Megapixel-ræs og små objektiver

[EskeRahn]

Tabellen er opdateret i forbindelse med Nokias 808, for at konstatere at den faktisk holder sig inden for det der giver mening.

Indlæg om det er flyttet til denne tråd:

https://www.diskusjon.no/index.php?showtopic=1419208

[leirdueredet]

Tabellen er opdateret i forbindelse med Nokias 808, for at konstatere at den faktisk holder sig inden for det der giver mening.

Indlæg om det er flyttet til denne tråd:

https://www.diskusjon.no/index.php?showtopic=1419208

Jeg har opprettet en egen tråd for Nokia 808, den finnes her:

https://www.diskusjon.no/index.php?showtopic=1421231&view=findpost&p=19023748

[Simen1]

Jeg kom til å tenke på noe angående sensorstørrelse og krav om kompakte dimensjoner.

 

Når man skalerer opp sensorstørrelse så vil nødvendigvis optikken også ta mer plass. Glasset blir stadig tykkere fordi det må holde samme kurvatur med større diameter. Glass er dyrt. Yield på sensoren blir ganske brått dårligere. Begge deler gjør at prisene går ganske logaritmisk oppover når sensoren skaleres opp.

 

Store stjerneteleskoper har noe av samme utfordringen. Jo større speilet blir jo dyrere blir det. Prisen stiger logaritmisk og gjør at man i praksis deler opp speilet i flere mindre segmenter når man går over en viss størrelse. Det bedrer økonomien betraktelig og gjør samtidig større størrelser økonomisk realiserbare. Sensorer i de store teleskopene kan også være satt sammen av flere segmenter.

 

Hva om man gjør det samme med vanlige kameraer? Eller mobilkameraer? Det må jo bety lavere kostnader for en gitt samlet sensorstørrelse og mye mindre og billigere glass. Et sett med f.eks 2x2 kameraer som er litt ulikt vinklet burde kunne ta mindre plass (passe i tynnere telefoner), være billigere og kunne gi bedre bilder enn ett kamera med tilsvarende mye større sensor.

[EskeRahn]

Jeg kom til å tenke på noe angående sensorstørrelse og krav om kompakte dimensjoner.

 

Når man skalerer opp sensorstørrelse så vil nødvendigvis optikken også ta mer plass. Glasset blir stadig tykkere fordi det må holde samme kurvatur med større diameter. Glass er dyrt. Yield på sensoren blir ganske brått dårligere. Begge deler gjør at prisene går ganske logaritmisk oppover når sensoren skaleres opp.

 

Store stjerneteleskoper har noe av samme utfordringen. Jo større speilet blir jo dyrere blir det. Prisen stiger logaritmisk og gjør at man i praksis deler opp speilet i flere mindre segmenter når man går over en viss størrelse. Det bedrer økonomien betraktelig og gjør samtidig større størrelser økonomisk realiserbare. Sensorer i de store teleskopene kan også være satt sammen av flere segmenter.

 

Hva om man gjør det samme med vanlige kameraer? Eller mobilkameraer? Det må jo bety lavere kostnader for en gitt samlet sensorstørrelse og mye mindre og billigere glass. Et sett med f.eks 2x2 kameraer som er litt ulikt vinklet burde kunne ta mindre plass (passe i tynnere telefoner), være billigere og kunne gi bedre bilder enn ett kamera med tilsvarende mye større sensor.

Ja, vi har haft dette oppe før (kan ikke huske hvilken tråd). Og helt klart flere paralelle kameraer vil have en masse fordele, sålænge afstanden på (del) objektiver er så lille at den er neglibiel i sammenligning med afstand til motivet - (som det jo unægteligt er i astronomisk sammenhæng)

[Simen1]

Siden du har linken til denne tråden i signaturen din vil jeg bare spørre hva du mener om temaet nå, 6 år etter at den ble startet og 2 år etter siste aktivitet?

[EskeRahn]

Siden du har linken til denne tråden i signaturen din vil jeg bare spørre hva du mener om temaet nå, 6 år etter at den ble startet og 2 år etter siste aktivitet?

Glædeligt at se at nogle andre også stadig finder det interessant/relevant

 

Ja, jeg må jo indrømme at jeg er imponeret over at man kan få en sensor på 1/1.2" ind i et ca 2cm tykt hus som 808'eren, og tilsvarende lidt mindre i den lidt tyndere Nokia 1020.

 

Mener nu at de oprindelige pointer stadig holder, men på forunderlig vis er det lykkedes salgsfolk at gøre billeder i dårligt lys til noget 'man' ikke behøver.

