Nočne čarovnije

Predstavitev najnovejšega rodu naprav Google Pixel je prinesla tudi izjemen napredek pri zajemanju fotografij v razmerah z malo svetlobe. Kmalu po prikazu kar šokantno dobrih zmogljivosti povsem novega Pixla 3 v temi je novotarija Night Sight prispela kar na vse naprave Pixel (od prvega do tretjega rodu) – s programsko nadgradnjo aplikacije Camera.

Da želi Google prav z vgrajeno kamero najbolj prepričevati kupce pametnih telefonov, kaže že izbrano ime. Leta 2016 je Googlovo ponudbo telefonov za razvijalce, poimenovanih Nexus, nadomestila zahtevnejšim uporabnikom namenjena precej dražja ponudba modelov Pixel. Čeprav je bilo v minulih letih dokaj običajno, da so imeli fotografsko najzmogljivejši telefoni zadaj vgrajeni (vsaj) dve kameri, ki sta pomagali programski opremi izdelati še boljše fotografije, Google na Pixlih še danes vztraja z zgolj eno.

Ključ do izjemnih fotografij, ki jih zmore posneti Pixel, se skriva v kombinaciji strojne in programske opreme. Naprej je tu zelo zmogljivo Sonyjevo tipalo, v nekaterih modelih tudi optična stabilizacija, potem je tu poseben čip Pixel Visual Core, vse skupaj pa zaokroža še programska oprema, ki uporablja posebne modele, pridobljene z obsežnim strojnim učenjem (machine learning), ki ga Google lahko opravi na svojih strežnikih nad skoraj nepredstavljivo veliko zbirko z zaznamki označenih fotografij. Med drugim jih zbira tudi z brezplačno storitvijo Photos in nesebično pomočjo nas, uporabnikov te storitve.

Pri temnem prizoru nas kamera sama pozove, naj uporabimo nočni način.

Pixlove kamere

Že prvi Pixel iz leta 2016 je bil s strani DxOMark Image Labs ocenjen kot telefon z najboljšo kamero dotlej. Uporablja kamero z 12,3 megapikami in odprtino zaslonke f/2.0, zajetimi na fototipalu Sony s pikami, velikimi 1,55 mikrona. Kamera je digitalno stabilizirana s pomočjo žiroskopa in tipal gibanja same naprave, ki se vzorčijo 200-krat na sekundo. Kamera, kadar je aktivna, za boljšo odzivnost nenehno zajema 30 slik na sekundo. Vsak posnetek je sestavljen s programskim kombiniranjem več zaporednih posnetkov.

Če takoj po posnetku pritisnemo gumb za ogled posnete fotografije, lahko postopek zlivanja opazujemo v živo, saj se slika izboljšuje pred našimi očmi.

Pixel 2 (in kasneje tudi 3) sta kamero nekoliko nadgradila. Pik na senzorju je sicer za drobec manj, 12,2 milijona, a je kamera zdaj še optično stabilizirana, na napravo pa je zašel tudi poseben Googlov čip, imenovan Pixel Visual Core, ki je bil »zagnan« šele s programsko nadgradnjo na Android 8.1. Ta čip je programsko nadgradljiv, ponuja pa posebne storitve za napredno obdelavo fotografij z bistveno manjšo porabo energije. Namenski čip naj bi pri obdelavi fotografij deloval 5× hitreje in porabil 10× manj energije kot običajni mikroprocesor ARM. Ker pa Google, za razliko od Appla, še ne izdeluje lastnega sistema na čipu (SoC, kot je npr. Snapdragon ali Applova serija A), mora dodatni čip z glavnim procesorjem in pomnilnikom še vedno sodelovati prek razmeroma počasnega vodila. V prihodnosti lahko pričakujemo, da bosta oba gradnika tako ali drugače tesneje povezana.

Nočne zmogljivosti

Vsaka (digitalna) kamera pozna šum. Prvi izvor šuma je posledica naravnega obnašanja fotonov na poti do tipala in je še posebej izrazit pri majhnih lečah in tipalih, ki so vgrajeni v sodobnih telefonih. Dodaten digitalni šum prinaša še tipalo, ki te fotone spreminja v številske vrednosti. Od tod izvirajo motne in večinoma neuporabne fotografije, ki jih zajemamo pri slabi osvetlitvi, če posebej, če ne moremo ali nočemo uporabiti bliskavice. Srečna okoliščina je, da šum upada vsaj s kvadratom podaljšanega časa osvetlitve (trikrat daljši čas, vsaj devetkrat manj šuma), a je žal s telefonom težko ohranjati mirno roko. Google je že leta 2014 za potrebe učinka HDR+ izdelal programsko poravnavo večjega števila zaporednih posnetkov, ki ga uporabljajo vsi Pixli in tudi številni drugi telefoni z Androidom. Nov izziv pa je bil uporabiti podoben prijem tudi za fotografiranje v zelo temnih okoliščinah.

Kot bi prižgali dodatno svetilko.

