Por que e como os "pixels maiores" produzem uma imagem melhor?

Isso está saindo do anúncio de hoje do iPhone 5S, quando Phil Schiller disse que "pixels maiores" são a chave para uma imagem melhor.

1. O que isto significa?
2. É verdade ou apenas uma jogada de marketing?

Resumo rápido

Sim, pixels maiores melhoram o desempenho, sendo tudo igual, e a Apple está fazendo uma coisa boa concentrando-se no tamanho do sensor. No entanto, nesse caso, o aumento no tamanho é tão pequeno que a diferença será insignificante, provavelmente não atingindo o nível de melhoria que você pode esperar do marketing deles.

O que significam pixels maiores?

Isso se refere ao tamanho dos fotodetectores, que representam os pixels, no sensor da câmera.

Em suma, quanto mais luz atingir esses fotodetectores, mais precisamente eles poderão medir os níveis de luz, reduzindo assim o ruído. Para simplificar, o ruído é geralmente um fator na fotografia com pouca luz ou em ambientes fechados.

Existem duas maneiras de obter maiores detectores de foto em um sensor:

1. Tenha menos pixels.

2. Faça o sensor maior.

O primeiro é um trade-off contra a resolução, que pode ou não resultar em uma melhoria líquida, enquanto o segundo é um ganho geral. No iPhone 5S, eles foram com o último, o que é bom.

Sensores pequenos, como os de celulares e câmeras compactas, sofrem mais com pixels pequenos, porque, para o mesmo número de pixels, seus pixels precisam ser muito, muito menores que os das DSLRs e de outras câmeras profissionais / profissionais.

A corrida megapixel

O desejo de colocar cada vez mais pixels nos sensores das câmeras tem retornos decrescentes na resolução e começou a prejudicar - ou deixou de melhorar - a sensibilidade dos pequenos sensores nos celulares e nas câmeras compactas.

Infelizmente, isso foi motivado pela mentalidade de que "mais pixels = câmera melhor", pois a contagem de megapixels é muito fácil de comercializar. Na realidade, retornos decrescentes garantem que quanto mais pixels você adicionar, menos importante será adicionar mais, e estamos chegando ao ponto em que muitos sensores, principalmente os pequenos dentro dos celulares, nem conseguem resolver a resolução suficiente. para justificar a contagem de megapixels de qualquer maneira, devido às propriedades da lente usada e à imagem mais nítida que eles podem produzir no sensor.

Os avanços na tecnologia de sensores, como microlentes e iluminação traseira, juntamente com algoritmos de redução de ruído mais avançados, ajudaram a compensar a perda de sensibilidade devido ao aumento da contagem de pixels em um sensor tão pequeno, mas não longe o suficiente: as câmeras de celular atuais ainda barulhento em ambientes fechados e com pouca luz devido à sua pequena área de captação de luz.

É muito difícil comercializar sua câmera com base na sensibilidade ou em outros aspectos da qualidade da imagem, quando a contagem de megapixels continua sendo a principal estatística de marketing associada às câmeras digitais, por mais enganosa que seja.

Então, por que a Apple está fazendo marketing dessa maneira?

O público desinformado ainda espera que, se uma câmera melhorar, sua contagem de megapixels aumentará.

A Apple, no entanto, está lançando uma câmera "melhor" no celular, mas sem aumento na contagem de megapixels.

Tecnicamente, é uma boa ideia para a qualidade da imagem. No entanto, é difícil explicar às pessoas por que isso ocorre, quando elas são condicionadas a acreditar que a contagem de megapixels é a principal métrica para a qualidade da imagem.

O marketing da câmera do iPhone 5S dessa maneira é uma tentativa de:

1. Mude o marketing dos sensores da câmera para longe da contagem de pixels e para a sensibilidade e outros aspectos da qualidade.

2. Distraia o fato de que a contagem de megapixels, que muitas pessoas ainda assumem determina a qualidade da imagem, não aumentou.

Infelizmente, eles não são os primeiros a tentar essa mesma revolução e não serão os últimos. O mito dos megapixels está firmemente enraizado.

Nota: em resposta a alguns comentários abaixo, defino o "mito dos megapixels" como o mito de que a contagem de pixels é o principal fator que determina a qualidade da imagem e que mais pixels são sempre de melhor qualidade - não que a contagem de pixels não tenha nenhum benefício. Também inerente ao problema do mito dos megapixels é que ele se distrai de estatísticas importantes, como o tamanho do sensor, que quase nunca é mencionado em telefones celulares e câmeras compactas.

É verdade ou é uma jogada de marketing?

É tecnicamente verdade, mas neste caso a diferença é tão pequena que é insignificante.

É verdade que manter o mesmo número de pixels e aumentar cada pixel resulta em melhor sensibilidade, e foi o que eles fizeram aqui. Isso deve resultar em menor ruído (ou, se a câmera puder usar velocidades mais altas como resultado, possivelmente menos desfoque de movimento com pouca luz). Sua afirmação real de que "pixels maiores = imagem melhor" é uma simplificação disso e pode potencialmente confundir as pessoas ao pensarem que suas imagens diurnas ao ar livre também podem ser melhoradas, o que não é o caso. Mas em cenários de pouca luz, a sensibilidade aprimorada fornecerá um benefício.

