Dwuobiektywowe układy w telefonach są obecnie coraz popularniejsze; na horyzoncie już pokazują się pierwsze systemy z trzema aparatami, takie jak chociażby Huawei P20, niedawno wprowadzony przez chińską firmę do sprzedaży. W poniższym artykule przyjrzymy się różnym konfiguracjom urządzeń w potrójnym aparacie i dokonamy krótkiej analizy wszystkich zalet tego rodzaju systemów i wyzwań związanych z ich implementacją.
W ostatnich dwóch latach na rynku dokonała się masowa adaptacja dwóch aparatów w telefonach komórkowych różnych segmentów od niemalże wszystkich producentów. Podwójne kamery są montowane zazwyczaj z tyłu, jednakże w niektórych smartfonach taka kombinacja gości i na przedzie urządzenia. Wykorzystywane są różne kombinacje, mające różne zadania. Jak wskazują raporty - w 2018 roku na rynku około 30% telefonów wyposażone jest w podwójną kamerę; w przyszłym roku odsetek ten wzrosnąć ma do 50%.
Jakkolwiek dodanie drugiej kamery zajęło ponad dziesięć lat, to dodanie kolejnej - trzeciej - może być już za rogiem, około rok po adaptacji rozwiązań z dwoma kamerami.
Ścieżka ku podwójnym kamerom
Grubość smartfona była zawsze największym ograniczeniem dla fotografii mobilnej. Nowoczesne kamery telefonów komórkowych muszą być coraz mniejsze - apertury są minimalizowane, piksele coraz mniejsze, ale elementy takie jak autofokus czy stabilizatory obrazu nie zmniejszają się tak, a nadal muszą zmieścić się w systemie.
Przez długi czas producenci aparatów do telefonów komórkowych borykali się z problemem jakości obrazu w warunkach niskiego oświetlenia. Wszyscy chcą uzyskiwać nawet przy minimalnym świetle wysoki SNR i dobrą rozdzielczość, a także posiadać dobry zoom. To wszystko w kamerze o grubości 6 mm.
Na ratunek przemysłowi przyszły systemy z dwoma sensorami. Moduły te produkowane były z jednym prostym założeniem w głowie: jeśli pojedynczy aparat dociera do swoich maksymalnych możliwości, to czemu by nie wykorzystać dwóch, zoptymalizowanych do różnych zadań i wykorzystać synergię takiego rozwiązania?
Pierwszym telefonem z dwoma kamerami z tyłu był HTC One (M8). Wykorzystywał on podwójny układ optyczny do uzyskiwania lepszej głębi obrazu i ostrości na zdjęciach. Była to pierwsza faza adaptacji podwójnych kamer, gdy testowano różne rozwiązania - głównie we flagowych modelach smartfonów. Testowano połączenia kamer kolorowych i monochromatycznych, kombinacje różnych ogniskowych czy dwóch takich samych aparatów dla poprawy samej głębi. Mimo to, żadne rozwiązanie nie wybiło się szczególnie spośród innych.
Sytuacja taka trwała do września 2016, gdy Apple zaprezentowało iPhone 7 Plus z dwoma kamerami z tyłu. Apple udało wybić się wykorzystując układ dwóch aparatów - szerokokątnego i sensora z teleobiektywem. Zapewniło to poprawę głębi obrazu, ale także lepszy zoom - bardzo pożądane przez rynek cechy. Od tego czasu większość flagowych smartfonów implementuje właśnie taką konfigurację. Z kolei produkty z średniej i niskiej półki nadal trwają przy systemach oferujących jedynie poprawę głębi.
Przejście do trzech kamer
Od jakiegoś czasu dwie kamery są standardowym elementem smartfonów z najwyższej półki. Mimo to nadal jest szereg architektur aparatów, które nie zostały jeszcze przetestowane na rynku i można spodziewać się ich debiutu na rynku w najbliższym czasie. Mają one zapewnić telefonom zupełnie nowe możliwości.
