Камера с монохромным сенсором в смартфоне: как работает, плюсы и минусы

Двухмодульная камера смартфона с монохромным сенсором – один из приемов, используемых разработчиками мобильных устройств для повышения качества изображения.

Особенно любит использовать подобную схему в своих моделях китайская компания Huawei, но и другие производители ею отнюдь не гнушаются.

Что же дает такое конструкторское решение с точки зрения качества снимка?

В чем разница между цветным и монохромным сенсорами

Чтобы понять, зачем нужен монохромный сенсор, следует уяснить принцип работы цветной цифровой съемки. RGB сенсор представляет собой пиксельную матрицу полупроводниковых светочувствительных элементов – фотодиодов.

Свет, проходящий через диафрагму камеры, попадает на каждый из них и формирует растровое изображение. Именно так работает монохромный сенсор.


Однако у фотодиодов чувствительность к свету практически не меняется в зависимости от длины волны. Во всяком случае, не настолько, чтобы имело смысл использовать эту разницу на практике.

Поэтому, чтобы получить не просто растр, а цветное, или RGB изображение, используется так называемый фильтр Байера, названный так по имени одного из сотрудников компании Kodak, наряду с Leica и Zeiss известной любому мастеру фотографии.

Он представляет собой массив светофильтров трех основных цветов: красного, зеленого и синего, накрывающий матрицу фотодиодов. Цвета чередуются, благодаря чему все три цвета равномерно распределяются по поверхности сенсора.


В результате на выходе получается три изображения, каждое в своем цвете. При дальнейшей программной обработке процессором камеры они накладываются, формируя интегральную картинку.

Следует сказать, что четкость ее оставляет желать лучшего, поэтому ее приходится дополнительно обрабатывать, чтобы получить в итоге приемлемое качество.

В процессе обработки в изображение вносятся разнообразные цветовые шумы и другие искажения. Так что итоговый результат существенно уступает полученному с монохромного сенсора.


Кроме того, несложно подсчитать, что каждый пиксель получает не более трети информации об изображении своего участка: остаток отфильтровывается.

Для интерполяции требуются данные с соседних фотодиодов, а значит, в результате для получения одного пикселя картинки требуется массив 3 на 3 светодиода, т.е., девять вместо одного монохромного.

Минимальный элемент байеровской матрицы содержит 4 элемента: красный, синий и два зеленых. Так сделано для учета специфики свойств человеческого зрения.

Однако на практике используются более сложные элементы с нерегулярным расположением пикселей, размер которых может достигать 12 или даже 24 точек.

Как это работает

При фотосъемке происходит одновременный захват изображения монохромным и RGB сенсорами. В итоге получается две картинки: одна – максимально контрастная, вторая – несущая цветовую информацию.

Чипсет смартфона производит их наложение в соответствии с алгоритмами обработки, в результате чего на выходе получается цветной снимок более высокого качества, чем при работе одним RGB сенсором.


Такая схема позволяет решить несколько дополнительных проблем. Самая серьезная из них – это недостаточная чувствительность камер в условиях слабого освещения.

Монохромный сенсор гораздо более чувствительный, поскольку на каждый его элемент попадает полный световой поток, а не отфильтрованная треть. Поэтому для ночной съемки или фотографирования интерьеров помещений подобные устройства очень хороши.


Вторая проблема – это затемнение изображения, когда объектив направлен в сторону источника света, например, заходящего солнца. В этом случае объекты заднего плана получаются почти черными. Обработка двойного изображения позволяет увеличить их четкость.

Помимо этого, дополнительный монохромный модуль способен обеспечить более качественное масштабирование в среднем диапазоне расстояний, а заодно дает отличные результаты, когда требуется получить эффект боке, например, при портретной съемке.

Есть ли недостатки?

Прямых минусов подобная схема, по большому счету, не имеет. Но двухмодульные камеры используются для решения не только проблем с резкостью и светосилой.

Другая схема предусматривает установку модулей с одинаковыми RGB сенсорами, но отличающихся по своим оптическим характеристикам.

Обычно это пара широкоугольный объектив плюс телевик, позволяющая как получать панорамные снимки, так и масштабировать объекты без потери качества, с которым сопряжено использование цифрового зума.


Использование монохромного сенсора исключает подобную возможность, поскольку оба модуля фактически работают как единая камера. Так что приходится выбирать: широкий угол обзора и увеличение удаленных объектов – или повышенная четкость и качественная съемка при плохом свете.

А если всё-таки не выбирать?

Самым логичным выходом из этой дилеммы было бы добавить в состав камеры еще и третий модуль.

Именно так и поступила компания Huawei, представив в 2018 году модель P20 Pro с трехмодульной камерой, в состав которой входит 40-мегапиксельный RGB модуль, 20 МП светосильный монохромный с диафрагменным числом f/1,6 и 8 МП телевик.

Как говорится, и овцы сыты, и волки целы. Стоит такое удовольствие недешево, однако качество полученных снимков окупает затраты – с точки зрения фотоманьяков, разумеется.

В заключение

Дополнительный монохромный модуль камеры смартфона дает отличную возможность повысить четкость получаемого изображения.


И хотя в настоящее время ведущие производители мобильных устройств, такие, как Apple и Samsung, игнорируют это решение, не исключено, что со временем они изменят свою позицию.

А пока китайцы из Huawei совместно с немцами из Leica вовсю развивают тему монохромного сенсора, угрожая в скором времени подвинуть нерасторопных гигантов с пьедестала хотя бы в сегменте камерофонов.