No entanto , eles não os tornaram muito maiores. Com apenas um aumento de 6,6% no tamanho do sensor, qualquer ganho resultante em sensibilidade será pequeno: tão pequeno que é insignificante. Para colocar em perspectiva, uma DSLR possui um sensor de aproximadamente 500 a 900% do tamanho de uma câmera compacta. Isso resultaria em um ganho significativo de sensibilidade de vários f-stops. Um aumento de 6,6% é muito insignificante. Representa cerca de um sexto de um ponto f.

Portanto, é uma espécie de manobra de marketing também. Para obter ganhos significativos, eles teriam que aumentar muito mais o tamanho do sensor. Também é uma manobra de marketing, porque anteriormente o marketing deles se concentrava na contagem de megapixels, e agora eles mudaram o modo de comercializar porque optaram por não aumentar a contagem de megapixels e ainda querem se gabar de que melhoraram a câmera .

Em teoria, ter mais pixels menores é melhor do que ter menos pixels grandes.

Um pixel pequeno captura menos fótons e, portanto, sua saída é mais barulhenta, mas, ao coletar mais amostras, o ruído é medido em média, através de uma nova amostragem simples, você pode simular o resultado de um sensor com menos pixels maiores.

Mas você pode fazer melhor do que simplesmente combinar o resultado de pixels maiores. Mais pixels pequenos capturam mais informações. Pixels grandes informam quantos fótons caíram em uma área de 5µm x 5µm. Pixels pequenos também informam quantos fótons caíram nessa mesma área, mas também podem revelar quantos caíram na região superior esquerda 25µm x 25µm, na região inferior direita 25µm x 25µm etc. essa informação extra pode ser usada para reamostragem mais inteligente, produzindo menos ruído imagens mais detalhadas com a mesma resolução que uma câmera com pixels maiores e mais sensíveis.

Na prática, as coisas nunca são iguais. Quando o ruído de leitura é levado em consideração, a leitura dos valores de 4 pixels menores significa tomar a penalidade do ruído de leitura quatro vezes, resultando em maior ruído nas sombras e menor DR. Isso não deve ser um problema com os sensores Sony Exmor mais recentes, com ruído de leitura ultrabaixo, mas pode ser a razão pela qual a Canon, desde 2013, não produziu um corpo com mais de 22MP).

Pixels não são entidades planas. Normalmente, a parte fotossensível fica na parte inferior, com os componentes eletrônicos nas camadas acima. Isso torna os pixels um pouco como um poço. Quando você torna os pixels muito pequenos, a proporção de área fotossensível diminui e a profundidade do poço e a proporção de sua largura fica muito maior, reduzindo o número de ângulos pelos quais ele pode receber luz e, portanto, a sensibilidade.

É aqui que eles estão com os sensores da câmera do telefone; eles não podem aumentar o número de pixels sem sacrificar seriamente a fração de preenchimento e a eficiência angular; portanto, para tentar atrair os consumidores, eles estão reduzindo o número de pixels. A melhor solução é aumentar o sensor, mas isso exigiria uma lente maior e não permitiria um corpo super fino que vende muitos telefones.

Também há desvantagens em ter menos pixels maiores. A frequência de amostragem reduzida leva ao aumento do moiré, exigindo filtros anti-alias mais fortes, exacerbando o problema da resolução reduzida. Uma taxa de amostragem mais baixa também leva a mais erros de demosaicing.

Infelizmente, o mantra "pixels pequenos ruins" é aplicado em tamanhos de formato e está fazendo com que os fabricantes de câmeras se tornem relutantes em melhorar a qualidade, aumentando a contagem de pixels, pois a "sabedoria convencional" é que é uma má idéia e torna as imagens mais ruidosas, mais propensas à câmera tremer e requer lentes melhores (cada um desses pontos é falso).

A idéia principal aqui é que um sensor maior produz uma imagem melhor (se os sensores usarem a mesma tecnologia). O que a Apple fez foi aumentar o tamanho do sensor e, mantendo o mesmo número de pixels, cada pixel terá uma relação sinal / ruído mais alta, resultando em uma imagem melhor.

É tudo sobre capturar a luz que entra com a maior precisão possível.

É bastante simples: com uma superfície maior (por pixel), você captará mais luz e poderá fazer uma representação mais precisa dessa luz no resultado final.

É verdade que as fotos serão melhores, mas apenas 15% por pixel não é espetacular. Portanto, é marketing também. A Nokia fez uma coisa semelhante com o PureView. Reduzir a amostragem de 41 megapixels para 5-10 megapixels também diminuirá drasticamente os níveis de ruído. O PureView da Nokia será superior a isso, se você me perguntar.

Há duas vantagens principais em criar pixels maiores:

1. pixels maiores coletam mais luz, para que o sensor seja mais sensível. Isso significa que, em condições de pouca luz, você pode fotografar com ISO baixo e com baixo ruído.

2. com grandes aberturas (por exemplo, f / 2.2) e com pouco sensor, muitos raios de luz interagem aleatoriamente com diferentes pixels desfocando sua imagem. E isso diminui a resolução.

No entanto, mesmo se estamos desmistificando o mito bem conhecido do mega pixel, estamos generalizando "quanto maior, melhor" a verdade sobre os sensores. É claro que o que foi dito acima é verdadeiro, mas o desempenho de uma câmera depende de muitos outros fatores. Para projetar uma imagem em um sensor maior, mantendo uma curta distância entre a lente frontal e o sensor (como o iPhone precisa), você precisa de mais lentes e, se a qualidade de uma dessas lentes não for boa, todo o desempenho do sistema será pior. Portanto, "Pixels maiores = melhor imagem" é mais um slogan do que uma lei.