Zoom w smartfonie - wszystko co powinieneś wiedzieć na jego temat

Gdy producenci smartfonów zaczęli produkować urządzenia z więcej niż jednym aparatem to mobilna fotograficzna nomenklatura znacznie się skomplikowała. Sprawy nie upraszcza także stosowanie marketingowych terminów, które nie mają jasnej definicji. Powszechnie stosowany termin "zoom" nie ma z pierwotnym, fotograficznym znaczeniem wiele wspólnego. Ten artykuł powstał, aby wyjaśnić  Wam podstawowe kwestie i rozwiać wątpliwości.

Wyjaśniamy, czym jest ogniskowa, jej ekwiwalent, jakie są rodzaje obiektywów oraz czym różnią się od siebie zoom, zoom cyfrowy i hybrydowy.

Ogniskowa i kąt widzenia

Zacznijmy od podstaw, żeby na tych fundamentach zbudować wiedzę na temat bardziej złożonych pojęć.

Podstawowym parametrem określający obiektyw aparatu jest jego ogniskowa. Ogniskowa to termin odnoszący się wprost do cech fizycznych obiektywu i określa odległość od centrum soczewki do miejsca w którym zostają skupione promienie światła. W przypadku aparatu najczęściej oznacza to odległość od przedniej soczewki obiektywu do matrycy aparatu, która rejestruje obraz. Im dłuższa ogniskowa tym obiektyw musi być dłuższy, a przy tym większy i cięższy.

Ogniskowa obiektywu przekłada się wprost na jego kąt widzenia lub inaczej na stopień powiększenia obrazu. Kąt widzenia czy stopień powiększenia można wyliczyć tylko z połączenia ogniskowej z wielkością matrycy, na którą rzutowany jest obraz. Punktem odniesienia stał się najbardziej popularny format filmu 35 mm stosowany przez dziesiątki lat w aparatach analogowych. Jego odpowiednikiem w świecie cyfrowym jest tak zwana pełna klatka, czyli matryca o wielkości jednej klatki filmu analogowego 24×36 mm.

Obiektyw standardowy, szerokokątny i teleobiektyw

Obiektywem standardowym przyjęło się określać ogniskową odpowiadającą przekątnej matrycy. Dla pełnej klatki jest to dokładnie 43 mm, choć dla zaokrąglenia przyjęło się mówić o 50 mm. Obiektywy poniżej 50 mm uznawane są za szerokokątne, a powyżej 50 mm uznawane są za teleobiektywy.

Teleobiektywy z zakresu 85 – 200 mm często stosuje się w fotografii portretowej. Plastyka obrazu takich obiektywów najkorzystniej przedstawia cechy ludzkiej twarzy. Powyżej 200 mm mówimy już specjalistycznych teleobiektywach do fotografii dzikich zwierząt oraz sportu.

Najpowszechniej spotykany szeroki kąt to około 24 – 28 mm. Poniżej 20 mm mamy do czynienia z ultraszerokim kątem - kiedyś był rzadko spotykany w fotografii ze względu na trudność w korekcji zniekształceń,  a dziś jest powszechny w kamerach sportowych.

Ekwiwalent ogniskowej

Skoro kąt widzenia zależy zarówno od ogniskowej, jak i od wielkości matrycy, to aby zachować ten sam kąt widzenia, ogniskowa zmienia się wraz ze zmianą rozmiaru matrycy.

Mamy do czynienia z tak zwanym cropem – wycięciem fragmentu kadru w stosunku do matrycy pełnoklatkowej, który wpływa na powiększenie, tak jakbyśmy ciaśniej wykadrowali większe zdjęcie, zostawiając tylko jego środkowy fragment.

Aby nie uczyć się na pamięć różnych ogniskowych dla różnych rodzajów aparatów, z różnymi wielkościami matrycy, powstało pojęcie ekwiwalentu ogniskowej. To dpowiednik ogniskowej na pełnej klatce o takim samym kącie widzenia. W tym celu stosowane są przeliczniki.

Popularna w amatorskich lustrzankach mniejsza matryca APS-C ma mnożnik ogniskowej 1,6. Oznacza to, że podłączenie standardowego obiektywu 50 mm da nam taki sam kąt widzenia jak obiektyw o ogniskowej 80 mm na pełnej klatce i zamiast obiektywu standardowego otrzymamy teleobiektyw.

W aparatach Panasonic i Olympus stosowana jest matryca micro 4/3, która jest jeszcze mniejsza i jej mnożnik względem pełnej klatki wynosi 2. Oznacza to, że standardowy obiektyw 50 mm daje taki kąt widzenia jak 100 mm na pełnej klatce. Fizyczna ogniskowa obiektywu to 50 mm, ale ekwiwalent dla pełnej klatki pokrywający się kątem widzenia to 100 mm.

