Почему в вашем телефоне «конфорка» из камер: вся правда о многокамерности смартфонов

Возьмите в руки свой смартфон. А теперь переверните. Что вы увидите на задней панели? Скорее всего, не один скромный «глазок» камеры, а целый футуристический блок, напоминающий то ли пчелиные соты, то ли конфорку индукционной плиты.

Ещё лет десять назад наличие одной камеры в телефоне было нормой, а две — уже смелой флагманской фишкой. Сегодня же даже в среднебюджетных моделях можно встретить «артбатарею» на три, четыре, а то и пять объективов. У любого здравомыслящего человека возникает резонный вопрос: мы действительно дошли до такой технологической необходимости или маркетологи просто устроили гонку вооружений, чтобы было что написать на коробке и ценнике?

Ответ, как часто бывает, лежит где-то посередине. И да, производители обожают соревноваться в количестве мегапикселей и объективов, превращая презентации в парад цифр. Но если быть честным, в основе этого многоглазого монстра лежит суровая, непреклонная реальность, продиктованная законами физики. Так что — разберёмся, почему ваш телефон «смотрит» на мир сразу несколькими глазами. Спойлер: необходимости в этом параде технологий всё-таки чуть больше, чем чистого маркетинга. Иногда.

Физика — бессердечная ты…

Главная проблема, с которой сталкивается любой инженер при разработке камеры для смартфона, — его толщина. Мы хотим, чтобы наши гаджеты были тонкими, лёгкими и изящными, но законы оптики на наши желания смотрят с холодным безразличием.

Вспомните профессионального фотографа на каком-нибудь мероприятии: у него на камере висит огромный объектив-«телескоп». Когда он крутит кольцо зума, линзы внутри этой махины движутся вперёд и назад, меняя расстояние друг от друга и от матрицы.

Именно так и работает настоящее приближение или, наоборот, отдаление. Технически меняется фокусное расстояние объектива. Чем больше цифра в миллиметрах (эквивалентных референсной модели), тем уже становится угол обзора камеры, и объекты в кадре кажутся ближе без потери качества. Мы называем такое явление зумом. Чем меньше цифра, тем угол обзора шире, и в кадр помещается больше пространства.

Чтобы получить качественное приближение объекта (оптический зум), нужно физически перемещать группы линз внутри объектива. Или поменять сам объектив на тот, в котором изначально «заложено» приближение (большее эквивалентное фокусное расстояние относительно размера матрицы). Или оба варианта сразу, как в случае фотографа из примера выше.

А теперь главный вопрос: как уместить сложный механизм с движущимися линзами, подобный тому самому «телескопу», — или сменные линзы, если на то пошло, — в корпус смартфона толщиной жалкие 8 миллиметров? Правильный ответ — никак.

Именно поэтому на заре мобильной фотографии единственным способом «приблизить» что-либо был цифровой зум. Но давайте называть вещи своими именами: никакой магии в нём нет. Смартфон просто делал снимок на свою единственную камеру, а затем программно вырезал из него центральный фрагмент и растягивал до нужного размера, в лучшем случае, применяя что-то типа трилинейной фильтрации. Результат? Катастрофическая потеря качества, пиксельная «каша» и полное разочарование. Об оптическом отдалении, то есть о съёмке с более широким углом, и речи не шло.

Конечно, производители пытались хитрить. Иногда они ставили камеру с изначально меньшим фокусным расстоянием, чтобы она снимала как бы с небольшим отдалением. А затем предлагали цифровой зум до эквивалениа 35мм уже от этой точки, как «вариант по умолчанию». Но проблема качества никуда не девалась (а зум становился ещё хуже). Инженеры поняли, что пробить эту стену в лоб не получится. Пришлось искать изящный обходной путь. И они его нашли.

Этот путь оказался до смешного простым и гениальным одновременно. Если нельзя заставить одну камеру менять свои характеристики на лету, значит, нужно поставить несколько разных камер, каждая из которых будет идеально настроена под свою конкретную задачу. Раз уж законы физики обойти нельзя, их можно использовать в свою пользу.

Принцип швейцарского ножа: если нельзя сделать один инструмент, сделай много

Инженеры мобильных устройств подсмотрели решение у тех, для кого фотография — профессия. Ведь у фотографа тоже нет одного универсального объектива «на все случаи жизни». Собираясь на съёмку, он берёт с собой целый рюкзак оптики. Чтобы запечатлеть бескрайний горный пейзаж, он установит на камеру широкоугольный объектив. Для съёмки выразительного портрета с красивым размытием фона — светосильный «портретник». А чтобы сфотографировать пугливую птичку на далёкой ветке, ему понадобится тот самый длиннющий и тяжёлый телевик.

Ровно по такому же принципу устроен и ваш смартфон. Вместо того чтобы пытаться создать одну невероятно сложную, громоздкую и дорогую камеру-трансформер, которая умела бы всё, но одинаково посредственно, производители пошли по пути наименьшего сопротивления. Они установили несколько простых и компактных модулей. Без зума, но с разным фиксированным фокусным расстоянием.

И поскольку менять объективы в корпусе смартфона — затея из области очень ненаучной фантастики, каждой линзе дали свой собственный сенсор. Так на задней панели наших гаджетов и появилась та самая «святая троица» (или, реже, «несвятой квартет»), ставшая золотым стандартом современной мобильной фотографии.