Jedną z tego rodzaju nowości jest tzw. złożona optyka. Dzięki geometrycznemu złamaniu drogi optycznej światła w kamerze, taki układ oferuje dużo dłuższą drogę optyczną dla światła, zanim dotrze do sensora, niż klasyczne układy. Jednocześnie nie powoduje to zwiększenia grubości tego elementu w telefonie, a nawet może umożliwić uczynienie go jeszcze cieńszym. Dłuższa droga optyczna w obiektywie pozwala na budowę aparatów o większym zoomie optycznym. Na targach OPPO w zeszłym roku prezentowano pierwszy tego rodzaju obiektyw, wyposażony w zoom x5.
Jednakże jest to tylko jedna ze ścieżek rozwoju aparatów w telefonach komórkowych. Inną jest dodanie trzeciej kamery do układu. Brzmi to jak pomysł łatwy w realizacji, jednakże wiąże się on z szeregiem wyzwań, którym sprostać muszą projektanci tych urządzeń.
Wyzwanie 1: Miejsce w telefonie i koszt implementacji.
Jak łatwo zrozumieć - trzy kamery są droższe niż dwie. Dodatkowo, taki układ zajmuje więcej miejsca w telefonie, które inaczej mogłoby być poświęcone na integrację innych funkcji, takich jak sensory podczerwieni, sensor odległości, większa bateria czy oświetlacz ze strukturyzowanym światłem.
To wyzwanie jest niemalże nie do uniknięcia, jednakże producenci modułów z aparatami do smartfonów starają się redukować ceny tak, by zmaksymalizować wartość układu. Dokładny koszt dodania trzeciej kamery jest różny, ale jak wyjaśnimy później w artykule waha się w zakresie od 10 do 30 dolarów, zależnie od konfiguracji.
Wyzwanie 2: Kalibracja
By uzyskać wysokiej jakości obrazy i niezauważalną dla użytkownika pracę oraz aby uniknąć artefaktów na zdjęciach czy konieczności długiego przetwarzania obrazów, by uzyskać pożądany efekt na zdjęciu, konieczne jest odpowiednie skalibrowanie systemu złożonego z dwóch czy więcej kamer. Kalibracja ta wykonywana musi być w ramach procesu produkcyjnego, na linii w fabryce. Dodatkowo, konieczne może być dodanie w systemie funkcji, pozwalających na samodzielną kalibrację telefonu po tym, gdy system wizyjny uległ rozkalibrowaniu na skutek zmian temperatury czy mechanicznych ruchów telefonu, np. po upadku.
Konieczność kalibracji aparatów i synchronizacji klatek w systemie jest złożonym wyzwaniem dla producentów tych systemów, jak i producentów samych telefonów. Aby możliwa była kalibracja wszystkich trzech sensorów naraz, konieczne jest odpowiednie zaprojektowanie procesu produkcji telefonu tak, aby szybkość i łatwość kalibracji była możliwe wysoka, gdyż wszystkie problemy z kalibracją w fabryce przekładają się na zwiększony całkowity koszt produkcji urządzenia.
Wyzwanie 3: Firmware, algorytmy i zużycie mocy
Bardziej złożony system - z trzema kamerami - oznacza także bardziej złożony firmware telefonu. Z punktu widzenia procesora telefonu kamery te muszą działać jako jedno urządzenie. Zarządzanie mocą, dostęp do pamięci czy pobieranie klatek będą wiązać się z większą ilością operacji, które przeprowadzać musi logika kontrolująca aparat w systemie. Trzy kamery oznaczają także więcej danych i równolegle prowadzonych obliczeń. Wszystko to musi dziać się w czasie rzeczywistym, więc stosowane układy muszą być bardzo wydajne.
