Derfor kan færre pixel give bedre billeder

Af Peter Hyldahl, Alt om Data

Denne artikel er oprindeligt bragt på Alt om Data. Computerworld overtog i november 2022 Alt om Data. Du kan læse mere om overtagelsen her.

Nokia vil give verden et chok og løfte fanen himmelhøjt for at sige: Vi findes stadig! Derfor lancerede den tidligere mobilgigant sidste år en smartphone, hvor det indbyggede kamera kunne prale af ikke mindre end 41 millioner billedpunkter. Nokia Pureview 808 var et statement, men var det også et kæmpe skridt fremad for fototeknologien, og var de ”normale” digitalkameraer med mellem en halv og en hel snes megapixel pludselig blevet til noget, der kun kan vises frem på et fotomuseum?
Her vil vi prøve at dykke ned i pixel-ræset og kravle helt ned i det indre af kameraernes lysfølsomme billedchip – også kaldet ccd’en (charge coupled device).

Det samme – og så alligevel ikke ...

Basalt set fungerer en ccd i en lille smartphone og en tilsvarende billedchip i et større kamera helt ens. Begge steder benyttes en halvlederteknik, som man kender fra en almindelig chip i en computer. Ccd’en virker fotoelektrisk og vil opfatte lys som partikler, fotoner. Når fotoner rammer et af ccd’ens billedpunkter, vil det skabe en elektrisk ladning, som river elektroner løs fra halvledermaterialet. Disse elektroner opsamles ved hjælp af en påført spænding i en såkaldt ”brønd”, hvorefter de kan omdannes til en spænding.

Spændingen omdannes til digitale værdier i en digital-konverter. Denne konverter kan variere i kvalitet, og her er vi ved det første punkt, hvor der kan opstå kvalitetsforskelle.

Nogle ccd’er har en 8-bit-konverter, som opdeler spændingerne fra billedpunkterne i 256 talværdier. Det giver et grovkornet billede, men billedets data fylder ikke så meget i hukommelsen. I de mere moderne ccd’er anvendes de finere 16-bit-konvertere, som opdeler spændingerne i hele 65536 forskellige niveauer.

Det siger sig selv, at bearbejdningen af en 16-bit-konvertering kræver langt mere end en 8-bit-konvertering. Og det kræver efterfølgende mere af den billedprocessor, som skal omdanne alle værdierne til et færdigt billede i kameraets hukommelse. Billedprocessoren i et godt digitalkamera er næsten altid bedre og kraftigere, end den du finder i en smartphone. Alene af den grund leverer digitalkameraets bedre billeder.

Hver pixel har sin egen linse

Men den helt afgørende forskel på en smartphone og et digitalkamera er størrelsen på billedsensoren – hvilket også vil sige størrelsen på hver enkelt pixel.

En billedsensor i et digitalkamera har måske en størrelse på 24 x 36 millimeter og indeholder 18 millioner pixel. Mange smartphones kan i dag bryste sig af ligeså mange pixel – eller flere – på en enkelt chip, men hele chippen er måske kun en tiendedel så stor som chippen i et ”rigtigt” kamera. Det betyder, at hver enkelt pixel i smartphonekameraet er ekstremt lille, og det giver en lang række ulemper.

Et af problemerne, når der tages billeder, er, at lysindfald fra en skæv vinkel ikke kan nå ned gennem objektivet og belyse alle pixel lige meget. Man kan forestille sig et rør med en billedsensor i bunden. Kommer lyset ikke lige ovenfra, vil kun noget af lyset nå bunden.

I et digitalkamera løses denne udfordring ved at give hver enkelt pixel sin egen mikrolinse, altså en lille buet linse, der opfanger fotonerne fra de skæve vinkler og fordeler dem jævnt ud over billedpunktet. I dag kan man lave disse mikrolinser, så der ikke er nogen overgang mellem hver pixel. Det er vigtigt, da overgange giver mørke områder, og det er lig med støj i et digitalt billede.

Denne mikrolinse kan man ikke få plads til over billedpunkterne på den kompakte ccd i et smartphone-kamera. Det betyder, at billedpunkterne ikke bliver belyst jævnt. Hver pixel får ikke al den information, den har brug for, og det betyder mere støj i billedet.

Det kan også føre til, at farverne ikke gengives korrekt, for hvis den enkelte pixel ikke får lys nok, kan den ikke videresende information om lystes farve og styrke, kameraet må interpolere, det vil sige gætte sig til lysinformationen.

På store fotosensorer med mikrolinser i digitalkameraer har man det omvendte problem, da sensoren ofte får mere information, end den reelt har brug for. Her skal der så frasorteres information, men det har normalt ingen betydning for billedkvaliteten.

I praksis har du måske selv oplevet det, vi beskriver her. Tager du billeder under gode lysforhold med din smartphone, vil resultatet være ganske udmærket. Men så snart du har ringe lysforhold, hvor der er stor kontrast mellem lys og skygge i samme motiv, bliver billedkvaliteten drastisk forringet. Her vil et godt digitalkamera klare sig langt bedre. Det formår at håndtere de store kontraster bedre, fordi billedsensoren får langt mere fyldig og mere korrekt information om motivet.

Større objektiv spiller ind

Ud over en bedre fotosensor har et godt digitalkamera også et større objektiv, der tillader større lysgennemstrømning. Det har den betydning, at fotosensoren får flere fotoner at ”opsamle”. Den bliver overdynget med information. I en smartphone er der kun plads til et beskedent objektiv, hvor lysgennemstrømningen er yderst begrænset. Så allerede inden fotosensoren rammes af fotoner, er den ”bagud på point” i forhold til digitalkameraet.

Det er altså ikke nok, at kamerateknologi kan lave et utrolig ”finkornet” billede. For dette billede er jo ikke meget værd, hvis farverne er forkerte, og hvis dele af billedfeltet er underbelyste. Digitalkameraet har altså stadig et forspring, hvis man ønsker at få det bedst mulige billede i enhver situation.

Om det holder stand på længere sigt, er dog slet ikke sikkert. Udviklingen i den kompakte fototeknik går meget stærkt, så inden længe er der ikke så mange argumenter for at købe et billigt digitalkamera. Den udvikling har forbrugerne allerede opdaget. Den billige ende af kameramarkedet trues i dag alvorligt af smartphonen.

”Hvis lysforholdene er dårlige, kan en smartphone med en meget lille billedsensor ikke tage gode billeder.”