtinis intelektas tapo neatsiejama fotoaparato dalimi. Tai ne tik filtrai ar efektai – AI dalyvauja kiekviename fotografavimo etape.
Kai taikote telefoną į objektą, dar net nepaspaudę mygtuko, AI jau dirba. Jis atpažįsta sceną – ar tai žmogus, gyvūnas, maistas, peizažas, tekstas. Priklausomai nuo to, jis iš anksto parenka geriausius nustatymus. Fotografuojate šunį? AI padidins išlaikymą, nes žino, kad šunys juda. Fotografuojate saulėlydį? Sustiprina oranžinius atspalvius.
Bet įdomiausias AI panaudojimas – tai vaizdo tobulinimas. Naujausi telefonai gali pakeisti išraišką nuotraukoje jau po fotografavimo. Užsimerkėte? AI gali atidaryti jūsų akis, remdamasis kitomis nuotraukomis. Fonas nepatrauklus? AI gali jį pakeisti į kitą. Tai jau kelia filosofinį klausimą – ar tai dar fotografija, ar jau skaitmeninis menas?
AI taip pat padeda fokusavime. Tradiciškai fotoaparatas fokusavosi į artimiausią objektą arba į ekrano centrą. Dabar AI atpažįsta veidus ir akis, ir automatiškai fokusuojasi į artimiausio žmogaus akį – būtent taip, kaip darytų profesionalus fotografas.
Ką reiškia tie megapikseliai ir ar jų reikia daugiau
Reklamos šaukia: 108 megapikseliai! 200 megapikselių! Ar tai svarbu? Trumpas atsakymas – ne taip, kaip manote.
Megapikselis – tai milijonas pikselių. 12 megapikselių fotoaparatas turi 12 milijonų šviesai jautrių elementų sensoriuje. Teoriškai, kuo daugiau pikselių, tuo daugiau detalių. Bet praktikoje yra problema – jei sensorius lieka to paties dydžio, o pikselių skaičius didėja, kiekvienas pikselis tampa mažesnis.
Mažesnis pikselis sugauna mažiau šviesos. Tai reiškia, kad nuotraukos tamsoje bus prastesnės, triukšmingesnės. Todėl kai kurie geriausių fotoaparatų turintys telefonai turi “tik” 12 ar 16 megapikselių – bet su dideliais pikseliais.
Tie telefonai su 108 megapikseliais naudoja triuką, vadinamą pixel binning. Jie sujungia kelis gretimus pikselius į vieną didesnį. Taigi 108 megapikselių fotoaparatas iš tikrųjų daro 12 megapikselių nuotraukas, bet kiekvienas “pikselis” sudarytas iš devynių tikrų pikselių. Tai suteikia didelio pikselio privalumus, išlaikant galimybę prireikus padaryti labai didelės raiškos nuotrauką.
Praktiškai, jei nesiruošiate spausdinti plakatų ar itin stipriai priartinti nuotraukų, 12-16 megapikselių visiškai pakanka. Svarbiau yra sensoriaus dydis, objektyvo kokybė ir vaizdo apdorojimo algoritmai.
Kas laukia ateityje – fotoaparatai be fotoaparatų
Telefono fotoaparatų evoliucija dar toli gražu nesibaigė. Kai kurios technologijos, kurios dabar testuojamos laboratorijose, atrodys kaip mokslinė fantastika.
Viena įdomesnių krypčių – kompiuterinė fotografija (computational photography). Tai idėja, kad nuotrauka kuriama ne tik fiksuojant šviesą, bet ir skaičiuojant, kaip ji turėtų atrodyti. Pavyzdžiui, Google telefonai jau dabar gali “pašalinti” atsitiktinius praeivius iš nuotraukos – jei fotografuojate paminklą ir kas nors praeina pro šalį, AI gali jį ištrinti, “atspėdamas”, kas turėtų būti už jo.
Kita kryptis – periskopiniai objektyvai. Vietoj to, kad objektyvas kyšotų iš telefono, jis įmontuojamas horizontaliai, o šviesa nukreipiama veidrodėliu. Tai leidžia turėti daug stipresnį optinį priartinimą nepastorinant telefono.
Kai kurie gamintojai eksperimentuoja su skysčio lęšiais – lęšimis, kurių fokusavimas keičiamas elektros srove keičiant skysčio formą. Tai galėtų leisti turėti vieną objektyvą, kuris veiktų ir kaip plačiakampis, ir kaip telefoto.
O gal ateityje telefonai apskritai nebeturės išsikišusių objektyvų? Jau dabar kuriami sensoriai, kurie patys veikia kaip lęšiai, naudodami kvantinę mechaniką. Arba technologijos, kai visas telefono ekranas tampa fotoaparatu – galėtumėte fotografuoti pro ekraną.
Kai technologija tampa nematomu pagalbininku
Grįžtant prie pradžios – telefono fotoaparatas yra kur kas daugiau nei tik mažas fotoaparatas. Tai sudėtinga sistema, kurioje optika, elektronika ir programinė įranga dirba kartu, kad jūs galėtumėte paprasčiausiai nukreipti telefoną ir paspausti mygtuką.
Ar tai reiškia, kad tradiciniai fotoaparatai išnyks? Greičiausiai ne. Profesionalams vis dar reikia didesnių sensorių, keičiamų objektyvų ir visiškos kontrolės. Bet eiliniam žmogui, kuris tiesiog nori užfiksuoti akimirką, telefono fotoaparatas jau dabar yra daugiau nei pakankamas.
Įdomiausia tai, kad technologija tampa vis labiau nematoma. Jums nebereikia žinoti, kas yra ISO, diafragma ar išlaikymas. Nebereikia galvoti apie fokusavimą ar baltosios balanso nustatymą. Telefonas visa tai daro už jus, dažnai geriau, nei padarytumėte patys. Tai demokratizuoja fotografiją – gera nuotrauka dabar priklauso ne nuo to, kiek išmanote techniką, o nuo to, ar turite gerą akį kompozicijai ir akimirkos jausmą.
Tad kitą kartą, kai fotografuosite telefonų, prisiminkite – tame mažame stikliuke vyksta tikras technologijos stebuklas. Milijonai tranzistorių apdoroja milijardus skaičiavimų per sekundę, kad jūs galėtumėte pasidalinti akimirka su draugais. Ir visa tai telpa jūsų kišenėje.