Hoe werkt een smartphonecamera?

Zowat iedereen heeft voortaan zijn mobiele toestel te allen tijde bij de hand, waardoor de hoeveelheid beeldmateriaal en filmpjes op het internet razendsnel toeneemt. Protestmarsen van over heel de wereld worden vastgelegd en de eerste stapjes van een kind op een ander continent kan je via deze weg bewonderen. Dankzij de populariteit van dergelijk internetmateriaal en het gemak waarmee je met je smartphone foto’s kan maken, neemt de smartphonecamera voor een groot deel de markt van compactcamera’s over. Niet alle smartphones hebben echter een camera aan boord die de kwaliteit van een fototoestel benadert. In dit dossier overlopen we daarom uit welke componenten een camera bestaat en leggen we de verschillen uit tussen een smartphone- en compactcamera. Door het juiste mobiele toestel aan te schaffen, hoeft de gemiddelde gebruiker niet langer een apart fototoestel in zijn bezit te hebben.

Componenten

Om te begrijpen uit welke componenten je smartphonecamera bestaat, bekijk je best de werking van een camera. Je richt je toestel op een voorwerp, waarna de lens zich automatisch focust. Hierna zal het licht door de lens naar de sensor van je camera worden gevoerd. De aperture bepaalt hoeveel licht er in je cameralens valt en ook de sluitertijd is bepalend voor de belichting van je foto. Het licht dat de sensor bereikt, wordt gebruikt om een beeld te maken, waarna softwarealgoritmes dat beeld perfectioneren. Uiteindelijk hou je een foto over die scherp is, de juiste belichting heeft en een goede kleurenweergave biedt.

Cameralens

In theorie is het mogelijk om foto’s te maken met een camera zonder lens. Aangezien je op deze manier het licht dat op de sensor valt niet kan controleren, bekom je echter een erg wazige foto. Je zou een waas van verschillende kleuren hebben, aangezien lichtfotonen onder alle hoeken op de sensor invallen.

Om dat probleem te vermijden, wordt een lens gebruikt. Deze cameracomponent focust het invallende licht zodat het op de juiste manier op de sensor valt. De lens is een verzameling van kunststoffen of glazen elementen, waarbij glas doorgaans een hogere kwaliteit van beeld oplevert. Ieder element heeft een specifieke functie om het licht te focussen op de sensor, gaande van de vorm van het invallende licht hervormen naar de grootte van de sensor, tot het bieden van een focuspunt.

Brandpuntafstand

Eén van de cameraspecificaties waar je op kan letten wanneer je een nieuwe smartphone koopt, is de brandpuntafstand. Dat is de afstand tussen de lens en het punt waar evenwijdig aan de optische as invallende lichtstralen samenkomen. Aangezien een camera verschillende lenzen gebruikt, wordt de brandpuntafstand hier een beetje anders berekend. In je toestel komen de invallende lichtstralen samen, waarna deze uiteen gaan om een beeld met dezelfde grootte van je camerasensor te creëren. De afstand tussen het punt waar de invallende stralen samenkomen en de sensor is bij een camera de brandpuntafstand.

Wanneer je een camera hebt met een grote brandpuntafstand, zal de kijkhoek smal zijn en verkrijg je een ingezoomd beeld. Heb je daarentegen een kleine brandpuntafstand, dan bekom je een brede kijkhoek en is je foto uitgezoomd. Doordat smartphonecamera’s een erg kleine sensor bevatten, zegt de brandpuntafstand van deze camera’s voor de meeste mensen maar weinig. Meestal vermelden fabrikanten daarom het 35-mm-equivalent van de brandpuntafstand. Hierbij wordt de brandpuntafstand gegeven van een spiegelreflexcamera met een 35-mm-sensor die soortgelijke beelden maakt. Hierdoor is het erg eenvoudig om smartphonecamera’s in drie groepen onder te verdelen. Wanneer je smartphone een brandpuntafstand tussen 18 en 35 millimeter heeft, heb je te maken met een breedhoeklens, bevindt dat getal zich tussen 35 en 60 millimeter dan heeft je smartphonecamera een normale lens en wanneer de brandpuntafstand groter is dan 60 millimeter heb je te maken met een long-focuslens.

Autofocus

Bij zowat alle cameralenzen vind je twee brandpuntafstanden terug: de minimum- en maximumlengte. Tussen deze waardes kan je schuiven om in- en uit te zoomen, of om je foto scherp te stellen. Smartphones worden steevast geleverd met een camera die automatisch kan focussen. Met behulp van een motortje wordt de buitenste lens verschoven, waardoor de brandpuntafstand verandert en het onderwerp van je foto scherp op de sensor terechtkomt.

