Samsung S21 Ultra usa binning de pixels para tornar suas fotos melhores

Publicado em 14 de janeiro de 2021 por allan

Por que é inteligente tirar fotos de 12 megapixels com uma câmera de 108 megapixels.

Os megapixels costumavam ser muito mais simples: um número maior significava que sua câmera poderia capturar mais detalhes da foto, desde que a cena tivesse luz suficiente. Mas uma tecnologia chamada pixel binning agora está se espalhando pelos smartphones principais e está mudando as antigas regras de fotografia para melhor. Resumindo, o binning de pixels oferece uma câmera que oferece muitos detalhes quando está claro, sem se tornar inútil quando está escuro. As mudanças de hardware necessárias trazem algumas compensações e detalhes interessantes, e é por isso que estamos examinando mais de perto.

Pixel binning chegou em 2018 e se espalhou amplamente em 2020 com modelos como Samsung Galaxy S20 Ultra, Xiaomi Mi 10 e Mi 10 Pro e Huawei P40 Pro e Pro +. O binning de pixels continua por aí este ano com o Samsung Galaxy S21 Ultra. O modelo topo de linha da maior fabricante de smartphones Android possui um sensor de 108 megapixels em sua câmera principal.

Aqui está o seu guia para o que está acontecendo.

O que é pixel binning?

Pixel binning é uma tecnologia projetada para tornar um sensor de imagem mais adaptável a diferentes condições. Nos novos telefones de hoje, isso envolve mudanças no sensor de imagem que coleta a luz em primeiro lugar e nos algoritmos de processamento de imagem que transformam os dados brutos do sensor em uma foto ou vídeo. O binning de pixels combina dados de grupos de pixels no sensor para criar, na verdade, um número menor de pixels de alta qualidade.

Quando há bastante luz, você pode tirar fotos com a resolução real de um sensor de imagem – 108 megapixels no caso do Galaxy S20 Ultra e S21 Ultra. Mas quando está escuro, o binning de pixels permite que um telefone tire uma boa foto, mas de resolução inferior, que para os telefones Samsung é a ainda útil resolução de 12 megapixels que prevaleceu nos smartphones por alguns anos.

“Queríamos dar a flexibilidade de ter um grande número de pixels, bem como um tamanho de pixel grande”, disse Ian Huang, que supervisiona os produtos da LG nos Estados Unidos.

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Pixel binning é um truque?

Não. Bem, principalmente não. Ele permite que os fabricantes de telefones se vangloriem de números de megapixels que excedem o que você verá até mesmo em DSLRs e outras câmeras de nível profissional. Isso é um pouco bobo, mas o binning de pixels pode oferecer alguns benefícios reais se você quiser obter o máximo da câmera do smartphone.

Como funciona o binning de pixels?

Para entender melhor o binning de pixels, você precisa saber como é a aparência do sensor de imagem de uma câmera digital. É um chip de silício com uma grade de milhões de pixels (tecnicamente chamados de photosites) que capturam a luz que passa pelas lentes da câmera. Cada pixel registra apenas uma cor: vermelho, verde ou azul. Mas as cores são escalonadas em um arranjo especial de tabuleiro de xadrez chamado padrão Bayer, que permite que uma câmera digital reconstrua todos os três valores de cor para cada pixel, uma etapa fundamental para gerar aquele JPEG que você deseja compartilhar no Instagram.

O binning de pixels combina dados de vários pequenos pixels no sensor de imagem em um pixel virtual maior. Isso é realmente útil para situações de pouca luz, onde pixels grandes são melhores para manter o ruído da imagem afastado.

A tecnologia geralmente combina quatro pixels reais em um “compartimento” de pixel virtual. Mas o S21 Ultra da Samsung combina um grupo 3×3 de pixels reais em um pixel virtual, uma abordagem que a empresa coreana chama de nona binning.

Quando está claro e você não precisa se preocupar com ruído, a câmera pode tirar uma foto sem binning, usando a resolução total do sensor de imagem. Isso é útil para imprimir fotos grandes ou recortar uma área de interesse.