Вот эти герои, которые отвечают за львиную долю ваших снимков:

• Основная камера. Наша «рабочая лошадка», универсальный солдат и камера по умолчанию. Именно она обладает самым крупным и качественным сенсором, самой продвинутой оптикой и самой светлой диафрагмой. На неё вы снимаете 90% времени: портреты, еду, котиков, документы. Её задача — делать максимально качественные снимки в большинстве стандартных ситуаций.
• Сверхширокоугольная («ширик»). Её миссия — впихнуть в кадр невпихуемое. Всю вашу огромную компанию друзей за праздничным столом, величественный собор целиком, от подножия до шпиля, захватывающую дух панораму морского побережья. Угол обзора этой камеры значительно шире, чем у человеческого глаза, что позволяет создавать впечатляющие и масштабные кадры, которые невозможно получить на основную камеру. Ценой оптических искажений по краям, с которыми борются — или не борются — специально обученные нейросети.
• Телеобъектив («телевик»). А вот и он — тот самый «честный» оптический зум, которого нам так не хватало. Хотите снять красивый архитектурный элемент на здании через дорогу без «мыла» и рассыпающихся пикселей? Смартфон больше не растягивает картинку с основного модуля. Он просто и элегантно переключается на телевик, который изначально видит мир «ближе» благодаря своему фокусному расстоянию. Если в смартфоне установлено несколько телевиков — значит, у вас есть несколько ступеней «честного» приближения, например, 3-кратное и 10-кратное.

Ассистенты и узкие специалисты: кто остальные?

Конечно, на базовой «троице» (а иногда и «квартете» с двумя телевиками) история не заканчивается. Часто на задней панели можно увидеть и четвёртый, и пятый «глазок». Обычно это уже не самостоятельные бойцы, а вспомогательные инструменты или узкоспециализированные модули, которые помогают основной команде или выполняют очень специфические задачи.

• Макро-камера. Попытка заглянуть в душу муравью, рассмотреть плетение нитей на любимом свитере или полюбоваться сложной текстурой лепестка цветка. Это отдельный, обычно очень маленький объектив, спроектированный для фокусировки с экстремально близкого расстояния в пару сантиметров. Сегодня, правда, такой модуль остался преимущественно в бюджетном сегменте. Флагманы научились делать потрясающее макро с помощью сверхширокоугольной камеры (которая умеет фокусироваться очень близко) или даже телевика («дальнее макро»), получая куда более качественный результат.
• Датчик глубины (ToF-сенсор, LiDAR). Самый необычный участник ансамбля. Строго говоря, он и не камера вовсе. Он не создаёт видимое изображение, а работает как миниатюрный радар: испускает сетку безвредных инфракрасных лучей и замеряет время их возвращения. Так он «ощупывает» пространство перед собой, создавая точную трёхмерную карту сцены. Зачем? Чтобы идеально отделить человека на переднем плане от фона и создать то самое красивое и естественное размытие (бокэ) в портретном режиме, как на профессиональной «зеркалке». Кроме того, он помогает основной камере мгновенно и точно сфокусироваться и даже улучшает работу стабилизации.
• Монохромный сенсор. Довольно редкий гость в современных смартфонах, но в своё время наделавший шуму. Это чёрно-белый сенсор, который, в отличие от цветного, не тратит вычислительные ресурсы на распознавание цветов. Зато он улавливает гораздо больше света и мельчайших деталей текстуры. Работая в паре с основной камерой, он помогал делать более резкие, детализированные и менее «шумные» снимки, особенно в условиях недостаточной освещённости. Однако технология не стоит на месте: вскоре после его появления (~2020 год) выяснилось, что современные нейропроцессоры способны программно достигать схожего результата без установки дополнительного «железа». Оказалось, что чип в SoC дешевле и эффективнее.
• Муляж. Да, и такое бывает, особенно в самых доступных устройствах от малоизвестных брендов. Чёрный кружок с пластиковой линзой, за которой скрывается… ничего. Его единственная задача — создавать видимость крутого и дорогого аппарата. Как очки-«нулёвки», которые носят исключительно для имиджа. Увы, это чистый маркетинг в его самой неприглядной форме.

Так что, больше — значит лучше?

Итак, мы разобрались, что многокамерность в смартфоне — в первую очередь не прихоть маркетологов, а изящное инженерное решение. Оно позволяет обойти суровые и непреклонные законы физики, уместив в тонком корпусе функционал целого рюкзака с фототехникой.

Но, как и везде, дьявол кроется в деталях. И здесь мы возвращаемся к вопросу о маркетинге. Полуфлагман от известного бренда с двумя, но превосходными камерами (например, основной и сверхширокоугольной) почти всегда будет снимать на порядок лучше, чем безымянный «китаец» с гордой надписью «AI Penta Camera» на блоке из пяти модулей, четыре из которых — «заглушки» для количества. Качество сенсоров, оптики и, что даже более важно, программных алгоритмов обработки изображений играет решающую роль.

Поэтому сегодня перед нами, пользователями, встаёт новый, более осознанный выбор. Мы можем слепо верить цифрам на коробке и просто считать «глазки» на задней панели. Либо мы можем научиться понимать, какая камера за что отвечает, и выбирать смартфон с тем набором модулей, который нужен именно для наших задач — будь то съёмка широких пейзажей в отпуске, портретов для социальных сетей или приближение отдалённых объектов. Третий вариант — просто заплатить за флагман, куда производитель установил целую «артбатарею» камер на все случаи жизни.

Универсальной чудо-камеры, которая в единственном экземпляре могла бы одинаково хорошо снимать и макро, и панорамы, и портреты, и удалённые объекты, в тонком корпусе смартфона пока не существует. И, скорее всего, не появится в ближайшем будущем. Инженеры, конечно, не сдаются: уже есть подвижки в создании сложных оптических модулей, где вменяемая толщина сочетается, одновременно, с OIS, оптическим зумом на смещении линз и даже переменной диафрагмой в одном пакете. Но пока что законы оптики упорно сопротивляются и продолжают диктовать свои правила. А значит, «конфорка» останется с нами ещё надолго.