Mengapa dan bagaimana "piksel yang lebih besar" membuat gambar yang lebih baik?

Ini keluar dari pengumuman iPhone 5S hari ini, ketika Phil Schiller mengatakan bahwa "piksel yang lebih besar" adalah kunci untuk gambar yang lebih baik.

1. Apa artinya ini?
2. Apakah itu benar atau hanya taktik pemasaran?

Ringkasan cepat

Ya, piksel yang lebih besar memang meningkatkan kinerja semua hal lain menjadi sama, dan Apple melakukan hal yang baik dengan berfokus pada ukuran sensor. Namun dalam hal ini peningkatan ukurannya sangat kecil sehingga perbedaannya dapat diabaikan, mungkin tidak sesuai dengan tingkat peningkatan yang Anda harapkan dari pemasaran mereka.

Apa arti piksel yang lebih besar?

Ini mengacu pada ukuran photodetektor, yang mewakili piksel, pada sensor kamera.

Singkatnya, semakin banyak cahaya yang mencapai sektor-sektor fotodetektor ini, semakin akurat mereka dapat mengukur tingkat cahaya, sehingga mengurangi kebisingan. Untuk mempermudah, kebisingan biasanya menjadi faktor dalam fotografi cahaya rendah atau dalam ruangan.

Ada dua cara untuk mendapatkan fotodetektor yang lebih besar pada sensor:

1. Memiliki piksel lebih sedikit.

2. Buat sensor lebih besar.

Yang pertama merupakan trade-off terhadap resolusi, yang mungkin atau mungkin tidak menghasilkan peningkatan bersih, sedangkan yang terakhir adalah keuntungan keseluruhan. Di iPhone 5S, mereka menggunakan yang terakhir, yang bagus.

Sensor kecil seperti yang ada di ponsel dan kamera saku paling menderita karena memiliki piksel kecil, karena untuk jumlah piksel yang sama, pikselnya harus jauh, jauh lebih kecil daripada yang ada di DSLR dan kamera profesional / prosumer lainnya.

Balapan megapiksel

Keinginan untuk menjejalkan lebih banyak piksel ke dalam sensor kamera telah mengurangi resolusi, dan telah mulai merusak - atau telah mengabaikan untuk meningkatkan - sensitivitas sensor kecil di ponsel dan kamera saku.

Sayangnya, itu didorong oleh mentalitas bahwa "lebih banyak piksel = kamera yang lebih baik", karena jumlah megapiksel sangat mudah dipasarkan oleh kamera Anda. Pada kenyataannya, hasil yang semakin berkurang memastikan bahwa semakin banyak piksel yang Anda tambahkan, semakin tidak penting untuk menambahkan lebih banyak, dan kami sampai pada titik di mana banyak sensor, terutama yang kecil di dalam ponsel, bahkan tidak dapat menyelesaikan resolusi yang cukup. untuk membenarkan jumlah megapiksel, karena sifat lensa yang digunakan dan gambar paling tajam yang dapat mereka hasilkan pada sensor.

Kemajuan dalam teknologi sensor seperti microlenses dan penerangan belakang, bersama dengan algoritma pengurangan noise yang lebih maju, telah menempuh beberapa cara untuk menebus sensitivitas yang hilang karena peningkatan jumlah piksel dalam sensor sekecil itu, tetapi tidak cukup jauh: kamera ponsel saat ini masih berisik di dalam ruangan dan dalam cahaya rendah karena area pengumpulan cahaya yang kecil.

Sangat sulit untuk memasarkan kamera Anda berdasarkan sensitivitas atau aspek lain dari kualitas gambar, ketika jumlah megapiksel tetap menjadi statistik pemasaran utama yang terkait dengan kamera digital, namun menyesatkan.

Jadi mengapa Apple memasarkannya seperti ini?

Publik yang belum mendapat informasi masih berharap bahwa jika kamera membaik, jumlah megapikselnya naik.

Apple, bagaimanapun, merilis kamera "lebih baik" di ponsel mereka, tetapi tanpa peningkatan jumlah megapiksel.

Secara teknis, ini adalah ide yang bagus untuk kualitas gambar. Namun, sulit untuk menjelaskan kepada orang-orang mengapa ini terjadi, ketika mereka telah dikondisikan untuk percaya bahwa jumlah megapiksel adalah metrik utama untuk kualitas gambar.

Pemasaran kamera iPhone 5S dengan cara ini adalah upaya untuk:

1. Menggeser pemasaran sensor kamera dari jumlah piksel ke arah sensitivitas dan aspek kualitas lainnya.

2. Mengalihkan perhatian dari kenyataan bahwa jumlah megapiksel, yang masih dianggap banyak orang menentukan kualitas gambar, belum meningkat.

