Александр Навагин
Пастор секты свидетелей Xiaomi, любитель металла, футбола, рыбалки, истории. Почти инженер и историк по образованию, шут по призванию, чудак по жизни

Что такое Quad Bayer и TetraCell в камере: особенности, плюсы и минусы технологии

Что такое Quad Bayer и TetraCell в камере: особенности, плюсы и минусы технологии
© El Androide Libre

Производители смартфонов вновь ввязались в гонку мегапикселей. Сначала разрешение фронталок начало расти до 20+ Мп, а затем появились основные модули на 40 Мп и больше. Размеры отдельных пикселей уже составляют менее 1 мкм, и продолжают уменьшаться. Делать такие матрицы весьма непросто, но технологии Quad Bayer и TetraCell помогают инженерам умещать все больше и больше мегапикселей.

Quad Bayer – это структура размещения светофильтров пикселей в камере, при использовании которой они группируются по 4. Соседние пиксели в квадрате 2х2 накрываются общим фильтром, пропускающим красный, синий или зеленый цвет. Термин Quad Bayer активно использует в описаниях своих модулей камер компания Sony. TetraCell – это маркетинговое название той же самой технологии, но используется оно Samsung.

Как устроена камера смартфона

Матрица камеры представляет собой массив миниатюрных сенсоров-пикселей, реагирующих на свет. Чем больше свет попадает на сенсор – тем выше значение его сигнала (0 – света нет, максимальное значение – яркий свет). Но транзисторы CMOS не умеют различать оттенки, поэтому фотография с них получится черно-белой, как с древнего пленочного фотоаппарата.

Чтобы раскрасить фотографию, массив транзисторов матрицы покрывается слоем светофильтров, пропускающих только один цвет: красный, зеленый или синий. Для того, чтобы каждый пиксель полноценно распознавал цвет, он должен состоять из трех субпикселей, каждый из которых имеет светофильтр своего цвета. Так устроены практически все современные экраны.

В случае с камерой делать пиксель из трех разноцветных субпикселей – сложно и дорого. Также, при этом, снижается светочувствительность матрицы. Поэтому каждый пиксель в составе сенсора накрывается фильтром одного цвета: красного, зеленого или синего. Светофильтры располагаются таким образом, что каждый фильтр одного цвета соседствует с ячейками другого.

Разноцветные ячейки © Wikipedia
Разноцветные ячейки © Wikipedia

При обработке фото процессор добавляет к цветовому значению каждого пикселя два других значения, полученных от соседних ячеек. Сливаясь, вместе они дают конечный оттенок, близкий к тому, что видит человеческий глаз.

Вычисление оттенка © GSMArena
Вычисление оттенка © GSMArena

Порядок расположения цветовых фильтров, при котором они всегда соседствуют с фильтрами другого цвета, и называется фильтром Байера (Bayer Filter). Назван он в честь инженера Брюса Байера, придумавшего эту структуру в 70-х.

В байеровской структуре порядок пикселей можно описать как GR-BG (Green-Red-Blue-Green), где GR – верхний ряд, BG – нижний. Зеленых светофильтров вдвое больше в связи с тем, что именно зеленый (находящийся в середине спектра видимого излучения) наши глаза воспринимают лучше всего.

Порядок Байера © Medium
Порядок Байера © Medium

При использовании структуры Quad Bayer / TetraCell порядок размещения светофильтров отдаленно выглядит точно так же, как обычный байеровский фильтр: GR-BG. Однако при ближнем рассмотрении видно, что светофильтр накрывает не один пиксель, а сразу 4, в квадрате 2х2. При этом, как и прежде, каждый из них соседствует с сенсорами другого цвета, поэтому сохраняет возможность полноценно фиксировать цвет.

Матрица в разрезе сбоку (под микроскопом). Выделенный желтым фильтр накрывает 2 ячейки. Волны внизу - микролинзы, направляющие свет от объектива на транзисторы © TechInsights
Матрица в разрезе сбоку (под микроскопом). Выделенный желтым фильтр накрывает 2 ячейки. Волны внизу - микролинзы, направляющие свет от объектива на транзисторы © TechInsights

Плюсы Quad Bayer / TetraCell в камере

Использование структуры Quad Bayer / TetraCell облегчает у удешевляет процесс производства камер. Ведь на каждые 4 пикселя используется одно большое покрытие. Для его нанесения не нужно утончать техпроцесс, потому что количество фильтров и их размеры в 48-мегапиксельной камере с TetraCell не отличаются от таковых в 12-мегапиксельной с обычным байеровским порядком. Но разрешение, при этом, вчетверо больше.

Важным преимуществом TetraCell является возможность работы камеры в режиме склейки пикселей. При дефиците света камера считывает показания 4 ячеек, накрытых красным, зеленым или синим светофильтром, как одной большой. В итоге 4 пикселя, каждый размером 0,8 мкм (такие используются в Sony IMX586, Samsung S5KGM1, S5KGD1), создают подобие одного большого 1,6 мкм. Поэтому при слабом освещении камера с Quad Bayer фотографирует лучше, чем матрица такого же размера и разрешения, но с обычной байеровской системой.

Режим склейки © baomoi.me
Режим склейки © baomoi.me

В свете последних тенденций очень важной является способность камер со счетверенными светофильтрами снимать фото в режиме «однокадрового HDR». Им не нужно снимать два фото с разной выдержкой и склеивать для расширения динамического диапазона, как при обычном HDR. Ведь можно заставить соседние транзисторы одно цвета снимать с разной выдержкой, например, четные с короткой, а нечетные – длинной. Это повышает четкость снимков и облегчает их обработку процессором.

Однокадровый HDR © Les Numériques
Однокадровый HDR © Les Numériques

Расположение светофильтров по схеме Quad Bayer / TetraCell способствует снижению шумности. Сравнивая значения соседних транзисторов одного цвета (которые не могут сильно отличаться), камера ликвидирует артефакты (яркие точки, видные в 100% масштабе).

Минусы Quad Bayer / TetraCell

Несмотря на повышение разрешения и борьбу с артефактами, фотокамеры с Quad Bayer / TetraCell склонны к графическим дефектам иного рода. Их пиксели физически имеют меньший размер, и несмотря на изоляцию (технология ISOCELL), больше подвержены влиянию взаимных шумов и засветки. Поэтому детализация снимка, снятого на 48 Мп камеру с Quad Bayer, будет не в 4 раза выше, чем на 12 Мп того же размера, а меньше.

Еще одним недостатком TetraCell является меньшее количество пикселей других цветов, с которыми соседствует каждая ячейка. В обычной байеровской структуре каждый зеленый пиксель соседствует с двумя красными и синими, а красный и синий – с четырьмя других цветов (зеленого и синего или красного). В структуре Quad Bayer таковых вдвое меньше. Поэтому для корректной передачи цвета требуются более сложные алгоритмы обработки снимка.

Алгоритм обработки © DPReview
Алгоритм обработки © DPReview

Специфика устройства камер со структурой Quad Bayer / TetraCell делает их весьма интересным решением. С одной стороны, такие сенсоры способны давать высокое разрешение фотографий при хорошем освещении. Как ни крути, но когда света хватает, то 40 Мп – это лучше, чем 10. С другой же – они также могут превращаться в аналог полноценной камеры меньшего (вчетверо) разрешения, оборудованной большими пикселями. Как итог, производители смогли добиться и повышения детализации днем, и сохранения четкости и светочувствительности вечером или в помещении. Без использования счетверенной структуры это было бы невозможным.