Smartphones vs Cámaras: cerrando la brecha en calidad de imagen

En DXOMARK hemos observado a lo largo de los años cómo las cámaras de teléfonos inteligentes han pasado de ser una novedad a convertirse en la forma más popular del mundo de capturar fotografías. En una sesión magistral en Electronic Imaging 2020, nuestro CEO y CTO, Frederic Guichard, comenzó brindando una perspectiva histórica sobre el auge de la fotografía de teléfonos inteligentes y cómo ha sido posible gracias a los impresionantes avances en tecnología. Luego demostró cómo las cámaras de los teléfonos inteligentes se comparan hoy con las cámaras digitales independientes actuales, y cómo tienen diferentes fortalezas y debilidades. Finalmente, presentó un caso para los roles de los teléfonos inteligentes y las cámaras, y especuló sobre cómo es probable que evolucionen en el futuro.

En este artículo, compartimos su análisis, junto con algunas de las imágenes que utilizó para ilustrar historia, fortalezas y debilidades de los teléfonos inteligentes y las cámaras independientes.

¿Cómo fuimos desde aquí …
(Crédito de la imagen: Denis Makarenko, Shutterstock.com)

… hasta aquí?

(Crédito de la imagen: hurricanehank / Shutterstock.com)

No hay mejor ilustración de la creciente popularidad de los teléfonos inteligentes para la fotografía que estas fotos de grupos de fotógrafos. Hace diez años estaban llenos de personas con varias cámaras compactas y réflex digitales. Ahora, casi todo lo que ves son teléfonos inteligentes.

El cruce ocurrió casi al mismo tiempo que introdujimos nuestro protocolo DXOMARK en 2012: en 2011, más de una cuarta parte de todas las fotografías capturadas se tomaron con cámaras de teléfonos inteligentes. Para 2015, se capturaban más de un billón de fotos cada año, y la gran mayoría provenían de teléfonos inteligentes.

Las ventas de cámaras y teléfonos inteligentes por año muestran el crecimiento explosivo de los teléfonos inteligentes en comparación con las cámaras independientes. Para 2015, las ventas de teléfonos inteligentes eclipsaron las ventas de cámaras tradicionales, y los números solo se han vuelto más extremos desde entonces ( Fuente : CIPA).

El gran número de fotos tomadas en teléfonos inteligentes es un resultado obvio de su creciente cuota de mercado en general. Para 2013, estaban vendiendo más que las cámaras digitales de todo tipo por un factor de más de 10 a 1. Inicialmente, no era obvio que esta transición sucedería tan rápido, y ciertamente sorprendió a muchos fabricantes de cámaras. Pero en retrospectiva, es sencillo ver qué causó la rápida adopción de los teléfonos inteligentes para la fotografía.

La comodidad y la facilidad de uso hicieron del teléfono inteligente la mejor opción para la fotografía

El primer factor importante que ayudó a hacer que los teléfonos inteligentes sean la cámara de La elección para la mayoría de las personas fue simplemente que se convirtieron en herramientas esenciales para la vida diaria. Como resultado, casi todos tenían uno, y lo tenían con ellos todo el tiempo. Como dice el famoso dicho (hecho aún más famoso por el ícono del iPhone Chase Jarvis), "la mejor cámara es la que tienes contigo".

Igual de importante, los teléfonos inteligentes revolucionaron el flujo de trabajo fotográfico. Hacer cualquier cosa con fotos capturadas en una cámara digital tradicional generalmente requiere mucho esfuerzo y, a menudo, un conjunto complicado de pasos:

El flujo de trabajo típico cuando se usa una cámara digital independiente incluye muchos pasos complejos

Con teléfonos inteligentes conectados a la nube y sitios de intercambio de fotos en la nube cada vez más inteligentes, ya no era necesario cargar manualmente sus imágenes en una computadora, organizarlas a mano y finalmente procesarlas y compartirlas. Podrían compartirse justo después de ser capturados, con solo un par de toques y en unos segundos. Esto fue particularmente cierto para el tipo de fotografía informal que es más popular entre los usuarios de teléfonos inteligentes. Por lo general, las tomas se toman con poca o ninguna configuración, y mientras se usa la configuración predeterminada elegida por la aplicación de la cámara. El procesamiento posterior también suele ser mínimo, lo que permite un intercambio rápido.