 

Havde håbet at der var flere med teknisk indsigt der havde deltaget i denne tråd, da jeg stadig mener at det er et interessant og vigtigt emne, som der 'råbes' alt for lidt op om. Og jeg mangler den nødvendige ekspertise.

 

Er aktiv på gsmarena.com som moderator i deres blog, og her er det ganske tydeligt at folk flest (og mange af de der skriver artikler) i ramme alvor tror på at jo flere piksler des bedre.

 

Der er også sket meget teknisk på de år. Da tråden blev startet var tanken om et kamera der kan være i lommen, har (relativt) gode egenskaber i dårligt lys og kombineret med 20x zoom helt utænkeligt. Men det klarer F900exr jo ganske imponerende, fabelagtig hardware, men desværre noget sjusket firmware, der ikke er blevet opdateret det sidste år - noget som Fuji ellers har været flinke til.

 

Men BSI CMOS gav virkeligt et hop i muligheder.

 

Og tilsvarende var det ønsketænkning at man kunne have en FF sensor i et kompakt kamera, som man har det nu med Sony RX100(I/II)

 

Jeg ved ikke hvad der teknisk ligger bag at det i dag er muligt. Måske har man opfundet noget 'glas' med højere brydningsindeks, uden at det giver væsentlige kromatiske fejl??? Eller måske man er blevet bedre til at kompensere for disse fejl elektronisk bagefter???

 

Jeg ville ønske at flere med teknisk indsigt skrev på Akam.

Forsøgte fx også at lave tråd om det forunderlige blændeforløb på CX3 of F900exr (og muligvis alle mulige andre??) at man ikke har en jævnt faldende blændeåbning med stigende zoom. Uden at jeg fik nogen forklaring

https://www.diskusjon.no/index.php?showtopic=1517740

[Simen1]

Mener nu at de oprindelige pointer stadig holder, men på forunderlig vis er det lykkedes salgsfolk at gøre billeder i dårligt lys til noget 'man' ikke behøver.

HTC sine salgsfolk har klart å skape en tilhengerskare selv om One (M7/M8) i mine øyne er ganske oppskrytt.

 

Er aktiv på gsmarena.com som moderator i deres blog, og her er det ganske tydeligt at folk flest (og mange af de der skriver artikler) i ramme alvor tror på at jo flere piksler des bedre.

Jeg må nesten gi de litt rett i dette, med visse unntak som HTC One. Produsentene vet at piksler selger og sensorareal koster. Derfor velger de nesten konsekvent sensorer med siste og minste pikselgenerasjon. Minst mulig areal (kostnader) og flest mulig piksler (inntekter). I år kommer de aller fleste telefonkamerasensorer med ca 1,1 mikron piksler. Det gir en sammenheng mellom Mp og sensorstørrelse. Jo flere Mp, desto større sensor og større sensor gir bedre egenskaper i dårlig lys. Altså flere Mp = bedre bilder i dårlig lys.

 

Men mange har feil utgangspunkt for diskusjonene. Enten har de hengt seg opp i at flere Mp = bedre eller så har de hengt seg opp i at større piksler er bedre. Gjerne Nokia 1020-tilhengere vs HTC One tilhengere. Jeg mener ingen av de har rett. Den beste løsningen er etter min mening den gyldne middelvei.

 

Når piksler krympes så går det ut over "chief ray angle" (i mangel av norske ord). Det vil si synsvinkelen der hver piksel klarer å fange lys effektivt. Øker man blenderen til f.eks f/1,4 på 1,1 mikron piksler så vil ofte ikke pikslene klare å utnytte mer enn f/2,0 eller deromkring fordi lys med for flat vinkel enten reflekteres av sensoren eller absorberes av helt feile deler av sensoren. BSI-teknikken har forbedret chief ray angle kraftig. I dag klarer man å utnytte ganske godt f/2,0 på 1,4 mikron piksler. Det ser vi også på blendertallene som har vært brukt i telefoner de siste par årene. f/1,9-f/2,4 er helt vanlig. For 2-3 år siden var f/2,4-f/2,8 mer vanlig.

Endret 20. april 2014 av Simen1

[Simen1]

I dag mener jeg 1,4 mikron piksler kombinert med f/2 optikk er et greit utgangspukt, så kan man bare skalere opp antall Mp og dermed sensorareal til man når smertegrensen for fysisk størrelse og tykkelse.

