Perché e in che modo i "pixel più grandi" creano un'immagine migliore?

Questo sta andando fuori dall'annuncio odierno di iPhone 5S, quando Phil Schiller ha affermato che "pixel più grandi" è la chiave per un'immagine migliore.

1. Cosa significa questo?
2. È vero o solo uno stratagemma di marketing?

Riepilogo rapido

Sì, i pixel più grandi migliorano le prestazioni a parità di condizioni e Apple sta facendo una buona cosa concentrandosi sulla dimensione del sensore. Tuttavia, in questo caso l'aumento delle dimensioni è così lieve che la differenza sarà trascurabile, probabilmente non all'altezza del livello di miglioramento che ci si può aspettare dal loro marketing.

Cosa significano i pixel più grandi?

Questo si riferisce alla dimensione dei fotorilevatori, che rappresentano i pixel, sul sensore della fotocamera.

In breve, più luce raggiunge questi fotorilevatori, più accuratamente possono misurare i livelli di luce, riducendo così il rumore. Per semplificare le cose, il rumore è di solito un fattore nella fotografia in condizioni di scarsa luminosità o in interni.

Esistono due modi per ottenere fotorilevatori più grandi su un sensore:

1. Hanno meno pixel.

2. Ingrandisci il sensore.

Il primo è un compromesso contro la risoluzione, che può o meno determinare un netto miglioramento, mentre il secondo è un guadagno complessivo. Nell'iPhone 5S, sono andati con quest'ultimo, il che è buono.

I piccoli sensori come quelli dei cellulari e delle fotocamere compatte soffrono di più di avere piccoli pixel, perché per lo stesso numero di pixel, i loro pixel devono essere molto, molto più piccoli di quelli delle DSLR e di altre fotocamere professionali / prosumer.

La corsa megapixel

Il desiderio di stipare sempre più pixel nei sensori della fotocamera ha rendimenti decrescenti in risoluzione e ha iniziato a danneggiare - o ha trascurato di migliorare - la sensibilità dei piccoli sensori nei telefoni cellulari e nelle fotocamere compatte.

Sfortunatamente, è stato guidato dalla mentalità che "più pixel = migliore fotocamera", poiché il conteggio dei megapixel è molto facile da commercializzare con la tua fotocamera. In realtà, i rendimenti decrescenti assicurano che più pixel aggiungi, meno è importante aggiungerne di più e arriviamo al punto in cui molti sensori, in particolare quelli piccoli all'interno dei cellulari, non riescono nemmeno a risolvere abbastanza risoluzione per giustificare comunque i conteggi dei megapixel, a causa delle proprietà dell'obiettivo utilizzato e dell'immagine più nitida che possono produrre sul sensore.

I progressi nella tecnologia dei sensori come microlenti e retroilluminazione, insieme a algoritmi di riduzione del rumore più avanzati, sono andati in qualche modo a compensare la perdita di sensibilità dovuta all'aumento del numero di pixel in un sensore così piccolo, ma non abbastanza lontano: le fotocamere dei cellulari di oggi sono ancora rumorosi al chiuso e in condizioni di scarsa luminosità a causa della loro piccola area di raccolta della luce.

È molto difficile commercializzare la tua fotocamera in base alla sensibilità o ad altri aspetti della qualità dell'immagine, quando il conteggio dei megapixel rimane la principale statistica di marketing associata alle fotocamere digitali, per quanto fuorviante.

Quindi perché Apple lo sta commercializzando in questo modo?

Il pubblico disinformato si aspetta ancora che se una fotocamera migliora, il suo numero di megapixel aumenta.

Apple, tuttavia, sta rilasciando una fotocamera "migliore" nel suo cellulare, ma senza aumento del conteggio dei megapixel.

Tecnicamente, questa è una buona idea per la qualità dell'immagine. Tuttavia, è difficile spiegare alla gente perché, quando sono stati condizionati a credere che il conteggio dei megapixel sia la metrica principale per la qualità delle immagini.

