Hoe werkt een smartphone camera?

Een smartphone is tegenwoordig pas een smartphone als het toestel minstens 2 camera’s heeft, een hoofdcamera en selfie camera. Het belang van de camera wordt steeds groter in de keuze voor een nieuwe smartphone. Hierop spelen fabrikanten super slim in, door de kwaliteit van de camera’s elk jaar weer flink te verbeteren. In 2016/2017 is de kwaliteit van de smartphone camera al zo goed, dat je de compact camera wel thuis kan laten. Hoe werkt de smartphone camera en waar moet je dus op letten? Lees alles over de smartphone camera en hoe de smartphone camera werkt.

Hoe werkt een smartphone camera?

In de basis werkt een smartphone camera hetzelfde als een normale camera. Bij het nemen van een foto open je de camera app om vervolgens de smartphone lens scherp te stellen. Licht komt via de lens naar binnen en het diafragma bepaalt hoeveel licht er op de sensor kan vallen. De sluitertijd bepaalt hoeveel licht er op de sensor valt, terwijl de sensor de afbeelding vastlegt. Op dat moment is er alleen nog maar een verzameling van kleuren en die wordt door de beeldverwerking processor van de smartphone verwerkt tot een afbeelding. Lees hier alles over de smartphone camera en welke onderdelen de beste camera telefoons hebben.

Scherpstellen van de smartphone camera

Een mooie foto begint met goede focus (scherp stellen). Een smartphone camera stelt dankzij verschillende technieken scherp. Om een duidelijke foto te maken, moet de lens voldoende focussen op het onderwerp/object. Een smartphone (op de meest goedkope na) beschikt over autofocus. Binnen autofocus zijn verschillende technieken van belang.

Binnen de autofocus is contrast detectie het oudst en minst nauwkeurig. Het werkt door de analyse van contrast tussen pixels. Hoe scherper het beeld, hoe groter het verschil in intensiteit tussen de pixels is. De camera controleert de intensiteit tussen pixels en stelt bij aan de hand voor een vooraf geprogrammeerde waarde. Er wordt zo automatisch bijgesteld totdat een acceptabele focus wordt bereikt, die genoeg intensiteitsverschil oplevert.

Phase detection Autofocus, PDAF

Een meer nauwkeurige methode is Fase detectie, ook wel Phase detection autofocus (PDAF). PDAF is een actieve AF en maakt gebruik van verschillende methodes zoals ultrasoon of infrarood. Hiermee bepaalt de smartphone nauwkeurig de afstand tussen de camera(lens) en het onderwerp. Er wordt een puls uitgezonden door de smartphone camera en die botst op het onderwerp en weerkaatst terug naar de smartphone. Aan de hand van benodigde tijd hiervoor, bepaald de camera de afstand tot het onderwerp. Het systeem heeft iets weg van de methode die vliermuizen gebruiken bij het vliegen. Vliermuizen zenden geluiden uit en op basis van de weerkaatsing weten ze exact wat er zich voor hen afspeelt.

Dual Pixel techniek

Er is nog een techniek voor het scherpstellen, dual pixel autofocus. Een nieuwe techniek die we steeds vaker terug in smartphone camera’s. Vooral high end smartphones zijn met deze techniek uitgerust. Een mooi voorbeeld hiervan is de beste smartphone camera van 2017. De Google Pixel 2 maakt namelijk gebruik van dual pixel techniek om zeer nauwkeurig afstand tot objecten te bepalen. Dual pixel autofocus is een nieuwe vorm van fasedetectie. Het maakt gebruik van de volledige sensor en heeft dus een veel groter aantal punten om afstand te bepalen. Bij een dual pixel camera bestaat iedere pixel uit twee fotodiodes die kleine fase verschillen kunnen waarnemen en vergelijken. Een kleine misplaatsing van licht kan al worden waargenomen en ingecalculeerd voor het scherpstellen van de lens. In 2017 is dual pixel de meest effectieve manier van autofocus.
Dual Pixel tech Samsung

Smartphone diafragma

De hoeveelheid licht op de lens wordt ook beïnvloed door het diafragma. Het mechanisme dat de hoeveelheid licht bepaalt op de lens. Hiermee regel je de zogenaamde scherptediepte of het gebied dat in focus wordt weergegeven. Een diafragma dat meer is ingesloten toont een scherper algeheel beeld. Bij een grotere diafragma opening (f/1.6 in plaats van f/2.0) is er minder van het totaal beeld scherp. Tegenwoordige worden juist de grote diafragmaopeningen gewaardeerd in fotografie. Ze geven een aangenaam wazige achtergrond terwijl het onderwerp van de foto wordt benadrukt. Het fotograferen van landschapen is dan weer mooier met camera’s voorzien van een kleinere diafragma opening.