 

Noen interessante utviklingstrekk for mobiltelefonkameraer er:

 

1. Matrisekamera (camera array). Dvs. mange kameramoduler i 1, som tar bilder samtidig. Disse kan syes sammen til et bilde med mye mindre støy enn fra en enkelt kameramodul. Faktisk bedre enn om det totale sensorarealet i matrisen var sammenhengende og under ét objektiv. Årsaken til det er at termisk støy ikke er vilkårlig, men finnes i lokale ansamlinger. Oppløsning kan også kombineres til å bli høyere, slik Oppo gjør med sine modeller 7 og 7a. Med ulik fokus på modulene kan man velge å fokusere etter at bildet er tatt, omtrent sånn HTC One M8 kan med sine to kameramoduler. Nydelige ute av fokus-områder, bokeh, er også langt mer oppnåelig fordi det er avstanden mellom de ytterste modulene som gir bokeh, ikke hver enkelt lille lysåpning på noen få mm.

 

2. Svært hurtige seriebilder (burst til buffer) kan forenkle bildestabilisering (ingen mekanikk og mekaniske tregheter) og gi mulighet for å plukke ut akkurat det riktige øyeblikket.

 

3. Flere 3D-teknologier er på trappene. Dybdeinfo kan gi mange bruksområder.

[EskeRahn]

.

.

Jeg må nesten gi de litt rett i dette, med visse unntak som HTC One. Produsentene vet at piksler selger og sensorareal koster. Derfor velger de nesten konsekvent sensorer med siste og minste pikselgenerasjon. Minst mulig areal (kostnader) og flest mulig piksler (inntekter). I år kommer de aller fleste telefonkamerasensorer med ca 1,1 mikron piksler. Det gir en sammenheng mellom Mp og sensorstørrelse. Jo flere Mp, desto større sensor og større sensor gir bedre egenskaper i dårlig lys. Altså flere Mp = bedre bilder i dårlig lys.

 

Men mange har feil utgangspunkt for diskusjonene. Enten har de hengt seg opp i at flere Mp = bedre eller så har de hengt seg opp i at større piksler er bedre. Gjerne Nokia 1020-tilhengere vs HTC One tilhengere. Jeg mener ingen av de har rett. Den beste løsningen er etter min mening den gyldne middelvei.

 

Når piksler krympes så går det ut over "chief ray angle" (i mangel av norske ord). Det vil si synsvinkelen der hver piksel klarer å fange lys effektivt. Øker man blenderen til f.eks f/1,4 på 1,1 mikron piksler så vil ofte ikke pikslene klare å utnytte mer enn f/2,0 eller deromkring fordi lys med for flat vinkel enten reflekteres av sensoren eller absorberes av helt feile deler av sensoren. BSI-teknikken har forbedret chief ray angle kraftig. I dag klarer man å utnytte ganske godt f/2,0 på 1,4 mikron piksler. Det ser vi også på blendertallene som har vært brukt i telefoner de siste par årene. f/1,9-f/2,4 er helt vanlig. For 2-3 år siden var f/2,4-f/2,8 mer vanlig.

Jeg er ganske enig. Man kan sige at uden et stort samlet sensor areal, får man ikke gode billeder i dårligt lys, men det omvendte er jo ikke nødvendigvis tilfældet, da det afgørende er hvor godt man kan lave pixelbinning.

Helst skal det være sammensmeltet med interpoleringen, gøres det rigtigt får man BEDRE billeder end uden.

Jvf denne skitse af billede af rød trakant fra gammelt indlæg i denne tråd.

1) Motivrand indtegnet på to sensorer med forskellig pixelstørrelse

2) umiddelbar sammentælling ved binning, hhv råt output

3) Med nearest neighbour interpolation

Selvfølgelig er dette motiv valgt så det bliver særligt tydeligt hvad der kan opnåes.

 

Og ja det er selvføleligt også afgørende at man er i stand til at udnytte det lys der faktisk rammer de enkelte subpixels.

 

Hvis jeg har forstået det ret, er nogle sensorer i dag lavet så de yderste er bygget til at lyset kommer skråt ind. (Særlig mikrolinseudforming antager jeg??) Det KAN være forklaringen på at man kan få så store sensorer ind i så små huse??

[EskeRahn]

I dag mener jeg 1,4 mikron piksler kombinert med f/2 optikk er et greit utgangspukt, så kan man bare skalere opp antall Mp og dermed sensorareal til man når smertegrensen for fysisk størrelse og tykkelse.