Taki mnożnik utrudnia produkowanie wysokiej jakości obiektywów szerokokątnych, bo żeby uzyskać dość powszechne 24 mm, obiektyw dla matrycy micro 4/3 musi mieć dość ekstremalne 12 mm ogniskowej.

Ogniskowa w smartfonach

Matryce w smartfonach są jeszcze znacznie mniejsze, choć także różnią się między sobą rozmiarami. Aby iPhone XS uzyskał ekwiwalent ogniskowej 27 mm swojego głównego aparatu zastosowano realną ogniskową 4,25 mm, a oferujący dwukrotnie powiększenie obiektyw o ekwiwalencie ogniskowej 52 mm ma faktycznie zaledwie 6 mm realnej, fizycznej ogniskowej. Oznacza to, że mnożnik w iPhone jest niemal dziewięciokrotny. 

Często jeden smartfon ma matryce o różnym rozmiarze, mające różne przeliczniki. Dlatego w smartfonach mówimy wyłącznie o ekwiwalencie ogniskowej, który jest wspólnym mianownikiem intuicyjnie zrozumiałym dla osób związanych z fotografią.

Najczęściej spotykaną ogniskową w smartfonach jest ekwiwalent 27 mm, czyli powszechnie spotykany w aparatach szerokokątny obiektyw. Od niedawna producenci wzbogacają swoje urządzenia o ultraszeroki kąt o ekwiwalencie 13 lub 16 mm, a także o teleobiektyw. Zdecydowana większość producentów poprzestała na 52 mm, któremu bliżej do obiektywu standardowego. Huawei jako pierwszy wprowadził ekwiwalent 80 mm w P20 Pro, a następnie 125 mm w P30 Pro. Teraz dołącza do niego Oppo Reno.

Określenie dwukrotnego, trzykrotnego lub pięciokrotnego powiększenia odnosi się do ogniskowej spotykanej w smartfonach najczęściej. Skoro standardowo mamy ekwiwalent 27 mm, a teraz producenci dodali 52 mm, to mamy do czynienia z dwukrotnym powiększeniem. Odpowiednio 80 mm to trzykrotne powiększenie, bo 27 x 3 daje 81 mm ekwiwalentu ogniskowej.

Co to jest zoom?

W fotografii mianem zoom określa się obiektywy zmiennoogniskowe - to znaczy takie, w których poprzez ruchome soczewki fizycznie zmieniała się długość ogniskowej obiektywu. Zmiana ogniskowej, a więc i zmiana kąta widzenia i stopnia powiększenia odbywa się na drodze optycznej, poprzez fizyczne przesunięcie soczewek. Stąd określenie zoom optyczny.

W ogromnej większości smartfonów na rynku mamy do czynienia z kilkoma obiektywami stałoogniskowymi o różnej ogniskowej. W efekcie możemy zwiększyć lub zawęzić skokowo kąt widzenia, zmniejszyć bądź powiększyć skokowo powiększenie. Jest to odpowiednik zmiany w aparacie jednego obiektywu na drugi. Nie ma to jednak nic wspólnego z zoomem.

Najpowszechniej znanym smartfonem z zoomem optycznym jest Samsung Galaxy K zoom z 2014 roku, który przypominał aparat kompaktowy z wysuwanym obiektywem. Innym przykładem jest Zenfone Zoom ZX550 z 2015 roku. Najnowszą znaną mi realizacją zoomu optycznego do telefonu jest Hasselblad True Zoom, czyli jeden z Moto Mods, doczepiany do plecków Motorola Moto Z. Te rozwiązania bardziej przypominają aparat niż telefon i z trudem mieszczą się do większych i luźniejszych kieszeni. Najbliższy rozmiarów zwykłego smartfona był tutaj Asus, ale zakres jego przybliżenia był zaledwie trzykrotny, podczas gdy Hasselblad i Samsung oferowali x10 przybliżenie.

Co to jest zoom cyfrowy?

Zoom cyfrowy to manipulowanie powiększeniem obrazu pochodzącego z obiektywu stałoogniskowego. Zwiększanie powiększenia obrazu odbywa się poprzez kadrowanie obrazu widzianego poprzez matrycę do niższej rozdzielczości, a następnie uzupełnianie brakujących pikseli do osiągnięcia pierwotnej rozdzielczości. Brakujące piksele są wyliczane na podstawie sąsiadujących z nimi faktycznie rejestrowanymi pikselami. Ta metoda nie dodaje do obrazu żadnych dodatkowych szczegółów, co najwyżej czyni efekt interpolacji mniej drażniącym dla oka – obraz jest trochę rozmyty, ale nie ząbkowany.