Sayangnya mereka bukan yang pertama mencoba revolusi yang sama ini dan tidak akan menjadi yang terakhir. Mitos megapiksel sangat tertanam kuat.

Catatan: dalam menanggapi beberapa komentar di bawah, saya mendefinisikan "mitos megapiksel" sebagai mitos bahwa jumlah piksel adalah faktor utama yang menentukan kualitas gambar dan bahwa lebih banyak piksel selalu berkualitas lebih baik - bukan berarti jumlah piksel tidak memiliki manfaat apa pun. Juga melekat pada masalah mitos megapiksel adalah ia mengalihkan perhatian dari statistik penting seperti ukuran sensor, yang hampir tidak pernah dibicarakan untuk ponsel dan kamera saku.

Apakah itu benar atau itu taktik pemasaran?

Secara teknis memang benar, tetapi dalam hal ini perbedaannya sangat kecil sehingga tidak signifikan.

Memang benar bahwa menjaga jumlah piksel yang sama dan membuat setiap piksel lebih besar menghasilkan sensitivitas yang lebih baik, dan itulah yang telah mereka lakukan di sini. Ini akan menghasilkan noise yang lebih rendah (atau, jika kamera dapat menggunakan kecepatan yang lebih cepat sebagai hasilnya, kemungkinan gerakan kurang buram dalam cahaya rendah). Klaim aktual mereka bahwa "piksel yang lebih besar = gambar yang lebih baik" adalah penyederhanaan hal ini dan berpotensi membingungkan orang untuk berpikir bahwa gambar siang hari di luar ruangan mereka mungkin juga ditingkatkan, yang sebenarnya tidak demikian. Tetapi dalam skenario cahaya rendah sensitivitas yang ditingkatkan akan memberikan manfaat.

Namun , mereka belum membuat mereka jauh lebih besar. Dengan hanya peningkatan ukuran sensor 6,6%, setiap keuntungan yang dihasilkan dalam sensitivitas akan menjadi kecil: sangat kecil sehingga tidak signifikan. Untuk memasukkannya ke dalam perspektif, DSLR memiliki sensor yang kira-kira 500-900% lebih besar dari kamera kompak. Itu akan menghasilkan peningkatan sensitivitas yang signifikan dari beberapa f-stop. Peningkatan 6,6% sangat tidak signifikan. Ini mewakili sekitar seperenam dari satu f-stop.

Jadi ini semacam taktik pemasaran juga. Untuk memperoleh keuntungan signifikan, mereka harus meningkatkan ukuran sensor lebih banyak. Ini juga merupakan cara pemasaran karena sebelumnya pemasaran mereka memang fokus pada jumlah megapiksel, dan sekarang mereka telah mengubah cara mereka memasarkan karena mereka memilih untuk tidak menambah jumlah megapiksel dan masih ingin dapat membanggakan bahwa mereka telah meningkatkan kamera .

Secara teori, memiliki piksel lebih kecil lebih baik daripada memiliki piksel besar lebih sedikit.

Sebuah piksel kecil akan menangkap lebih sedikit foton dan dengan demikian outputnya lebih ribut, tetapi dengan mengambil lebih banyak sampel, rata-rata noise keluar, dengan melakukan resampling sederhana Anda dapat mensimulasikan hasil sensor dengan piksel lebih besar lebih sedikit.

Tapi Anda bisa melakukan lebih baik daripada mencocokkan hasil piksel yang lebih besar. Lebih banyak piksel kecil bersama-sama menangkap lebih banyak informasi. Pixel besar memberi tahu Anda berapa banyak foton yang jatuh katakana area 5μm x 5μm. Piksel kecil juga menunjukkan berapa banyak foton jatuh di area yang sama, tetapi juga dapat mengungkapkan berapa banyak foton jatuh di kiri atas 25μm x 25μm wilayah, kanan bawah 25μm x 25μm daerah dll. Informasi tambahan ini dapat digunakan untuk resampling yang lebih cerdas untuk menghasilkan lebih sedikit noise gambar yang lebih rinci pada resolusi yang sama seperti kamera dengan piksel yang lebih sensitif lebih besar.

Dalam praktiknya, segala sesuatunya tidak pernah sama. Ketika noise dibaca diperhitungkan, membaca nilai dari 4 piksel yang lebih kecil berarti mengambil penalti noise baca empat kali, yang mengarah ke noise yang lebih besar dalam bayangan dan mengurangi DR. Ini seharusnya tidak menjadi masalah dengan sensor Sony Exmor terbaru dengan noise baca sangat rendah tetapi mungkin menjadi alasan Canon pada tahun 2013 tidak menghasilkan bodi dengan lebih dari 22MP).

