Что такое компьютерная фотография и как она работает?

Компьютерная фотография использует программное обеспечение для цифрового улучшения фотографий. Он делает это разными способами и чаще всего используется в смартфонах. Фактически, вычислительная фотография во многом объясняет, почему камеры смартфонов сейчас так хороши, особенно по сравнению с гораздо более крупными и дорогими камерами.

Давайте посмотрим, что включает в себя вычислительная фотография и как она используется для улучшения изображений.

Как компьютерная фотография улучшает изображения?

Традиционно каждая фотография создается с помощью двух основных процессов. Во-первых, есть оптический компонент, который включает в себя объектив, датчик камеры и настройки, а затем есть обработка изображения. Обычно обработка изображения происходит после того, как фотография сделана, при проявке пленки или манипулировании изображением с помощью программного обеспечения, такого как Photoshop.

Напротив, вычислительная фотография происходит автоматически, параллельно с фактическим захватом фотографии. Например, когда вы открываете камеру своего смартфона, уже происходит несколько вещей, в том числе анализ цвета локальной области и обнаружение объектов, таких как лица, в кадре. Эти процессы происходят до, во время и сразу после фотографирования и могут значительно улучшить его качество.

Итак, каковы некоторые функции компьютерной фотографии?

Укладка изображений

Наложение изображений – это когда несколько изображений объединяются, чтобы сохранить лучшие качества каждого из них. Смартфоны используют это очень часто, особенно при съемке фотографий с высоким динамическим диапазоном (HDR). Камера очень быстро делает последовательные изображения, каждый раз немного изменяя экспозицию. Сложив изображения друг на друга, можно сохранить детали самых светлых и самых темных участков изображения.

Это особенно полезно для сцен, в которых есть как яркие, так и темные участки. Например, вы можете фотографировать город с ярким закатом за ним. Наложение изображений позволяет вашему телефону правильно отображать как солнце, так и темный город, позволяя получить яркое и детальное изображение.

Биннинг пикселей

Проблема со смартфонами заключается в том, что их датчики камеры должны быть очень маленькими, а это означает, что для датчика с высоким разрешением пиксели также должны быть очень маленькими. Например, один из сенсоров Samsung S21 имеет размер 64 мегапикселя и 1,76 дюйма в диаметре. Это соответствует размеру пикселя 0,8 микрометра – более чем в пять раз меньше, чем у большинства пикселей DSLR, что является проблемой, поскольку меньшие пиксели пропускают меньше света, чем большие пиксели , что приводит к более низкому качеству изображений.

Объединение пикселей позволяет избежать этой проблемы, объединяя информацию о соседних пикселях в один пиксель. Таким образом, четыре соседних пикселя станут одним. Проблема заключается в том, что максимальное разрешение падает на четверть (так, 48-мегапиксельная камера дает 12-мегапиксельное изображение). Но когда дело доходит до качества изображения, компромисс обычно стоит того.

Смоделированная глубина резкости

Вы заметите, что изображения со смартфонов обычно показывают все более или менее в фокусе, включая фон кадра. Причина этого носит немного технический характер, но в основном, поскольку сенсор смартфона настолько мал, а диафрагма объектива обычно фиксированная, каждый снимок имеет большую глубину резкости .

Для сравнения, изображения с высококлассных камер, таких как зеркальные фотоаппараты, часто имеют очень мягкий расфокусированный фон, что улучшает общее эстетическое качество изображения. Для получения такого результата можно манипулировать объективами и датчиками высококлассных камер.

Смартфоны вместо этого используют программное обеспечение для достижения этого эффекта. Некоторые телефоны имеют несколько линз, которые делают снимки переднего и заднего плана одновременно, в то время как у некоторых есть программное обеспечение, которое анализирует сцену на предмет объектов и их краев и искусственно размывает фон.

Иногда этот процесс работает не очень хорошо, и смартфон не может правильно уловить края, размывая части человека или объекта на заднем плане и приводя к некоторым интересным фотографиям. Но программное обеспечение становится все более сложным, что приводит к отличным портретным фотографиям со смартфонов.

Цветокоррекция

Практически у каждой камеры есть опция цветового баланса. В настоящее время большинство камер могут делать это полностью автоматически. Камера получит информацию о температуре цвета в сцене и определит, какое освещение является обильным. Это теплое оранжевое сияние заката или ярко-синее люминесцентное освещение в помещении? Камера примет эту информацию и соответствующим образом отрегулирует цвета на фотографии.

Повышение резкости, шумоподавление и управление тоном

Чтобы улучшить качество изображений, многие смартфоны применяют к фотографии различные эффекты, включая повышение резкости, шумоподавление и управление тоном.

• Повышение резкости выборочно применяется к сфокусированным участкам изображения.
• Подавление шума устраняет большую часть зернистости, которая возникает в условиях низкой освещенности.
• Манипуляция тоном похожа на применение фильтра. Он изменит тени, блики и средние тона фотографии, чтобы придать ей более привлекательный вид.

Использование для компьютерной фотографии

Компьютерная фотография позволила сделать некоторые удивительные вещи возможными на маленьких, ненавязчивых камерах наших смартфонов.

Ночная съемка

Использование наложения HDR-изображений для многократной экспозиции сцены позволяет смартфонам делать четкие высококачественные изображения при слабом освещении.

Астрофотография

Некоторые телефоны, такие как Google Pixel 4 и выше, включают режим астрофотографии. Например, Pixel 4 делает 16 15-секундных выдержек. Длинная выдержка позволяет сенсору телефона улавливать как можно больше света, в то время как 15-секундная выдержка недостаточна для того, чтобы движение звезд привело к появлению полос на полученной фотографии.

Затем эти изображения объединяются, артефакты автоматически удаляются, и в результате получается великолепное изображение ночного неба.

Портретный режим

Благодаря возможности имитации глубины резкости смартфоны могут делать великолепные портретные фотографии, в том числе селфи. С помощью этого параметра можно также изолировать объекты в сцене, добавив фону не в фокусе.

Панорамные режимы

Как и HDR, другие формы фотографии включают объединение нескольких изображений. Режим панорамы, включенный в большинство смартфонов, включает в себя съемку нескольких фотографий, а затем программное обеспечение, соединяющее их вместе, где они встречаются, чтобы создать большую фотографию.

Некоторые камеры включают в себя действительно интересные версии этого. Например, в некоторых дронах, таких как Mavic Pro 2, есть опция сферического фото. Дрон сделает серию фотографий и соединит их вместе, чтобы создать нечто похожее на миниатюрную Землю.

Вычислительная фотография: маленькие сенсоры, отличные фотографии

По мере развития вычислительной фотографии камеры меньшего размера, такие как те, что используются в телефонах, дронах и экшн-камерах, будут значительно улучшаться. Возможность имитировать многие из желаемых эффектов более крупных и дорогих комбинаций камеры и объектива будет привлекательной для многих.

Автоматизация этих процессов поможет обычным людям, не имеющим опыта фотографии, делать потрясающие фотографии, а профессиональные фотографы могут не быть в восторге от этого!