Zoom cyfrowy nie różni się zasadniczo od powiększania obrazu na ekranie smartfona poprzez gest szczypnięcia - rozszerzających się dwóch palców. Przy takim powiększaniu szybko orientujemy się, że po przekroczeniu poziomu, gdy każdemu pikselowi zdjęcia odpowiada piksel na ekranie szczegółów już nie przybywa. W następnym kroku każdy piksel zdjęcia zajmuje kilka pikseli na ekranie, co nie wnosi żadnej nowej informacji, tylko czyni elementy zdjęcia większymi.

Zoom cyfrowy jest prosty do zrealizowania, ale jedyną jego zaletą jest wykadrowanie zdjęcia, co ma zwrócić uwagę na jego konkretny fragment. Zamiast udostępniać zwykłe zdjęcie i dodawać w opisie informację, że należy je sobie samodzielnie powiększyć, od razu wykonujemy tą czynność w momencie naciśnięcia spustu migawki. To jak różnica pomiędzy filtrem nałożonym na podgląd kadru na żywo w aplikacji, a filtrem dodanym później na Instargamie lub w Snapseed. W obu przypadkach efekt jest podobny, liczba szczegółów taka sama i nie wpływa to na elementy zarejestrowane przez matrycę aparatu.

Co to jest zoom hybrydowy?

Zoom hybrydowy to termin marketingowy i nie ma swojego źródła w tradycyjnej fotografii. Jako taki dla każdego producenta może znaczyć coś innego i z powodu braku punktu odniesienia nawet ciężko jest mieć o to pretensje. Wspólnym elementem dla zoomu hybrydowego ma być odróżnienie go od zoomu wyłącznie cyfrowego. Aby termin nie był przez producenta nadużyty, takie powiększenie musi wspomagać jakaś dodatkowa technologia, która poprawia jakość względem zwykłego zoomu cyfrowego.

Najczęściej oznacza to połączenie informacji rejestrowanej przez więcej niż jedną matrycę. Jeśli wybrane przez nas powiększenie znajduje się pomiędzy ogniskową jednego i drugiego aparatu, można wykorzystać informacje z obu aparatów, aby uzyskać obraz pośredni o lepszej jakości, niż zaoferowałoby samo powiększenie cyfrowe - ale nie tak dobrej jak obiektyw o takiej właśnie ogniskowej.

Gdy mamy do dyspozycji wyłącznie jeden aparat znacznie trudniej osiągnąć efekt hybrydowego powiększenia, choć są możliwości, aby obejść ograniczenia, gdy będziemy wspierać się statywem i wykonamy serię zdjęć delikatnie przesuwając matrycę mechanizmem jej stabilizacji. Wówczas uzyskamy wyższą rozdzielczość, z której będzie można później kadrować. Zdjęcia wyższej rozdzielczości niż matryca, które nie są „oszukane” zwykłą interpolacją oferują choćby Panasonic i Olympus w niektórych modelach aparatów, generując prawdziwe 80 megapikseli z 20 megapikselowej matrycy (na statywie).

Ponieważ zoom hybrydowy nie ma jednoznacznej definicji najlepiej jest sprawdzić samemu dokładnie, co dany producent nam obiecuje i jaką technologię zastosował. Nie jest do końca wykluczone, że mniejsi producenci mogą użyć tego terminu w nieuprawniony sposób.

To jak działa zaawansowany aparat w smartfonie?

Spójrzmy więc na przykładowy smartfon (Huawei P30 Pro) i sprawdźmy co oferuje. Został wyposażony w trzy aparaty, z których każdy ma inną ogniskową, ale każdy z aparatów ma obiektyw stałoogniskowy. Innymi słowy zoomu optycznego tutaj nie znajdziemy!

Mamy za to aparat z:

• obiektywem ultra szerokokątnym o ekwiwalencie stałej ogniskowej 16 mm
• obiektywem szerokokątnym, najpowszechniej spotykanym w smartfonach, o ekwiwalencie stałej ogniskowej 27 mm
• teleobiektywem w konstrukcji peryskopowej, o ekwiwalencie stałej ogniskowej 125 mm

Każda z tych ogniskowych zapewnia określony kąt widzenia, czyli optyczne, a zatem bezstratne powiększanie obrazu o określonym współczynniku. W przypadku teleobiektywu jest to najdłuższy ekwiwalent ogniskowej jaki pojawił się w smartfonie o tradycyjnej, płaskiej konstrukcji. Odpowiada pięciokrotnemu powiększeniu w stosunku do standardowego aparatu. To wyjątkowo długa ogniskowa, konkretny teleobiektyw, duże powiększenie, ale nie jest to zoom. Nie w tradycyjnym rozumieniu tego słowa.