Pixel bukan entitas datar. Biasanya bagian fotosensitif di bagian bawah dengan elektronik di sekitarnya pada lapisan di atas. Ini membuat piksel sedikit seperti sumur. Ketika Anda membuat piksel sangat sangat kecil, proporsi area peka cahaya turun dan kedalaman serta proporsi lebarnya menjadi jauh lebih besar, mengurangi jumlah sudut yang dapat menerima cahaya dari dan karenanya sensitivitas.

Di sinilah mereka menggunakan sensor kamera ponsel, mereka tidak dapat meningkatkan jumlah piksel tanpa secara serius mengorbankan fraksi isi dan efisiensi sudut, maka untuk mencoba dan menarik konsumen mereka mengurangi jumlah piksel. Solusi terbaik adalah membuat sensor lebih besar, tetapi itu akan membutuhkan lensa yang lebih besar dan tidak akan memungkinkan tubuh yang sangat ramping yang menjual banyak ponsel.

Ada juga kelemahan memiliki lebih sedikit piksel yang lebih besar. Frekuensi pengambilan sampel yang berkurang menyebabkan peningkatan moire, membutuhkan filter anti-alias yang lebih kuat memperburuk masalah resolusi yang berkurang. Tingkat sampling yang lebih rendah juga menyebabkan lebih banyak kesalahan demosaicing.

Sayangnya mantra "piksel kecil yang buruk" diterapkan melintasi ukuran format dan menyebabkan produsen kamera menjadi enggan mendorong kualitas ke depan dengan meningkatkan jumlah piksel karena "kebijaksanaan konvensional" adalah bahwa itu adalah ide yang buruk dan membuat gambar lebih ribut, lebih rentan terhadap kamera goyang, dan membutuhkan lensa yang lebih baik (setiap titik ini tidak benar).

Gagasan utama di sini adalah bahwa sensor yang lebih besar menghasilkan gambar yang lebih baik (jika sensor menggunakan teknologi yang sama). Apa yang telah dilakukan Apple adalah meningkatkan ukuran sensor, dan dengan mempertahankan jumlah piksel yang sama setiap piksel akan memiliki rasio sinyal-terhadap-noise yang lebih tinggi, sehingga menghasilkan gambar yang lebih baik.

Ini semua tentang menangkap cahaya yang masuk seakurat mungkin.

Ini cukup sederhana, dengan permukaan yang lebih besar (per piksel) Anda akan menangkap lebih banyak cahaya dan dapat membuat representasi yang lebih akurat dari cahaya itu pada hasil akhirnya.

Memang benar bahwa foto akan lebih baik, tetapi hanya 15% per piksel tidak spektakuler. Jadi pemasaran juga. Nokia telah melakukan hal serupa dengan PureView mereka. Downsampling 41 Megapiksel menjadi 5-10 megapiksel juga akan secara dramatis mengurangi tingkat kebisingan. PureView Nokia akan mengawasi hal ini jika Anda bertanya kepada saya.

Ada dua keuntungan utama dari membuat piksel lebih besar:

1. piksel yang lebih besar mengumpulkan lebih banyak cahaya, sehingga sensornya lebih sensitif. Ini berarti bahwa dalam kondisi cahaya rendah Anda dapat memotret dengan ISO rendah dan juga dengan noise rendah.

2. dengan lubang besar (mis. f / 2.2) dan sedikit sensor terjadi bahwa banyak sinar cahaya berinteraksi secara acak dengan piksel berbeda mengaburkan gambar Anda. Dan ini menurunkan resolusinya.

Namun, bahkan jika kita menghilangkan mitos mega pixel yang sudah diketahui dengan baik, kita menggeneralisasikan kebenaran "semakin besar semakin baik" tentang sensor. Tentu saja bagaimana yang dinyatakan di atas adalah benar tetapi kinerja kamera tergantung dari banyak faktor lain. Untuk memproyeksikan gambar dalam sensor yang lebih besar yang menjaga jarak pendek antara lensa depan dan sensor (seperti yang harus dilakukan iPhone), Anda memerlukan lebih banyak lensa, dan jika kualitas salah satu lensa ini tidak baik, semua kinerja sistem akan menjadi yang terburuk. Jadi "Bigger Pixels = Better Picture" lebih merupakan slogan dari pada hukum.