 

Noen interessante utviklingstrekk for mobiltelefonkameraer er:

 

1. Matrisekamera (camera array). Dvs. mange kameramoduler i 1, som tar bilder samtidig. Disse kan syes sammen til et bilde med mye mindre støy enn fra en enkelt kameramodul. Faktisk bedre enn om det totale sensorarealet i matrisen var sammenhengende og under ét objektiv. Årsaken til det er at termisk støy ikke er vilkårlig, men finnes i lokale ansamlinger. Oppløsning kan også kombineres til å bli høyere, slik Oppo gjør med sine modeller 7 og 7a. Med ulik fokus på modulene kan man velge å fokusere etter at bildet er tatt, omtrent sånn HTC One M8 kan med sine to kameramoduler. Nydelige ute av fokus-områder, bokeh, er også langt mer oppnåelig fordi det er avstanden mellom de ytterste modulene som gir bokeh, ikke hver enkelt lille lysåpning på noen få mm.

 

2. Svært hurtige seriebilder (burst til buffer) kan forenkle bildestabilisering (ingen mekanikk og mekaniske tregheter) og gi mulighet for å plukke ut akkurat det riktige øyeblikket.

 

3. Flere 3D-teknologier er på trappene. Dybdeinfo kan gi mange bruksområder.

Ja, jeg tror også matrix, som du har nævnt før, er den 'rigtige' løsning til et tyndt kamera, med den teknik vi har i dag.

Og kombineres de tre ting er der mange spændende muligheder.

Tænk bare en telefon/phablet med et kamera i hvert hjørne!

Det kan kombineres på så utroligt mange måder, enten med ens indstillinger eller forskellige.

Fx forskellige for HDR, eller ens for mindre støj. Skudt af en lille smule forskudt 4xN gange, må med passende beregninger kunne gøre uskarpe billeder skarpe... næsten kun fantasi (og regnekraft) der sætter begrænsningerne.

Det kunne også være endnu flere med forskellig 'fast' optik uden zoom som også ville være nyttigt til dybde info

[EskeRahn]

.

.

3) Øjets opløsningsevne i praksis

Opløsning over 1/6000 af betragtningsafstand gavner ikke

.

.

Min opmærksomhed er blevet henledt på denne artikel:

http://www.cultofmac.com/173702/why-retina-isnt-enough-feature/

Så noget tyder på at de 1/6000 der svarer til 0.57 bueminutter i hvert fald ikke er helt i skoven.

Det passer fint med DisplayMate’s Dr. Raymond Soneira, der siger 0.6 bueminutter http://www.wired.com/2010/06/iphone-4-retina-2/

Mens andre mener at det er ned mod dobbelt så fint 0.3-0.4 bueminutter

Så måske man skal bruge en grænse på 1/10000 af betragtningsafstand svarende til 0.34 bueminutter i stedet??

 

Men husk at der ikke er tale om hvad der er nødvendigt, men om hvad det i hvert fald ikke gavner at have finere.

Endret 8. september 2014 av EskeRahn

[EskeRahn]

Måske en lettere forståelig formel for Rayleigh Kritteriet for grønt lys er

 

MPixelCount < SensorArea * 2.5MPixel/mm² / F²

 

der fremkommer direkte af

1pixel/(1.220*520nm)²=2.485Mpixel/mm² eller omtrentligt 2.5Mpixel/mm²

 

Husk at de indgående 1.220 er øjets evne til at skelne Airy disks, måske det kan forbedres lidt ved elektronisk detektering??

 

Som et eksempel:

Nokia 808 har en 10.67mm×8.00mm sensor og en F2.4 linse, der indsat giver 37MPixels,

Som måske ved elektronisk detektering kan strækkes til de 41?

 

Med Lumia 1020 (8.8mm x 6.6mm og F2.2 lens) giver grænsen 30Mpixels.

 

 

 

[Simen1]

Rayleigh kriteriet gjelder for grønt lys. Det skalerer lineært med frekvensen så synlig fiolett lys vil gi inntil 2,1 ganger høyere oppløsning per areal. Siden sensorene inneholder både R, G og B kan man bruke B til å hente ut mer detaljinfo enn de R og G.

[EskeRahn]

Rayleigh kriteriet gjelder for grønt lys. Det skalerer lineært med frekvensen så synlig fiolett lys vil gi inntil 2,1 ganger høyere oppløsning per areal. Siden sensorene inneholder både R, G og B kan man bruke B til å hente ut mer detaljinfo enn de R og G.

Rayleigh kriteriet er lineært med frekvensen, ja, eller omvendt propertionalt med bølgelængden.

Der indgår altså fra 1/780nm over 1/520nm til 1/390nm, altså forholdet 2:3:4

Eller om du vil infrarød grænsen er på en faktor 2/3 af grøn, og ultraviolet grænsen på 4/3 af grøn.

 

Så altså en faktor to hele vejen fra grænsen fra infrarød til grænsen til ultraviolet.