La commercializzazione della fotocamera dell'iPhone 5S in questo modo è un tentativo di:

1. Spostare il marketing dei sensori della fotocamera lontano dal conteggio dei pixel e verso la sensibilità e altri aspetti della qualità.

2. Distrarre dal fatto che il conteggio dei megapixel, che molte persone presumono ancora determini la qualità dell'immagine, non è aumentato.

Sfortunatamente non sono i primi a tentare questa stessa rivoluzione e non saranno gli ultimi. Il mito dei megapixel è fortemente radicato.

Nota: in risposta ad alcuni commenti qui sotto, definisco il "mito megapixel" come il mito secondo cui il conteggio dei pixel è il fattore principale che determina la qualità dell'immagine e che più pixel è sempre una qualità migliore, non che il conteggio dei pixel non abbia alcun vantaggio. Anche inerente al problema del mito dei megapixel è che distrae da importanti statistiche come le dimensioni del sensore, di cui non si parla praticamente nemmeno per cellulari e fotocamere compatte.

È vero o è uno stratagemma di marketing?

È tecnicamente vero, ma in questo caso la differenza è così piccola da essere insignificante.

È vero che mantenere lo stesso numero di pixel e aumentare ogni pixel comporta una migliore sensibilità, ed è quello che hanno fatto qui. Ciò dovrebbe comportare una riduzione del rumore (o, se la fotocamera può utilizzare velocità più elevate di conseguenza, probabilmente meno sfocatura da movimento in condizioni di scarsa luminosità). La loro effettiva affermazione che "pixel più grandi = immagine migliore" è una semplificazione di questo e potrebbe potenzialmente confondere le persone nel pensare che anche le loro immagini di luce del giorno all'aperto potrebbero essere migliorate, il che non è il caso. Ma in scenari di scarsa illuminazione, la maggiore sensibilità fornirà un vantaggio.

Tuttavia , non li hanno resi molto più grandi. Con solo un aumento del 6,6% delle dimensioni del sensore, qualsiasi guadagno di sensibilità risultante sarà minuscolo: così piccolo da essere insignificante. Per metterlo in prospettiva, una DSLR ha un sensore che è circa il 500-900% grande quanto una fotocamera compatta. Ciò comporterebbe un significativo guadagno di sensibilità di più f-stop. Un aumento del 6,6% è molto insignificante. Rappresenta circa un sesto di uno f-stop.

Quindi è anche una specie di stratagemma di marketing. Per ottenere significativi guadagni dovrebbero aumentare molto di più le dimensioni del sensore. È anche uno stratagemma di marketing perché in precedenza il loro marketing si concentrava sul conteggio dei megapixel, eppure ora hanno cambiato il modo in cui commercializzano perché hanno deciso di non aumentare il conteggio dei megapixel e vogliono ancora essere in grado di vantarsi di aver migliorato la fotocamera .

In teoria avere pixel più piccoli è meglio che avere meno pixel grandi.

Un piccolo pixel catturerà meno fotoni e quindi il suo output è più rumoroso, ma prendendo più campioni la media del rumore, con un semplice ricampionamento è possibile simulare il risultato di un sensore con meno pixel più grandi.

Ma puoi fare di meglio che abbinare semplicemente il risultato di pixel più grandi. Più pixel piccoli insieme catturano più informazioni. I pixel grandi ti consentono di sapere quanti fotoni si trovano in un'area di 5 µm x 5 µm. I pixel piccoli indicano anche quanti fotoni sono caduti nella stessa area, ma possono anche rivelare quanti sono caduti nella regione superiore sinistra 25µm x 25µm, nella regione inferiore destra 25µm x 25µm ecc. Queste informazioni aggiuntive possono essere utilizzate per un ricampionamento più intelligente per produrre meno rumore immagini più dettagliate con la stessa risoluzione di una fotocamera con pixel più grandi e più sensibili.

