Техническое

Эта заметка была размещена в соцсети Ярус, которая на данный момент закрыта. Выход нового яблокофона и очередной вой восторга по поводу его камеры стал поводом в очередной раз напомнить разумным (неразумным бесполезно) о некоторых аспектах физики. Поэтому размещу заметку здесь. С дополнениями.

-----------------------------------

Допустим, дети играли в диверсантов и разнесли в щепки ближайшую метеостанцию...

Шутка.

Придумайте сами зачем вдруг понадобилось измерять количество осадков подручными средствами...

Из подручных средств нашлись: а) пробирка из набора «Юный химик» с площадью горловины примерно 1 квадратный сантиметр, б) квадратная банка для хранения круп со стороной 10 сантиметров и, соответственно, площадью 1 квадратный дециметр, и в) старый поддон от душа метр на метр – 1 квадратный метр соответственно. Всё это было выставлено под дождь, и по прошествии стихии начинаем измерения при помощи 250-ти миллилитрового мерного стакана. Естественно, что во всех трёх ёмкостях уровень дождевой воды одинаковый. Объём разный.

Вода из пробирки в мерном стакане потерялась. Любая хозяйка в курсе, что отмерить 1 миллилитр жидкости мерным стаканом практически невозможно. Приходится принять, что у нас там примерно-приблизительно 1 миллилитр. В пересчёте площади с квадратного сантиметра на квадратный метр получаем 10 литров на квадратный метр – это 10 миллиметров осадков.

Теперь измеряем объём воды в банке. Получаем 85 миллилитров – 8,5 литров – 8,5 миллиметров осадков.

Разница в измерениях – 15 %!

Соответственно, в поддоне 8 литров 625 миллилитров – просто уточнение конечного результата (8,625 миллиметра).

Как это соотносится с цифровой фотографией? Очень просто: за время, пока открыт затвор, каждый пиксел матрицы, как поддон дождевую воду, «собирает» фотоны. Количество фотонов в пикселе при одинаковой освещённости тем больше, чем больше площадь этого самого пиксела, и, как и в примере выше, чем больше «объём» пойманных фотонов, тем точнее определение интенсивности света и тем выше ФИЗИЧЕСКОЕ качество картинки. Всё очень просто. При всей относительной примитивности объяснения и явном игнорировании великого множества другой физики, так же влияющей на результат, это непреложный физический факт.

За счёт большей «ёмкости» пиксела получаем не только выше точность измерения интенсивности света, но и, что может быть ещё более важно, более широкий динамический диапазон (разница между возможным наиболее светлым и наиболее тёмным). К слову, цифровая фотография без применения дополнительных алгоритмов обработки до сих пор не достигла того динамического диапазона, который был обычным делом в «химической» фотографии начала прошлого века.

Исходя из сказанного выше из двух матриц одинакового физического размера, выполненных по одинаковой технологии, но имеющих разное разрешение, физическое качество будет выше у той матрицы, у которой разрешение... МЕНЬШЕ! За счёт большей площади пиксела.

При этом, естественно, сравнивать матрицы десятилетней давности с сегодняшними в этом плане некорректно – технологии не стоят на месте. [update: физический предел устранения шумности современных матриц на самом деле уже достигнут]

Исходя из тех же соображений, две матрицы разного размера, но одинакового разрешения, выполненные по одной технологии, будут давать сопоставимый результат в том случае, если одно и то же изображение проецируется на всю площадь матриц – получится, что количество света, попадающего на один пиксель в обоих случаях будет примерно одинаковым. И это справедливо. Правда только для фотоаппаратов сопоставимых уровней. Например, кроп 1,5 (APS-C) о 24-х мегапикселях не будет заметно хуже полного кадра тех же 24-х Mpx. А вот кроп 4.85 (такой размер матрицы iPhone 12 Pro Max) при тех же 24-х – уже не сможет выдать даже близкий к полному кадру динамический диапазон даже если количество света будет сопоставимым. Для ясности обозначим сразу, что у iPhone 12 Pro Max матрица 12 Mpx. [update: у 15-го матрица 48Mpx, что скорее всего говорит о том, что это та же Sony кроп 4.85 с размером пиксела 1.12 микрометра]

Но и это ещё не всё. Продолжим эксперименты – возьмём семь крышек от пластиковых бутылок, положим их вверх ногами вплотную друг к другу цветочком и начнём капать воду в среднюю крышку с некоторой высоты. Ещё до того, как крышка наполнится, в соседних крышках появится вода – брызги от падающих капель будут разлетаться в стороны. А вот если мы поставим так же семь стаканов, то мы очень долго будем капать воду, прежде чем она начнёт разлетаться по соседним стаканам. А если семь бочек...

Фотон, попадая в ловушку пиксела, увеличивает её потенциал. Чем меньше размер ловушки (пиксела), тем быстрее этот потенциал начинает влиять на соседние ловушки и пытаться «сбежать» туда, особенно, если там пусто. Если матрица чёрно-белая – это просто незначительное размытие картинки. А если цветная, то соседние пикселы – это другие цвета! О какой правильной цветопередаче может идти речь? И это очень прискорбный для смартфонных «фотографов» момент.

Почему? Сейчас объясню.

У меня фотоаппарат – далеко не самый крутой – имеет матрицу (Sony) 36 Mpx с размером пиксела 4,89 микрометра. У меня в смартфоне весьма неплохая камера с одной из самых больших матриц (тоже Sony) – 48 Mpx с пикселом 1,12 микрометра [update: скорее всего точно такая же в 15-м яблоке]. Разница в площади пиксела в 19 раз даже при прямом подсчёте без учёта того, что в указанную площадь пиксела входят межпиксельные промежутки и, чем меньше пиксел, тем больший процент площади пропадает. То есть точность измерения количества света как минимум на порядок меньше! Просто осмыслите этот факт.

Дальше ещё круче: у айфона [update: 12-го] матрица (на удивление тоже Sony) фотоаппарата в четыре раза меньше по площади матрицы моего смартфона. Размеры пиксела в разных моделях от 1,2 до 1,7 микрометра – в лучшем случае разница с фотоаппаратом в 8 раз. И это при разрешении в три раза меньше!

Ну и любителям другого супербренда: у Самсунга (который 108 Mpx) размер пиксела 0,7 микрометра. Это почти в пятьдесят раз меньше фотоаппарата.

Всё решает софт. И, надо отдать должное, у того же яблока он великолепен. Многих это устраивает. Да и бог с вами. Просто не говорите, что ваш крутой смартфон снимает лучше фотоаппарата. Чудес не бывает. Ваш смартфон круто дорисовывает реальность, которую физически не в состоянии запечатлеть.

Лично мне так не нравится.

#фотография