Quando você deve usar alta resolução versus binning de pixels?

A maioria das pessoas ficará feliz com fotos de baixa resolução, e esse é o padrão que meus colegas Jessica Dolcourt e Patrick Holland recomendam após testar os novos telefones Samsung Galaxy.

O maior motivo para usar o binning de pixels é o melhor desempenho em baixa luminosidade, mas também evita tamanhos de arquivo monstruosos de imagens de resolução total que podem devorar o armazenamento do seu telefone e serviços online como o Google Fotos. Por exemplo, uma foto de amostra que minha colega Lexy Savvides tirou tinha 3,6 MB a 12 megapixels com binning de pixels e 24 MB a 108 megapixels sem.

Os entusiastas da fotografia estão mais propensos a usar a resolução total quando está claro. Isso pode ajudá-lo a identificar pássaros distantes ou tirar fotos mais dramáticas da natureza de assuntos distantes. E se você gosta de imprimir fotos grandes (sim, algumas pessoas ainda fazem impressões), mais megapixels são importantes.

Um Samsung Galaxy S21 Ultra de 108 megapixels tira fotos melhores do que uma câmera profissional Sony A7r IV de 61 megapixels?

A sério? Não. O tamanho de cada pixel no sensor de imagem também é importante, junto com outros fatores como lentes e processamento de imagem. Há um motivo pelo qual o Sony A7r IV custa US $ 3.500 e só tira fotos, enquanto o S21 Ultra custa US $ 1.200 e também pode executar milhares de aplicativos e fazer chamadas telefônicas.

Os pixels do sensor de imagem são quadrados cuja largura é medida em milionésimos de metro ou mícrons. Um cabelo humano tem cerca de 100 mícrons de diâmetro. No Galaxy S20 Ultra de 2020, cada pixel tem oito décimos (0,8) de um mícron de largura. Com o binning 3×3 da Samsung, um pixel virtual tem 2,4 mícrons de diâmetro. Em um Sony A7r IV, um pixel tem 3,8 mícrons de diâmetro. Isso significa que a Sony pode captar duas vezes e meia mais luz por pixel do que o S20 Ultra com modo binning de 12 megapixels e 22 vezes mais do que no modo de resolução total de 108 megapixels – uma grande melhoria na qualidade da imagem.

No entanto, os telefones estão diminuindo a lacuna na qualidade da imagem, especialmente com a tecnologia de fotografia computacional, como combinar vários quadros em uma única foto. E os sensores de imagem em smartphones estão ficando cada vez maiores para melhorar a qualidade.

Por que o binning de pixels é tão popular?

Porque a miniaturização tornou possíveis pixels cada vez menores. “O que impulsionou o binning é essa nova tendência de pixels submicrônicos”, aqueles com menos de um mícron de largura, disse Devang Patel, gerente sênior de marketing da Omnivision, uma importante fabricante de sensores de imagem. Ter muitos desses pixels permite que os fabricantes de telefones – desesperados para fazer o telefone deste ano se destacar – se gabem de suas classificações em megapixels e vídeos de 8K. O binning permite que eles se gabem sem sacrificar a sensibilidade à luz fraca.

Os telefones precisam de sensores especiais para binning de pixels?

O sensor subjacente é o mesmo, mas uma mudança em um elemento conectado a ele, chamado de matriz de filtro de cor, muda a forma como o sensor coleta luz vermelha, verde e azul. Os tabuleiros de xadrez convencionais do padrão Bayer alternam cores para cada pixel vizinho. Mas com o binning de pixel, os sensores organizam pixels da mesma cor em grupos 2×2, 3×3 ou 4×4. (O binning de pixels é possível sem esses grupos, mas requer processamento extra, e Patel disse que a qualidade da imagem sofre um pouco.)

O Samsung Galaxy S20 Ultra usa grupos binning de 3×3 pixels. A Xioami adotou uma abordagem 2×2 diferente com o Mi 10, então as fotos têm 108 megapixels em resolução total e 27 megapixels com binning de pixels. Os modelos P40 Pro da Huawei enfatizam o desempenho em baixa luminosidade com binning de 4×4 pixels (“SedecimPixel,” nomeado para a proporção de 16: 1) para pixels virtuais com enormes 4,5 mícrons de diâmetro.