In pratica le cose non sono mai abbastanza uguali. Quando si tiene conto del rumore di lettura, leggere i valori da 4 pixel più piccoli significa prendere quattro volte la penalità di rumore di lettura, portando a un maggiore rumore nelle ombre e alla riduzione del DR. Questo non dovrebbe essere un problema con gli ultimi sensori Sony Exmor con rumore di lettura ultra basso, ma potrebbe essere il motivo per cui Canon dal 2013 non ha prodotto un corpo con più di 22MP).

I pixel non sono entità piatte. Di solito la parte fotosensibile è nella parte inferiore con l'elettronica circostante sugli strati sopra. Questo rende i pixel un po 'come un pozzo. Quando si rendono i pixel molto piccoli, la proporzione dell'area fotosensibile diminuisce e la profondità del pozzo e una proporzione della sua larghezza diventano molto più grandi, riducendo il numero di angoli da cui può ricevere la luce e quindi la sensibilità.

È qui che si trovano con i sensori della fotocamera del telefono, non possono aumentare il numero di pixel senza sacrificare seriamente la frazione di riempimento e l'efficienza angolare, quindi per cercare di attirare i consumatori stanno riducendo il numero di pixel. La soluzione migliore è quella di ingrandire il sensore, ma ciò richiederebbe un obiettivo più grande e non consentirebbe un corpo super sottile che vende molti telefoni.

Ci sono anche degli svantaggi nell'avere meno pixel più grandi. La ridotta frequenza di campionamento porta ad un aumento della moiré, che richiede filtri anti-alias più forti che aggravano il problema della risoluzione ridotta. Una frequenza di campionamento inferiore porta anche a più errori di demosaicing.

Purtroppo il mantra dei "piccoli pixel cattivi" viene applicato su tutte le dimensioni del formato e sta causando riluttanti i produttori di fotocamere a spingere in avanti la qualità aumentando il numero di pixel poiché la "saggezza convenzionale" è che è una cattiva idea e rende le immagini più rumorose, più inclini alla fotocamera agitare e richiede obiettivi migliori (ognuno di questi punti non è vero).

L'idea principale qui è che un sensore più grande produce un'immagine migliore (se i sensori usano la stessa tecnologia). Ciò che Apple ha fatto è aumentare le dimensioni del sensore e mantenendo lo stesso numero di pixel ogni pixel avrà un rapporto segnale-rumore più elevato, ottenendo un'immagine migliore.

Si tratta solo di catturare la luce che arriva il più accuratamente possibile.

È abbastanza semplice, con una superficie più grande (per pixel) catturerai più luce e sarai in grado di rendere una rappresentazione più accurata di quella luce nel risultato finale.

È vero che la foto sarà migliore, ma solo il 15% per pixel non è spettacolare. Quindi è anche marketing. Nokia ha fatto una cosa simile con PureView. Il downsampling da 41 Megapixel a 5-10 megapixel ridurrà drasticamente i livelli di rumore. PureView di Nokia sarà superioir a questo se me lo chiedi.

Ci sono due principali vantaggi nel creare pixel più grandi:

1. i pixel più grandi raccolgono più luce, quindi i sensori sono più sensibili. Ciò significa che in condizioni di scarsa luminosità è possibile scattare con ISO bassi e quindi a basso rumore.

2. con aperture grandi (ad es. f / 2.2) e pochi sensori si verificano che molti raggi di luce interagiscono casualmente con pixel diversi offuscando l'immagine. E questo abbassa la risoluzione.

Tuttavia, anche se stiamo sfatando il noto mito del mega pixel, stiamo generalizzando la verità "più grande è meglio" sui sensori. Naturalmente quanto detto sopra è vero, ma le prestazioni di una fotocamera dipendono da molti altri fattori. Per proiettare un'immagine su un sensore più grande mantenendo una breve distanza tra l'obiettivo frontale e il sensore (come deve fare un iPhone) hai bisogno di più obiettivi e se la qualità di uno di questi obiettivi non è buona, tutte le prestazioni del il sistema sarà peggiore. Quindi "Bigger Pixels = Better Picture" è più uno slogan che una legge.