Glede na Googlove analize se težave kamer v pametnih telefonih začnejo pri osvetlitvi, kot smo je vajeni v npr. restavracijah zvečer (30 luksov). S tehniko HDR+ je mogoče dobiti dokaj dobre posnetke nekje do 3 luksov – to je npr. nočna osvetlitev ulične svetilke. Cilj naprednega nočnega načina v novi Cameri je bilo spustiti raven uporabnih fotografij brez uporabe fleša do osvetlitve 0,3 luksa (pri taki osvetlitvi, denimo, ne vidimo ključev, če nam padejo na tla). To je mogoče doseči le z vztrajnim zbiranjem (redkih) fotonov, torej z daljšim časom odprtja zaslonke.

Kot rečeno, Pixlova kamera deluje v načinu nične zakasnitve (ZSL, zero shutter lag), kar pomeni, da je kamera ves čas v režimu zajemanja fotografij. Ko pritisnemo sprožilec, se zadnjih 9–15 zajetih fotografij pošlje v obdelavo. Pri zares temnih prizorih se uporablja pozitivna zakasnitev (PSL, positive shutter lag), kjer se zajem začne šele po pritisku sprožilca, to pa zahteva mirno roko. Nemirnost roke nekoliko odpravlja optična stabilizacija (Pixel 2 in 3), a zmore stabilizirati le osvetlitve do 1/8 sekunde. Za še trajnejšo stabilizacijo slike programska oprema predvideva premike elementov scene, kar je pri napravah Pixel 1 in 2 omejeno le na nočni način. Glede na zmožnosti in stabilnost naprave (morda je na stojalu) se ustrezno izračuna najdaljši možni čas osvetlitve vse tja do 1 sekunde. Določi se tudi število posnetkov, od 6 za stabilne do 16 za nemirne naprave. Nočni način torej zajame od 6 posnetkov z osvetlitvijo 1/15 sekunde ali manj, pa vse do 16 posnetkov z osvetlitvijo do 1 sekunde (in vse vmes).

Podrobnosti v temni sobi naenkrat zaživijo.

Ključni del čarovnije nočnega načina je sestavljanje teh posnetkov v končno fotografijo. Nalaganje ali zlivanje več posnetkov za boljše slike v temi je zelo stara tehnika, ki se že dolgo uporablja v astronomiji in tudi klasični fotografiji. Izziv nočnega načina je vse to preslikati v nemirno ročno napravo. Telefona Pixel 1 in 2 uporabljata tehniko poravnave in zlivanja slik kot pri HDR+, Pixel 3 pa zaradi močnejše strojne opreme uporablja zlivanje Super Zoom, ki se uporablja tudi za zumiranje z zgolj eno kamero. Zlivanja slik ni mogoče izračunati v resničnem času, zato se slika tudi po nekoliko daljšem zajemu večjega števila posnetkov še nekaj časa programsko obdeluje. Če takoj po posnetku pritisnemo gumb za ogled posnete fotografije, lahko postopek zlivanja opazujemo v živo, saj se slika izboljšuje pred našimi očmi. V samem postopku zlivanja se uporablja še model, pridobljen s strojnim učenjem, ki odpravlja npr. preveliko osvetljenost podrobnosti na sliki zaradi ulične svetilke v sicer zelo temnem prizoru. Še več podrobnosti o delovanju nočnega načina si lahko preberete v Googlovem blogu: goo.gl/RTDozx

Šele z nočnim načinom ulična svetilka dejansko osvetli ulico.

V praksi

Kot rečeno, delovanje in zmogljivosti novega Googlovega nočnega načina se spreminjajo v odvisnosti od razpoložljive strojne opreme. Tehnika nočnega načina se lahko prenese tudi na druge sodobne naprave z Androidom, kot se je že zgodilo s HDR+, a je možno, da bo računanje poravnave zahtevalo (pre)več časa in vedno dragocene energije baterije.

Ko teme naenkrat ni več.

Pohvalno je, da Google novega načina ni omejil le na najsodobnejši Pixel 3. Tako smo ga s programsko nadgradnjo kamere lahko preverili tudi na testnem Pixel 2 XL, kjer, kot rečeno, ni uporabljen zadnji krik programske opreme, temveč se za zlivanje uporablja starejši postopek HDR+. Uporaba nočnega načina je sila preprosta. Kamera nas pri manj osvetljenih prizorih kar sama pozove, naj preizkusimo novi način »Night Sight«. Ko preklopimo nanj, se tipka sprožilca spremeni, na njej se prikaže simbol polmeseca. Po aktiviranju sprožilca poizkusimo držati mirno roko, saj bo zajemanje trajalo nekoliko dlje (kot smo navedli prej, glede na zmogljivosti in razmere od pol sekunde vse tja do 16 sekund), kar ponazarja krožni prikaz napredka. Popolna mirnost ni potrebna, a mirna roka seveda pomaga pri čim krajšem času zajema in delno tudi pri kakovosti posnetka. Zajeta slika se potem še nekaj časa obdeluje, kar lahko v živo spremljamo z ogledom pravkar zajetega posnetka, če smo dovolj hitri (zadnji posnetek prikažemo z gumbom poleg sprožilca desno).

Tudi trava, ki jo fotografiramo podnevi, postane bolj zelena.

Zanimivo, da nočni način izboljša tudi fotografije, posnete podnevi. Čeprav tudi dnevne fotografije kamera privzeto obdeluje po postopku HDR+, daje nočni način še nekoliko jasnejše slike, ki se pri dovolj dnevne svetlobe zajemajo le drobec dlje.