El auge de la Selfie también aceleró el uso de teléfonos inteligentes como cámaras, ya que es bastante difícil tomarse una selfie con una DSLR.
(Crédito de la imagen: Syda Productions / Shutterstock.com)

No todas las selfies DSLR son tan desafiantes como esta desde el espacio.
(Crédito de la imagen Jessica Meir, NASA)

Calidad seguida cantidad en fotografía de teléfonos inteligentes

El rápido aumento de la fotografía de teléfonos inteligentes, mucha gente se interesó más en sus fotografías y fue más exigente con respecto a la captura de imágenes de alta calidad. Los fabricantes de teléfonos inteligentes respondieron poniendo un énfasis cada vez mayor (y una inversión sustancial) en mejorar sus cámaras y sistemas de procesamiento de imágenes .

Imagen de cámara o teléfono inteligente de fotograma completo: ¿puede decirlo?

En un número creciente En algunos casos, es difícil distinguir entre una foto tomada con un teléfono inteligente y una de la misma escena capturada con una cámara de marco completo . Las pistas simples que solían regalar los teléfonos inteligentes ya no son confiables. Debajo hay un par de imágenes, una tomada con un Google Pixel 3 y la otra con una Sony a7R III. ¿Puedes decir cuál fue tomada usando un teléfono?

Imagen cortesía de Pierre T. Lambert, Petapixel

Imagen cortesía de Pierre T. Lambert, Petapixel

Primero, vale la pena señalar que ambas imágenes son bastante impresionantes para una escena nocturna . Esperamos eso de una cámara de fotograma completo, pero es un logro impresionante para un teléfono inteligente. Mirando más de cerca, notamos cierta pérdida de detalles en el agua en la imagen de la izquierda. Tal vez es un desenfoque natural en primer plano desde la óptica de la cámara de fotograma completo, o tal vez es desenfoque de movimiento desde el teléfono inteligente? A la derecha hay una conservación de detalles increíblemente buena en toda la imagen, incluso con muy poca luz, por lo que sería fácil concluir que no podría ser del teléfono inteligente con sensor más pequeño.

De hecho, la imagen en el la izquierda es la del Sony a7R III, y la de la derecha es del Pixel 3. Google ha usado el poder de la imagen computacional para ensamblar varios cuadros automáticamente en un resultado muy impresionante. El hecho de que pueda ser tan difícil saber qué imagen es una señal de lo buenas que se han convertido las cámaras de los teléfonos inteligentes en muchas situaciones. Resultados como estos indujeron a Guichard a profundizar en cómo esto fue posible y hacia dónde irán ambas tecnologías a partir de aquí.

Cámara de fotograma completo o teléfono inteligente: preguntas de calidad de imagen

La ​​mejora impresionante en las cámaras de teléfonos inteligentes lleva a tres preguntas importantes que Guichard abordó en el resto de su discurso de apertura:

  • ¿Cómo han logrado los teléfonos inteligentes actuales cerrar la brecha de calidad de imagen con las cámaras digitales?
  • ¿Los teléfonos inteligentes actuales son realmente mejores que las cámaras digitales?
  • Si es así, ¿hay todavía? ¿un papel para las cámaras digitales?

Cerrando la brecha: los teléfonos inteligentes atrapados por la conquista del ruido

Hay docenas de ejes en los que se puede medir la calidad de imagen y cientos de atributos. Cuando probamos cámaras y sensores en DXOMARK, se requieren más de 1600 imágenes en una variedad de entornos de laboratorio y naturales para obtener una buena medición de su rendimiento para el más importante de estos:

Hay una miríada de métricas para evaluar la calidad de una imagen fotográfica o video.

Muchos problemas de calidad de imagen que restan valor al rendimiento de una cámara son bastante fáciles de corregir mediante el procesamiento automatizado. Eso incluye muchos tipos de distorsión óptica sombreado de lentes e incluso un rango tonal pobre como muestran los siguientes ejemplos:

La distorsión geométrica es un problema para la óptica de los teléfonos inteligentes en particular. (Imagen: DXOMARK)

Afortunadamente, ahora es posible corregirlo automáticamente, lo que ha dado a los fabricantes de cámaras de teléfonos inteligentes más flexibilidad en el diseño de lentes (Imagen: DXOMARK)

Sombreado de lentes, también conocido como un tipo de viñeteado es otro defecto de la imagen que se puede corregir automáticamente una vez que se modela cuidadosamente un sistema de cámara. El sombreado de lente muy visible en la imagen original a continuación a la derecha es fácil de corregir automáticamente en el teléfono inteligente, ya que el software del teléfono sabe qué lente se está utilizando y cómo corregirlo.