 

Er sensor midt i det blå er det kun omtrent en faktor 120% i forhold til grøn, og altså højst en faktor 133% i forhold til grøn.

 

Ser vi på grænsen per arealenhed som jeg anvender i sidste post er det selvfølgeligt kvadratet, altså 4/9 hhv 16/9

og vi får derfor ca en faktor 140% eller 180% i grænsen.

 

Så ja HVIS kilden har dyb violet I sig OG den blå sensor virker effektivt helt op til ultraviolet-grænsen, DA kan man få næsten dobbelt så fine detaljer med.

[EskeRahn]

...En henviste mig til denne side, http://www.cambridgeincolour.com/tutorials/diffraction-photography.htm

som vældigt pædagogisk viser hvordan fænomenet ser ud i praksis, og har lavet en lille 'regnemaskine' nederst, der dog er HYPER-pessimistisk, den regner med nødvendig afstand som diameter og ikke radius på Airy disk, og det er altså ikke nødvendigt. Se på nedenstående eksempler fra samme side.

Klik for forstørrelse.

Den første er afstand svarende til diameter, den anden svarende til radius af Airy disk (vel 14.7 burde være 15, men på nær 2%...)

Bemærk at første minima på den nederste er helt henne i center af nabo-celle, og at man lige kan ane næste maksimum som en svag lys ring.

[Simen1]

Pelican imaging har en presentasjon på computional array camera. Noen av fordelene med array er:

 

- Ekstremt kompakte kamera/objektiv (f.eks 3,5mm tykt)

- Refokusering

- Dybdekart (parallaksedeteksjon)

- HDR single shot og video

- Bildestøy tilsvarende et kamera med det samlede sensorarealet fra arrayet og samme blendertall

- Superoppløsnings-syntese kan forbigå Nyquist-begrensningen

[EskeRahn]

Pelican imaging har en presentasjon på computional array camera. Noen av fordelene med array er:

 

- Ekstremt kompakte kamera/objektiv (f.eks 3,5mm tykt)

- Refokusering

- Dybdekart (parallaksedeteksjon)

- HDR single shot og video

- Bildestøy tilsvarende et kamera med det samlede sensorarealet fra arrayet og samme blendertall

- Superoppløsnings-syntese kan forbigå Nyquist-begrensningen

Ja, det er vældigt interessant! (og langt mere komplekst at regne på...)

For halvanden år siden var der rygter om at Nokia var på vej med det i en telefon i 2014

http://www.gsmarena.com/nokia_might_release_a_smartphone_with_16element_camera_lens-news-5975.php

...Men det er desværre ikke blevet virkelighed (endnu?)

[EskeRahn]

Måske en lettere forståelig formel for Rayleigh Kritteriet for grønt lys er

 

MPixelCount < SensorArea * 2.5MPixel/mm² / F²

 

der fremkommer direkte af

1pixel/(1.220*520nm)²=2.485Mpixel/mm² eller omtrentligt 2.5Mpixel/mm²

.

.

.

Man kan omskrive det lidt, med pixelgridbredde d_g til:

F < d_g / 0.634μm

(1.220*520nm=0.634μm)

Har man en pixels i et 1.14μm grid skal man altså have F1.8 eller bedre...

 

Bemærk at det ikke er bredden på selve sensor-pixel, men afstanden til nabocellen i det grid den sidder, med moderne 'bagbelyste' sensorer vil det være næsten det samme.

[Simen1]

Ræset går videre. Hvis ryktene stemmer skal Canon og Sony samarbeide om 50,6 Mp fullformatsensorer.

 

Jeg kom også over en forenklet fremstilling av sensorpriser. Jeg er overrasket over å se at sensorpriser på systemkamera er så lave som i området 40-140 dollar ASP (average sale price), mens sensorer i kompaktkamera har en ASP på 4-9 dollar. Mulig jeg leser grafikken feil, men hvis det er gjennomsnittlig salgspris for de minste og mestselgende sensorene i sin klasse så er det temmelig lavt etter min mening.

 

Lurer på om det er mulig å sette sammen to mindre sensorer for å tilsvare en større, uten at det blir mellomrom mellom de.

[vidor]

Lurer på om det er mulig å sette sammen to mindre sensorer for å tilsvare en større, uten at det blir mellomrom mellom de.

Akkurat dette har vært gjort før med standardkomponenter for å lage veldig høye oppløsninger. Tviler på det var pixel perfect. Det ville vel kreve perfekt kant-i-kant eller en spesialdesignet linse for å distribuere lyset vekk fra kantene for å ikke miste detaljer.