Z drugiej strony, podobne wymagania stoją przed algorytmami. Muszą one być szybkie, a jednocześnie nie produkować żadnych artefaktów, mogących pogorszyć jakość zdjęć generowanych na podstawie obrazów z trzech kamer, przy jednoczesnym zachowaniu wysokiej odporności na niedokładność w synchronizacji poszczególnych klatek itp.
Rezultatem bardziej złożonej logiki realizującej bardziej wyzywające zadania obliczeniowe jest większy pobór mocy. Konfiguracja z trzema kamerami zdecydowanie będzie pobierała więcej prądu, co przełożyć może się na krótszy czas pracy telefonu pomiędzy ładowaniami. Problem ten musi być rozwiązany, zanim tego rodzaju systemy trafią do masowej produkcji.
Różne konfiguracje
Istnieje wiele konfiguracji, jakie wykorzystać można podczas budowy systemu złożonego z trzech kamer, jednakże tutaj zanalizujemy tylko trzy z nich, które wydają się najsensowniejsze.
Pierwszy zestaw składa się z dwóch kamer szerokokątnych i jednej z teleobiektywem. Dedykowana jest ona do wykonywania dobrej jakości zdjęć w warunkach słabego oświetlenia, ale jednocześnie oferuje dosyć dobre możliwości jeśli chodzi o zoom. Taki zestaw doskonale sprawdziłby się np. podczas robienia zdjęć na koncertach, co jest dosyć częstym wyzwaniem dla telefonów komórkowych w dzisiejszych czasach.
Możliwość ciągłego przybliżania takiej kamery wynika z poszczególnych cech użytych podzespołów:
I. Monochromatyczna kamera (I) oferuje większą rozdzielczość przestrzenną, dzięki brakowi macierzy kolorowych filtrów przed pikselami, która typowo znajduje się na matrycy kolorowej kamery. Aby uzyskać informacje o kolorze system wykorzystuje informacje z pozostałych kamer z kolorowymi sensorami.
II. Różnica w wielkości pikseli kamery monochromatycznej i kolorowej także da dodatkowe możliwości poprawy jakości obrazu podczas wykorzystywania zooma.
III. Trzecia kamera, dzięki teleobiektywowi, zaoferuje systemowi większe maksymalne przybliżenie obrazu, dzięki optyce dedykowanej do takiej właśnie pracy.
Dobra jakość zdjęć przy nikłym oświetleniu tego systemu wynika z faktu, że wszystkie trzy kamery mają dosyć dużą światłosiłę. Dodatkowo dzięki nałożeniu obrazu z kolorowej kamery (II) i kamery monochromatycznej (I) efektywnie podwajamy ilość światła, jaką udało nam się złapać systemem, co przekłada się na zwiększenie stosunku sygnału do szumu w zdjęciu.
Wadami zaprezentowanego systemu są z kolei: zwiększony pobór prądu przez trzy pracujące równolegle kamery, problemy przy niewielkim oświetleniu podczas kręcenia filmów i używaniu dużego zooma oraz opóźnienia związane z koniecznością synchronizacji trzech kamer.
Dodatkowo nie bez znaczenia jest kolejność nakładania na siebie zdjęć. Na przykład, jeśli na samej górze składanego stosu umieścimy w środku zdjęcie z kamery z teleobiektywem, to pozwoli to na gładsze przechodzenie pomiędzy małymi a dużymi przybliżeniami a także uprości składanie zdjęć z kamery monochromatycznej i kolorowej (I i II), ale niestety ograniczy możliwości związane z pomiarem głębi w środku obrazu.
Kolejna zaprezentowana konfiguracja dedykowana jest dla osób które np. dużo podróżują i często wykonują zdjęcia pejzażowe. Szerokokątny obiektyw pozwala na robienie zdjęć panoramicznych w jednym ujęciu, bez konieczności zszywania jej z kilku zdjęć, jak to robione jest obecnie. Jednocześnie aparat ten pozwala uchwycić wszystkie detale podczas robienia zdjęć z zoomem, dzięki wyposażeniu systemu w teleobiektyw.