Hoe werkt het diafragma? Diafragma is de opening voor de lens die bepaalt hoeveel licht er tegelijkertijd op een lens kan vallen. Een van de beste plaatjes die het effect van diafragma op de foto toont is de onderstaande afbeelding van Daniel Peters fotoblog. We zien direct drie begrippen in beeld gebracht, diafragma (aperture), sluitsnelheid (shutter) en ISO waarde. Zoals je ziet is de opening van het diafragma groter bij een kleinere waarde.

Overzicht Diafragma, sluitersnelheid en ISO waarde

Sluitersnelheid

Niet alleen het diafragma bepaald hoeveel licht er op de lens valt. Sluitertijd is een andere belangrijker factor in het maken van een goede foto. De sluitertijd bepaald namelijk voor hoelang de sensor aan licht wordt blootgesteld. Neem je een te langzame sluitertijd, dan krijg je een wazige foto. Kies je voor een te snelle sluitertijd, dan loop je het risico om de foto onder te belichten. Gelukkig weten onze smartphones zelf precies hoeveel licht er nodig is en hoeft de gemiddelde smartphone gebruiker hier zich geen zorgen over te maken. Al is het nadeel van de automatische sluitertijd bepaling natuurlijk dat je afhankelijk bent van de kwaliteit van je smartphone. Wil je alles zelf in de hand houden? Dan kun je bij high end smartphone kiezen voor manual of Pro mode.

Hoe werkt sluitertijd? De sluitertijd wordt in tijd weergegeven van 1/1000 seconde tot 1/2 seconde waarbij de laatste natuurlijk het langst is. Hoe hoger de sluitertijd hoe sneller de camera sluiter dicht gaat en op die manier valt er minder licht op de camera sensor.

Lichtgevoeligheid of ISO

Het diafragma bepaalt dus hoeveel licht er in één keer op een lens kan vallen en de sluitertijd hoelang de lens blootgesteld wordt aan die hoeveelheid licht. Dan is er ook nog de lichtgevoeligheid van een lens. Men noemt dat de ISO waarde. ISO waarde is de waarde die aangeeft hoe gevoelig de camera sensor is op lichtval. Een hogere ISO waarde, betekent hogere lichtgevoeligheid en dat is vooral in een donkerdere omgeving prettig. De verhoogde lichtgevoeligheid geeft vervolgens wel het risico op ruis.

Hoe kies je dan zelf de juiste ISO waarde? Afhankelijk van de hoeveelheid licht kies je een hoge of lage ISO waarde. De lichtgevoeligheid loopt bijvoorbeeld van 50 tot 3200 waarbij 50 het minst lichtgevoelig is. Vanaf een ISO van ongeveer 500 zal er ruis ontstaan en wordt de foto op sommige onderdelen onscherper. Ruis is niet per definitie onaangenaam, want in sommige gevallen is deze ruis juist mooi. In de onderstaande afbeelding zie je het effect van een oplopende ISO waarde bij het fotograferen van een Apple Muis. In de linker afbeelding zie je een hoge ISO waarde en flink wat ruis. De foto rechts geeft een ISO waarde van 50 en daarmee krijg je een donker scenario.

ISO Waarde smartphone Muis

Meer pixels is beter!?

Veel mensen denken, dat een smartphone camera met meer megapixels per definitie beter is. Helaas is dat niet het geval. De beste smartphone camera’s van 2017 hebben vaak 12 megapixels terwijl er genoeg te vinden zijn met 19 megapixels tot 23 megapixels. Wat doen megapixels en waar moet je op letten? Hoe werkt het aantal megapixels bij een smartphone camera?

Hoeveel megapixels zijn nodig?

Een megapixel staat voor 1.048.576 individuele pixels en meer is beter zou je denken. Nou, niet altijd. Er is namelijk een omgekeerd verband; meer pixels betekent dat individuele pixels slechter in staat zijn om licht te verzamelen. Hoe meer megapixels een camera heeft hoe groter de lens in zijn geheel zou moet worden. Aangezien de sensoren binnen een smartphone camera niet zo heel groot zijn, zal het aantal megapixels een behoorlijke invloed hebben op de lichtopname capaciteit van individuele sensoren. Meer megapixels betekent dus, dat de individuele pixel kleiner wordt en minder goed in staat is om licht op te nemen. Daar komt nog iets anders bij. Want voor een beeld 4K UHD formaat is ruwweg 8 megapixels nodig. Terwijl een full HD videobeeld al te maken is met een 2 megapixel camera. Hieruit blijkt al wel, dat er helemaal niet zoveel pixels nodig zijn voor kwalitatieve beelden.