Imagen original con sombreado de lente [19659039] Imagen corregida con el sombreado de la lente eliminado

Incluso aberración cromática un tipo de efecto de franjas que se ve con frecuencia en las cámaras de los teléfonos inteligentes, se ha convertido en algo que puede corregirse en gran medida automáticamente directamente en el teléfono inteligente: [19659041] Las franjas de color en las imágenes originales a la izquierda se pueden corregir en gran medida automáticamente, como puede ver en las imágenes corregidas a la derecha. (Crédito: DxO)

Todas estas correcciones automáticas requieren medir las características de las combinaciones ópticas y de sensores con mucha precisión. Los fabricantes de teléfonos inteligentes pueden hacer eso porque proporcionan el sistema completo, incluido el sensor, la óptica y la tubería de procesamiento de imágenes. También a menudo tienen acceso a información adicional sobre la distancia al sujeto principal o incluso un mapa de profundidad de toda la escena. Sin embargo, un área que se ha mostrado notablemente obstinada en resistir la mejora es el ruido de la imagen .

El ruido representa el desafío más difícil

Los primeros teléfonos inteligentes sufrieron tanto en la resolución como en el ruido debido a su Tamaño pequeño del sensor. Los avances en la tecnología de sensores comenzaron a cerrar rápidamente la brecha de resolución con cámaras más grandes, pero la reducción de ruido continuó siendo un desafío difícil de alcanzar para las cámaras con sensores más pequeños en los teléfonos inteligentes. La cantidad de ruido está directamente relacionada con la cantidad total de luz capturada en una imagen (que Guichard describe como el flujo de fotones). Menos fotones significan más ruido. Dado que un sensor de teléfono inteligente típico puede recibir menos de una vigésima parte de los fotones de un sensor de fotograma completo de 35 mm por el mismo tiempo de exposición es mucho más propenso al ruido. Esa diferencia en el tamaño del sensor es el equivalente a una deficiencia de 4.5EV ( f-stop ) para superar.

El tamaño pequeño de los teléfonos inteligentes limita drásticamente el tamaño de su sensor en comparación con las réflex digitales, lo que significa que para una exposición dada tiempo, solo pueden recoger aproximadamente 1/20 de la cantidad de luz.

2003–2013: una mejor tecnología ayudó a las cámaras de teléfonos inteligentes a superar a las cámaras compactas

A medida que la cámara y su calidad de imagen se convirtieron en un importante punto de venta para teléfonos inteligentes, los fabricantes comenzaron a invertir mucho en tecnología para cerrar esa brecha de 4.5EV. Para empezar, innovaron utilizando sensores más grandes con mayor resolución y mejorando su captura y procesamiento de imágenes. Como resultado de estas "guerras de resolución", en menos de 10 años, de 2000 a 2008, la resolución del sensor del teléfono inteligente aumentó en más de un factor.

La resolución de la cámara del teléfono inteligente aumentó abruptamente entre 2000 y 2008.

Sorprendentemente , a pesar de los tamaños de píxeles necesariamente más pequeños de los sensores de mayor resolución, los modelos más nuevos de teléfonos inteligentes lograron eclipsar a los más antiguos tanto en sensibilidad como rango dinámico . Curiosamente, eso fue solo parcialmente debido a las mejoras en la tecnología de sensores. Utilizando los resultados de nuestras pruebas de sensores APS-C en nuestros laboratorios en DXOMARK durante ese tiempo como línea de base, podemos ver que hubo aproximadamente una ganancia de 1.3EV en rendimiento para un tamaño de sensor dado: [19659050] Este gráfico muestra la puntuación del sensor DXOMARK para un conjunto de cámaras APS-C de tiempo extra. Podemos observar claramente una progresión de la puntuación en el período hasta 2013, que corresponde aproximadamente a una ganancia de sensibilidad de 1.3EV. (Crédito: DXOMARK)

Por el contrario, la calidad de imagen del teléfono inteligente aumentó en más de 4 EV. Por lo tanto, la mayor resolución y sensibilidad del sensor fue solo una parte de lo que ayudó a los teléfonos inteligentes a superar a las cámaras compactas en calidad de imagen. Un factor aún mayor fue el aumento de la potencia informática de los dispositivos móviles y las consiguientes mejoras en el procesamiento de imágenes. Al mismo tiempo que los sensores mejoraron en aproximadamente 1.3EV, el procesamiento digital de imágenes produjo resultados que mejoraron en aproximadamente 3EV, gracias a un aumento de aproximadamente 100x en la potencia de procesamiento y nuevos algoritmos.