W porównaniu z poprzednia konfiguracją ta zużywa mniej prądu, gdyż rzadko kiedy aktywne są wszystkie trzy kamery. To która jest w danym momencie załączona zależy od ustawień aparatu. I tak użytkownik chcąc przybliżyć obraz będzie bezszwowo przejmować swoją rolę. Dzięki temu także logika stojąca za obsługą tego systemu będzie prostsza, gdyż nie wymaga składania ze sobą wielu zdjęć.
Z drugiej strony, ogromnym wyzwaniem podczas projektowania tego systemu, są spore zniekształcenia obrazu, pochodzące z kamery z obiektywem rybie oko. Konieczna jest ich korekcja, by podczas przejścia z jednego obiektywu na drugi w czasie np. kręcenia filmu, całość wyglądała bezszwowo.
Trzeci przedstawiony tutaj system dedykowany jest do wykonywania zdjęć z dużym przybliżeniem, dzięki integracji kamery z zoomem optycznym 5x. Możliwe jest to dzięki złożonej optyce tego obiektywu, która zapewnia duże powiększenie bez zwiększania grubości całego urządzenia.
Pomimo dosyć słabej światłosiły układu (np. f/2.8) zdjęcia z teleobiektywu są jasne, ponieważ w systemie ze złożoną optyką do sensora dostaje się efektywnie około 2,5 raza więcej światła niż w klasycznym układzie.
Tego rodzaju układy pozwalają na bezszwowe przybliżanie optyczne na zdjęciach i filmach. Klasyczny zoom optyczny tego systemu może być w płynny sposób regulowany od 1x do 5x, a dzięki wykorzystaniu technologii wieloklatkowych i fuzji zdjęć z kilku obiektywów, efektywny zoom sięgnąć może aż 25x.
Prawo malejących przychodów
Zgodnie z prawem malejących przychodów, które mocno dotyczy systemów z wieloma kamerami, dodanie drugiej kamery pociąga za sobą największy wzrost przychodów z sprzedaży telefonu, gdyż najbardziej zwiększa funkcjonalność tego urządzenia. Dodanie trzeciej kamery nie pociąga za sobą tak dużego skoku jakościowego, dlatego konieczne jest opracowanie strategii, która zapewni użytkownikom na tyle lepszą jakość korzystania z aparatu z trzema obiektywami, że usprawiedliwi to koszt trzeciej kamery i zwiększonego poziomu skomplikowania telefonu.
Systemy z trzecią kamerą, które zaoferują lepszy zoom optyczny niż obecne układy lub lepsze radzenie sobie systemu w warunkach niewielkiego oświetlenia najlepiej rokują na szeroką adaptację rynkową w najbliższej przyszłości.
Źrodło: https://www.eetimes.com/author.asp?section_id=36&doc_id=1333134
Fajne? Ranking DIY
Do profesjonalnych są lustrzanki.
). Oni poszli trochę inną drogą i jakby jakby nie patrzeć kamera jest jedna, lecz za obiektywem (oczywiście jednym) jest pryzmat który rozdziela obraz na dwie matryce - jedna kolorowa, druga czarnobiała, obraz jest jakoś magicznie łączony w środku a efektem jest szok poznawczy, lata instaluje monitoring CCTV, zawsze jak było ciemno to była podczerwień, było czarnobiało i było fajnie, a teraz? Obraz w rozdzielczości 8k (4 razy więcej danych niż 4k), połączenie światłoczułości, koloru oraz laserowego projektora podczerwieni sprawiło, że pierwszy raz zobaczyłem zielone drzewo w środku nocy z 300m (obraz jak pod wieczór standard telefonem) a z nie całego kilometra resztę jak za dawnych lat 
przełącznik trybów nigdy nie zmienił pozycji z "auto" i aparat nigdy nie widział innego obiektywu niż ten od kompletu z pudełka... tak tu wszystkie aparaty (jako niezależne urządzenia) są pogrzebane 