Zoom hybrydowy może wkroczyć do działania, gdy ustawimy suwakiem wartość powiększenia, która znajduje się albo pomiędzy 16 a 27 mm, albo pomiędzy 27 a 125 mm czyli na wartości pomiędzy stałymi ogniskowymi aparatów. Huawei nie precyzuje w jaki sposób realizuje pośrednie powiększenia. Deklaruje natomiast, że dwukrotne powiększenie maksymalnego powiększenia optycznego z x5 do x10, czyli z ekwiwalentu 125 do 250 mm jest realizowane hybrydowo, przy wykorzystaniu informacji z 40 megapikselowej matrycy głównego aparatu. Wszystko co jest powyżej x10 powiększenia aż do maksymalnego x50 jest realizowane wyłącznie cyfrowo, czyli przez kadrowanie i interpolację.

Terminologia może się zmienic

Terminologia, którą podałem ma wieloletnią tradycję wywodzącą się z czasów, gdy nikt nie myślał o smartfonach. Jestem jej zwolennikiem, bo jest precyzyjna i pozwala odróżnić zastosowane technologie, a one różnią się wyraźnie jakością. Dzięki takim konkretom jesteśmy w stanie odróżnić zalety i wady poszczególnych rozwiązań u różnych producentów.

Określanie teleobiektywu o określonym, stałym powiększeniu zoomem jest bardzo powszechne. Na dodatek coraz większą rolę w jakości zdjęć odgrywa oprogramowanie i algorytmy. To one pozwoliły nagiąć ograniczenia fizyczne wynikające z małych matryc i optyki zbliżając się do jakości dużych aparatów. W efekcie zdjęcie ze współczesnego smartfona i z aparatu przy zachowaniu tych samych parametrów będzie wyglądać podobnie. Pomijając aparaty z najwyższej półki, szala korzyści przechyla się coraz mocniej na stronę smartfonów, szczególnie w zdjęciach nocnych.

Wszystko to może spowodować powstanie nowej terminologii albo zmodyfikowanie rozumienia dotychczasowej. Dopóki to jednak nie nastąpi, warto jest rozumieć na czym polega różnica pomiędzy zoomem w sensie zmiennej ogniskowej, a powiększeniem cyfrowym.

Kilka fotograficznych ciekawostek:

• Im mocniej odbiegamy od standardowej ogniskowej, tym trudniej zaprojektować dobrej jakości obiektyw
• Im mocniej odbiegamy od standardowej ogniskowej, tym trudniej, aby obiektyw był bardzo jasny
• Im jaśniejszy obiektyw, tym większą musi mieć średnicę, a co za tym idzie rozmiar i wagę, a także wyższą cenę
• Teleobiektyw o długiej ogniskowej musi mieć większy rozmiar, dlatego tak trudno zmieścić go w cienkim smartfonie. Rozwiązaniem jest konstrukcja peryskopowa i ułożenie soczewek w poprzek obudowy
• Obiektywy stałoogniskowe niemal zawsze mają lepszą jakość optyczną od obiektywów zmiennoogniskowych
• Obiektywy zmiennoogniskowe mają zawsze lepszą jakość niż zoom hybrydowy, a zwłaszcza cyfrowy
• Przyjmuje się, że aby wykonać nieporuszone zdjęcie z ręki należy zastosować czas otwarcia migawki wyrażony w części sekundy odpowiadającej ekwiwalencie ogniskowej. Oznacza to, że zdjęcie z ogniskowej 16 mm wykonamy ostre już przy 1/16 sekundy, a zdjęcie z ogniskowej 125 mm wykonamy przy 1/125 sekundy
• Czas otwarcia migawki można znacząco wydłużyć dzięki stabilizacji optycznej i algorytmom – wyzwolenie migawki, gdy najmniej drży nasza ręka to efekt analizy danych z akcelerometru i żyroskopu
• Oprogramowanie ma obecnie równie duży wpływ na rozwój fotografii, co postępy w konstrukcji matryc i optyki
• Nie ma czegoś takiego jak zdjęcie niemodyfikowane i w pełni obiektywne – obraz zawsze jest interpretowany przez oprogramowanie, które podejmuje decyzje o balansie bieli, odszumianiu i innych parametrach, tak jak automat, który ustala parametry ekspozycji przed zrobieniem zdjęcia. Stopień tej modyfikacji może być oczywiście różny
• Rozstrzygnięciem dla jakości dwóch aparatów może być jedynie porównanie zdjęć w kontrolowanych warunkach, a nie porównanie ich parametrów
• Fotografia mobilna, choć ma mnóstwo ograniczeń, zaczyna przełamywać niektóre bariery niedostępne nawet dla aparatów fotograficznych właśnie dzięki oprogramowaniu