Smartphones passen drie verschillende methodes toe om automatisch te focussen. In de eerste plaats kan je toestel dual-pixel gebruiken. Hierbij bestaat iedere pixel uit twee fotodiodes die subtiele faseveranderingen detecteren om te berekenen naar waar de lens verschoven moet worden om een beeld scherp te maken. Dual-pixel is de meest effectieve methode die momenteel bestaat.

Verder kan een smartphonecamera gebruik maken van fasedetectie. Deze methode werkt soortgelijk aan dual-pixel, met het belangrijke verschil dat het de faseveranderingen van slechts bepaalde fotodiodes meet. Standaardfasedetectie is bijgevolg minder accuraat en snel.

Ten slotte kan je smartphone contrastdetectie gebruiken, wat de oudste methode is van de drie. Hierbij worden bepaalde delen van de sensor gemeten. De lens van je camera wordt verplaatst, tot een bepaald contrastniveau tussen de pixels wordt bereikt.

Diafragmagetal

De verschillende lenselementen werken samen met een apertuur, wat letterlijk opening betekent. De apertuur bepaalt hoeveel licht er doorheen de lens naar de sensor wordt geleid. Hoe kleiner deze opening is, hoe meer van het beeld in focus zal zijn. Een kleine opening zorgt er echter eveneens voor dat er weinig licht wordt opgevangen, wat met name ’s nachts een negatieve impact heeft op je foto. Dat er minder van je beeld in focus is wanneer je een grote apertuur hebt, hoeft bovendien niet slecht te zijn. Veel mensen vinden dergelijke foto’s mooi, aangezien je een duidelijke focus op het onderwerp dat op de voorgrond staat, verkrijgt, terwijl de achtergrond wazig is.

Doorgaans worden de brandpuntafstand en apertuur in één getal verzameld, namelijk het diafragmagetal. Hierbij wordt de brandpuntafstand gedeeld door de apertuur. Heb je bijvoorbeeld een camera met een brandpuntafstand van 50 millimeter en een apertuur van 10 millimeter, dan krijg je een diafragmagetal van f/5. Hoe kleiner het diafragmagetal, hoe ondieper de scherptediepte is. Je verkrijgt dan een beeld waarbij slechts het onderwerp op de voorgrond scherp is. Ook ontvangt je sensor dan veel licht, waardoor je mooie beelden in het donker kan maken.

Sluiter

Behalve de apertuur bepaalt de sluitertijd mee hoeveel licht de sensor ontvangt. Wanneer de sluiter te snel werkt, krijg je onderbelichte foto’s. Is de sluitertijd te traag, dan krijg je daarentegen wazige beelden. Bij klassieke fototoestellen wordt een mechanische sluiter gebruikt. Een smartphone is echter te klein om deze component te bevatten, waardoor je mobiele toestel is voorzien van een elektronische sluiter. Je smartphone vertelt de sensor hoe lang het invallend licht moet opnemen. Jammer genoeg zijn er wel enkele nadelen verbonden aan deze methode. Wanneer je bijvoorbeeld een snel bewegend voorwerp fotografeert, zal het object scheefgetrokken worden in je foto. Dat komt doordat de sensor zijn pixels op verschillende tijdsstippen verwerkt.

Sensor

De belangrijkste component die je in je smartphonecamera terugvindt, is de sensor. Smartphonecamera’s maken gebruik van CMOS-technologie (complementary metal-oxide-semiconductor). Een CMOS-sensor bestaat uit een geïntegreerd circuit van onder andere fotodetectoren, versterkers en transistoren. Iedere fotodetector komt overeen met een pixel en verzamelt analoge informatie over de fotonen die de sensor raken. Deze informatie wordt versterkt en omgevormd tot een digitaal signaal, waarin de helderheid van de fotonen worden beschreven. Een filter wordt geplaatst boven de fotodetectoren, waarna een algoritme het finale, gekleurde beeld produceert.

Een andere technologie die vaak wordt gebruikt in camera’s, is CCD (charged-coupled device). Deze techniek vraagt echter te veel stroom en is te duur om in smartphones te gebruiken, al hebben dergelijke sensoren doorgaans een betere kwaliteit.

