Jak to możliwe, że Pixel 4 potrafi zrobić zdjęcie Drogi Mlecznej? Google wyjaśnia

Astrofotografia jest jedną z najbardziej wymagających dziedzin fotografii. Dziś fotografowanie odległych galaktyk czy mgławic jest w zasięgu ręki każdego fana fotografii, o ile tylko ma on budżet na odpowiedni narzędzia.

Jak w każdej dziedzinie, apetyt rośnie w miarę jedzenia. Szybko okazuje się, że do dobrych rezultatów nie wystarczy podstawowy aparat. Najwięksi pasjonaci kupują specjalne edycje aparatów poświecone wyłącznie astrofotografii, jasne obiektywy zastępują teleskopem, a zwykły statyw zamieniają na montaż paralaktyczny, który kompensuje ruch obrotowy Ziemi.

Aparat smartfona jest narzędziem, które co do zasady wybitnie nie nadaje się do astrofotografii. Google przekonuje jednak, że jest inaczej.

Lepiej porzucić nadzieje, że smartfonem uda się sfotografować pierścienie Saturna, Mgławicę Oriona, czy Galaktykę Andromedy, ale Drogę Mleczną? Czemu nie! Astrofotografia w smartfonach Pixel kończy się właśnie na fotografowaniu naszej galaktyki, ale to i tak imponujący rezultat, jak na urządzenie mieszczące się w kieszeni.

Na blogu Google pojawił się właśnie wpis, który rozkłada tryb astrofotografii na czynniki pierwsze. Po pierwsze, kluczowy jest tryb nocny o nazwie Night Sight, który umożliwia dłuższe czasy migawki. W smartfonie Pixel 4 ten czas wynosi aż 4 minuty, co jest rekordową wartością w świecie mobilnym.

Każda osoba, która fotografowała nocne niebo wie, że 4 minuty naświetlania dadzą efekt w postaci rozmytych gwiazd, ponieważ na zdjęcie nałoży się ruch obrotowy Ziemi. Google rozwiązał ten problem dzieląc czterominutową ekspozycję na wiele klatek. Inżynierowie doszli do wniosku, że granicą czasu migawki dla Pixela 4 jest czas 16 s. To właśnie limit czasu naświetlania pojedynczej klatki.

Tryb Night Sight jest w stane wykonać do 15 ujęć z czasem naświetlania do 16 s, co daje łączną ekspozycję o długości 4 min. Szesnastosekundowe ekspozycje zapewniają odpowiednią ilośc światła, a łączenie klatek pozwala poprawić jakość zdjęcia.

Dużym wyzwaniem był tzw. prąd ciemny (dark current), przekładający się na szum termiczny. Jest to zjawisko kwantowe degradujące jakość obrazu. Wynika ono z faktu, że matryca przy pracy wytwarza ciepło, czyli energię, a konsekwencją jest wzmożenie ruchu swobodnych elektronów. Takie elektrony mogą być odczytywane przez matrycę dokładnie tak samo, jak elektrony pochodzące ze zjawiska fotoelektrycznego. Mamy więc dodatkową warstwę szumu wywołaną przez nagrzewanie się matrycy.

W trybie nocnym odświeżanie ekranu może spaść maksymalnie do wartości 15 kl./s, aby zachować jakąkolwiek płynność. Problem polega na tym, że na podglądzie widzimy wówczas obraz rejestrowany z czasem 1/15 s. To za mało w zdjęciach nocnych, wiec ekran pokazuje czerń.

Inżynierowie rozwiązali ten sposób wprowadzając mechanizm „promigawkowego podglądu” (post-shutter viewfinder). Po naciśnięciu przycisku migawki matryca zaczyna rejestrować długą ekspozycję, a efekt na bieżąco widzimy na ekranie, na którym podgląd staje się coraz jaśniejszy. Możemy więc przekadrować obraz według swojej wizji i zrobić dobre zdjęcie. Tym samym pierwsza fotografia ma raczej cel podglądowy.

Dużym problemem w takich warunkach jest też autofocus. Skoro nic nie widać na ekranie, jak złapać ostrość? Tutaj z pomocą przyszedł ten sam mechanizm, czyli „promigawkowy autofocus” (post-shutter autofocus).

A konkretnie algorytmy uczenia maszynowego. Google trenuje sieci neuronowe do rozpoznawania, jaki fragment na zdjęciu jest niebem, a jaki nie jest. Niebo jest przetwarzane w inny sposób (m.in. z uwzględnieniem przesuwania się gwiazd), a dół zdjęcia w inny. System działa w obrębie smartfona i nie wymaga połączenia z internetem. Google bazuje na danych pozyskanych z analizy przeszło 10 tys. zdjęć.

W efekcie Pixel 4 jest w stanie zrobić zdjęcie przedstawiające Drogę Mleczną. Do uzyskania takich efektów jest potrzebne wyjechanie poza miasto, gdzie jest jak najmniejsze „zanieczyszczenie światłem”. Takie efekty uzyskane ze smartfona są naprawdę imponujące.