Para ilustrar estas mejoras en el procesamiento de imágenes, Guichard procesó un archivo RAW de su primera réflex digital: una Nikon D70s. La serie de imágenes que presentó mostró cuánto mejoraron las tuberías de procesamiento de imágenes a lo largo de los años después de capturar la imagen original en 2005. Las técnicas de procesamiento avanzadas desarrolladas para su uso en el procesamiento posterior de archivos RAW en la computadora encontraron rápidamente su camino en los teléfonos inteligentes:

El original JPEG capturado con una Nikon D70s de 2005. Imagen tomada con ISO 3200.

El archivo RAW de la misma imagen, procesado posteriormente usando Optics Pro 3 de DxO Labs. Observe cómo el procesamiento posterior de la imagen RAW da como resultado una mejor reproducción del color menos ruido y una ligera mejora en la resolución aparente.

La misma imagen reprocesada con Optics Pro 5. Hay una mejora continua en la imagen calidad.

Óptica Pro 7 representación de la imagen. Las ganancias no son tan dramáticas, pero todavía hay algunas mejoras.

El renderizado de Optics Pro 9 muestra un gran paso adelante en la reducción de ruido en comparación con las versiones anteriores.

Estas mejoras en el procesamiento de imágenes explican la mejora de aproximadamente 3 pasos en calidad de imagen de teléfonos inteligentes durante su primera década de existencia. En general, la combinación de alrededor de 1.3EV de las mejoras en la tecnología de sensores con la ganancia de 3EV de la tecnología posterior a la captura significó que la calidad de imagen para un tamaño de cámara dado mejoró en aproximadamente 4 a 4.5 paradas durante la década. El resultado fue que un sensor del tamaño de un teléfono inteligente de 2013 se volvió capaz de producir una calidad de imagen similar a la de una réflex digital APS-C de una década antes.

2013: la fotografía de teléfonos inteligentes se convierte en un fenómeno masivo

Alrededor de 2013, ayudó Gracias a las mejoras en la calidad de imagen y al crecimiento en las ventas de teléfonos inteligentes, la fotografía de teléfonos inteligentes se convirtió rápidamente en la forma más popular de capturar imágenes.

El iPhone 5s 2013 de Apple con su sensor de 8MP de 1/3 de pulgada es un ejemplo de una cámara de teléfono inteligente más vendida en el momento eclipsaron las cámaras tradicionales en ventas. (Crédito de la imagen: Apple)

También lanzado en 2013, el sensor 41.3MP de 1 / 1.5 pulgadas del Nokia Lumia 1020 demostró las aspiraciones de los fabricantes de teléfonos inteligentes para eventualmente igualar las DSLR en calidad de imagen. (Crédito de la imagen: Nokia)

2013 al presente: ¿Reduciendo la brecha – cambiando las tornas en las DSLR?

Mientras que la primera década de innovación en teléfonos inteligentes los vio ponerse al día con los modelos DSLR anteriores y las cámaras compactas competitivas, la innovación definitivamente no lo hizo No te detengas ahí. No mucho después de que los teléfonos inteligentes comenzaron a superar las cámaras compactas para muchos casos de uso, la siguiente pregunta obvia fue: "¿Pueden también superar las réflex digitales y sus competidores sin espejo de fotograma completo de reciente evolución?" Esa batalla comenzó en serio alrededor de 2013 y 2015, por lo que veremos cómo han evolucionado esas tecnologías entre entonces y ahora.

Durante esos años, los teléfonos inteligentes continuaron haciendo grandes avances en la calidad de la imagen, a pesar de la desaceleración del progreso en la básica Sensor y tecnología óptica. Por ejemplo, observe estos cultivos a partir de una imagen objetivo estándar tomada con ci

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