Agrupar pixels em pixels virtuais maiores funciona muito bem para hardware e software de processamento de imagem ajustados para dados de pixel padrão Bayer regulares. Mas para fotos de alta resolução, ele adiciona outra etapa de processamento de imagem (chamada remosaicking, se você estiver curioso) que constrói matematicamente um padrão Bayer de detalhes mais precisos a partir dos grupos de cores de pixel mais grosseiros realmente no sensor.

Você pode filmar cru com binning de pixels?

Os entusiastas da fotografia gostam da flexibilidade e qualidade de imagem das fotos brutas – os dados do sensor de imagem não processados, empacotados como um arquivo DNG. Para eles, o binning de pixels funciona muito bem. Mas se você quiser os dados de resolução total, desculpe. Samsung e LG não o compartilham, e software de processamento bruto como Adobe Lightroom espera um padrão Bayer tradicional, não células de pixel agrupadas em manchas 2×2 ou 3×3 da mesma cor.

Quais são as desvantagens do binning de pixels?

Para o mesmo tamanho de sensor, 12 megapixels reais teriam desempenho um pouco melhor do que 12 megapixels binned, diz Judd Heape, diretor sênior da Qualcomm, que fabrica chips para telefones celulares. O sensor provavelmente seria mais barato também. E quando você está gravando em resolução total, é necessário mais processamento de imagem, o que reduz a vida útil da bateria.

Para fotos de alta resolução, você obteria melhor nitidez com um padrão Bayer regular do que com um sensor binning usando grupos 2×2 ou 3×3 de pixels da mesma cor. Mas isso não é um problema tão ruim. “Com nosso algoritmo, somos capazes de recuperar de 90% a 95% da qualidade real da imagem Bayer”, disse Patel. Comparando as duas abordagens em imagens lado a lado, você provavelmente não perceberia a diferença fora das cenas de teste de laboratório com situações difíceis, como linhas finas.

Se você se esquecer de mudar o telefone para o modo binning e tirar fotos de alta resolução no escuro, a qualidade da imagem será prejudicada. Nesta situação, a LG tenta compensar combinando vários disparos para tentar reduzir o ruído e melhorar o alcance dinâmico, disse Huang.

As câmeras regulares também podem usar o binning de pixels?

Sim, e a julgar por alguns designs de sensores full-frame da Sony, a maior fabricante de sensores de imagem no momento, eles podem muito bem fazer isso.

Qual é o futuro do binning de pixels?

Vários desenvolvimentos são possíveis. Mais binning de 4×4 pixels pode encorajar os fabricantes de telefones a mover as resoluções dos sensores bem além de 108 megapixels. Os telefones de baixo custo também ficarão bloqueados.

Outra direção é melhor HDR, ou alta faixa dinâmica, fotografia que captura uma melhor amplitude de dados de imagem clara e escura. Sensores de telefone pequenos lutam para capturar uma ampla faixa dinâmica, razão pela qual empresas como Google e Apple combinam várias fotos para gerar fotos HDR computacionalmente.

Mas o binning de pixel significa uma nova flexibilidade no nível do pixel. Em um grupo 2×2, você pode dedicar dois pixels para exposição regular, um para uma exposição mais escura para capturar destaques como céus claros, e um para uma exposição mais clara para capturar detalhes de sombra.

A Omnivision também espera melhorias no foco automático. Hoje, cada pixel tem suas próprias microlentes projetadas para captar mais luz. Mas você também pode colocar uma única microlente sobre cada grupo 2×2, 3×3 ou 4×4. Cada pixel sob as mesmas microlentes obtém uma visão ligeiramente diferente da cena, dependendo de sua posição, e a diferença permite que uma câmera digital calcule a distância de foco. Isso deve ajudar sua câmera a manter os objetos da foto em foco nítido.

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