Megapixels

Ondanks wat de fabrikanten beweren, zijn meer megapixels niet altijd beter. Dat komt door de werking van de sensor. Iedere fotodetector verzamelt lichtinformatie om een pixel van je uiteindelijke foto van de juiste informatie te voorzien. Hoe meer pixels er in de kleine sensor in een smartphonecamera zitten, hoe kleiner deze fotodetectoren zijn. Bijgevolg zal er per pixel minder informatie worden verzameld. Bovendien kan er zogenaamde ‘bleeding’ ontstaan, waarbij licht op meerdere fotodetectoren invalt en de informatie wordt uitgesmeerd over je beeld.

Het voordeel van een hogere resolutie is dan weer dat je foto er beter uitziet wanneer deze is genomen aan tweemaal de maximum dimensies voor het uiteindelijk bedoelde medium. Een standaard foto van 5 bij 7 inch en met 300 dots per inch (dpi) heeft bijvoorbeeld een resolutie van 3.000 bij 4.200 pixels, wat perfect in kaart wordt gebracht door een 12 MP-camera. Onder andere Apple en Google lijken zich daarom tevreden te stellen met deze resolutie. Er zijn echter eveneens fabrikanten die de grenzen van hun camerasensor verder aftasten. Deze hogeresolutiebeelden zijn ideaal voor wanneer je je foto wilt vergroten, of een foto van een ingezoomd detail wilt afdrukken.

Versterken

Ondanks het feit dat smartphones hun apertuur en sluitertijd aanpassen om een foto te bekomen die zo goed mogelijk belicht is, zullen er achteraf nog steeds aanpassingen gedaan moeten worden. Wanneer je onderwerp slechts weinig belicht is, kan de camera het signaal achteraf versterken om toch een helder beeld te bekomen. Hierdoor zullen kleine variaties in het signaal eveneens worden versterkt, waardoor de ruis in je beeld toeneemt.

Dat probleem wordt voor een groot stuk weggewerkt door een grote sensor te gebruiken, aangezien deze van nature uit meer licht opvangt. Een smartphone is echter beperkt in grootte, waardoor het met deze camera’s moeilijker is om een kwalitatief beeld te genereren zonder het signaal te versterken. Smartphones gebruiken daarom eveneens een ruisreductiealgoritme. Dat algoritme detecteert ruis in beelden en verwijdert deze ongewenste kleurschakeringen uit je foto’s. Soms is het algoritme echter te agressief, waardoor details uit je foto worden gehaald en het beeld minder scherp is. Ook kunnen zware bewerkingsalgoritmes voor een onnatuurlijk resultaat zorgen.

Beeldstabilisatie

Aangezien je je smartphone doorgaans met de hand vasthoudt wanneer je een foto maakt, is beeldstabilisatie voor een smartphone cruciaal. Camera’s kunnen je foto’s op twee manieren stabiliseren, namelijk met optische en met elektronische beeldstabilisatie. Optische beeldstabilisatie geeft de beste resultaten, maar is de duurste en meest complexe technologie van de twee. Vlaggenschepen zijn doorgaans voorzien van deze techniek, terwijl goedkopere toestellen het met elektronische beeldstabilisatie moeten stellen.

Bij optische beeldstabilisatie bevindt de camerasensor of lensmodule zich in een stabiliserend tuig. Een gyroscoop dicht bij de camera voorziet de nodige informatie om het tuig op het juiste moment te verplaatsen met behulp van elektromagneten. Op deze manier kunnen de bewegingen van een trillende hand worden tegengewerkt en blijven de optische elementen van de camera op dezelfde relatieve positie.

Elektronische beeldstabilisatie werkt daarentegen zonder extra hardware. Sommige stabilisatiesystemen verhogen de versterking van het ontvangen signaal, zodat ze een snellere sluitertijd kunnen gebruiken, wat wazigheid voorkomt. Andere elektronische stabilisators maken een ‘burstshot’, waarna ze de minst wazige beelden combineren.

Dubbele camera

Niet alleen met de kwaliteit van cameracomponenten, maar eveneens met de hoeveelheid camera’s nemen smartphonefrabikanten het tegen elkaar op. Mobiele toestellen met een selfie- en hoofdcamera zijn al enige tijd in trek, maar steeds meer bedrijven voorzien hun apparaat van twee hoofdcamera’s. Bij sommige smartphones kan je hierdoor wisselen van een gewone naar een breedhoeklens, terwijl andere toestellen je toelaten de scherptediepte te veranderen. Door de kracht van twee camera’s te combineren, bekom je bovendien betere foto’s.