In de keuze voor het aantal megapixels wordt ook gedacht aan het eindresultaat. Want reden dat veel fabrikanten voor een 12 megapixel resolutie kiezen, heeft te maken met het ouderwetse foto formaat. Beelden in deze resolutie zien er namelijk het mooist uit op een 5 x 7 foto in 300 DPI printkwaliteit. Apple en Google kiezen daarom beide voor camera’s die foto’s maken in van 3000 x 4200 pixels. De resolutie van 12 megapixels is genoeg resolutie voor de gebruikelijke fotoformaten en ook klein genoeg om de tekortkomingen van een kleine camera sensor te beperken.

Meer megapixels in een smartphone camera is niet per definitie beter.

Beeldsignaal processor, ISP

Nu we de individuele onderdelen van de camera lens hebben behandeld zijn we er nog lang niet. Want een zeer belangrijk onderdeel voor het foto resultaat ligt in de processor van de smartphone, namelijk de image signal processor (beeldsignaal processor). De sensor vangt het light in een geweldige hoeveelheid aan individuele pixels. Het resultaat is nog verre van een foto. De pixels zijn verdeelt in drie primaire kleuren; blauwe pixels, rode pixels en twee keer zoveel groene pixels. Men noemt dit het Bayer filter. Waarom zijn er twee keer zoveel groene pixels? De reden hiervoor ligt in het menselijke oog. Ons oog is overdag meer gevoelig voor groen. Het probleem is nu, dat iedere pixel slechts één kleur heeft (Al zijn er tegenwoordig dus ook smartphone camera’s met dual pixels).

6-bayer resultaat camera foto

Hoe weet de camera nu de kleuren juist weer te geven in een foto? Dat is de taak van de image signal processor (ISP). Ruwe beelden worden dankzij de Image processor verwerkt tot prachtige beelden. We merken dat camera processors ieder jaar sterker en sneller worden.

Hoe werkt de ISP

Aangezien de smartphone camera voor een toekomstige smartphone eigenaar zeer belangrijks is, zien we veel van die rekenkracht naar de ISP gaan. Merken zoals Samsung, Apple, Google en ook Huawei leggen veel nadruk op hun image processors. De kwaliteit van de foto’s wordt daarmee ieder jaar een flink stuk verbeterd. Wat doet de beeldsignaal verwerken en hoe werkt de ISP? Welk doel heeft ISP?

De individuele pixels zijn dus gevoelig voor één kleur licht (twee bij dual pixel). Om tot een kleuren foto te komen is het dus nodig om al die afzonderlijke kleuren te filteren en daar één geheel van te maken. Men noemt deze verwerking demosaicing. Het is één van de primaire taken van de ISP. Daar houdt de functie van de beeldverwerkingseenheid niet op. Want de ISP regelt namelijk alle andere taken. Voordat je een foto maakt bepaalt de ISP al de autofocus, belichting en witbalans. Vervolgens gecorrigeerd de processor na demosaicing voor lens onvolkomenheden. Onvolmaaktheden zoals lichtafval, kleurschaduwen. Daarnaast beschikt de ISP over slimme software voor ruis onderdrukking, andere filtering zoals gezicht of objectdetectie en conversie tussen kleurruimten. Je begrijpt dat de kwaliteit van een smartphone foto voor een zeer groot deel afhankelijk is van de ISP.

Google heeft het Youtube kanaal Nat & Friends op pad gestuurd om de exacte werking van de smartphone camera uit te leggen. Het belang van de ISP wordt op voortreffelijke wijze uitgelegd.

De beste camera smartphone uitkiezen is geen eenvoudige taak. Er zijn veel variabelen en keuzes te maken. Wil je bijvoorbeeld één hoofdcamera of juist twee? Welke smartphone past het beste bij jou? Laat je niet alleen leiden door het aantal megapixels. Kijk ook naar het diafragma en de processor snelheid. De beste camera smartphones zijn nog altijd de high end toestellen. Al worden de camera’s van smartphones uit het midden segment ieder jaar beter.