O que é pixel binning e quais as vantagens para câmeras de smartphones?

Pixel binning é uma técnica usada em câmeras de celulares para combinar um conjunto de pixels, formando um superpixel. Com isso, o smartphone gera fotos com alta qualidade de imagem, inclusive em condições de baixa luminosidade.

Apple, Motorola e Samsung estão entre as companhias que adotam o pixel binning. A tecnologia está presente em celulares como iPhone 14 Pro, Edge 30 Ultra e Galaxy S23 Ultra.

Como funciona o pixel binning?

O pixel binning é uma técnica de fotografia computacional que usa algoritmos de combinação para agrupar pixels de modo que eles formem um superpixel, isto é, um pixel maior.

Para entender essa tecnologia, é importante lembrar que o sensor de imagem de uma câmera digital é composto por uma matriz de elementos sensíveis à luz, os pixels. Esses pequenos pontos de luz podem ter tamanhos variados, a depender do tamanho do sensor.

Por serem compactos, celulares contam com sensores menores que os sensores de câmeras DSLR ou mirrorless. O efeito disso é que os pixels também são pequenos. No sensor principal do Galaxy S23 Ultra, cada pixel mede 0,6 mícron.

O problema é que pixels pequenos captam menos luz, mesmo com exposição ampla, o que pode prejudicar a nitidez e qualidade da imagem gerada.

Ao aplicar o pixel binning, smartphones usam o processador de sinal de imagem (ISP) para agrupar dados brutos de pixels vizinhos e formar um pixel único e maior. O resultado é maior sensibilidade à luz, favorecendo a qualidade da imagem até em ambientes com luminosidade baixa.

A contrapartida é que algum ruído pode surgir, embora esse problema costume ser tratado no pós-processamento.

Muitos celulares fazem isso usando um sistema Quad Bayer, que agrupa quatro pixels com filtros da mesma coloração. O superpixel formado assume esse cor.

O pixel binning tende a ser implementado em sensores com um número elevado de megapixels, como a câmera de 48 MP do iPhone 14 Pro. Essa é uma forma de evitar que o agrupamento de pixels reduza demais a resolução da foto ou vídeo.

Arranjos de pixels: tetra-binning, nona-binning e mais

O agrupamento de pixels pode ser feito em vários formatos, como 1×2 (dois pixels em uma coluna) ou 2×1 (dois pixels em uma linha). Mas os arranjos mais comuns são estes:

• Tetra-binning (2×2): esse é o arranjo mais implementado, sendo composto por quatro pixels. Está presente em celulares como o Samsung Galaxy S22. A estrutura Quad Bayer tem um arranjo tetra-binning;
• Nona-binning (3×3): é um arranjo com três pixels por linha e três por coluna, fazendo nove pixels se transformarem em um. Aparece em smartphones como o Xiaomi Poco X5 Pro;
• 4×4: consiste em um agrupamento de 16 pixels, sendo quatro por coluna e quatro por linha. Esse arranjo é aplicado em aparelhos como o Samsung Galaxy S23 Ultra.

Teoricamente, quanto mais pixels um arranjo tiver, maior a nitidez da imagem. Isso porque há mais captação de luz, mesmo quando o sensor é pequeno. Contudo, outros fatores influenciam na qualidade da foto ou vídeo, como o nível de sofisticação do ISP e a capacidade de remoção de ruídos do celular.

O que é a tecnologia Quad Pixel na câmera do celular?

Alguns sensores, como o de 48 megapixels que equipa o iPhone 14 Pro, aplicam o pixel binning por meio da tecnologia Quad Pixel. Trata-se de um arranjo tetra-binning que conta com uma microlente para os quatro pixels (ou subpixels) que formam o superpixel.

Essa é uma abordagem diferente do sistema Quad Bayer, que tem uma microlente para cada subpixel. Com isso, cada um deles pode ser usado individualmente (com uma cor diferente) ou em grupo.

No Quad Pixel, cada arranjo de quatro subpixels tem sempre a mesma coloração (azul, verde ou vermelho). Assim, a câmera consegue obter mais informações de cor, bem como pode registrar mais facilmente imagens com alta faixa dinâmica (HDR) ou em condições de baixa luminosidade.

Quais são as vantagens do pixel binning?

O pixel binning usa fotografia computacional para contornar limitações físicas de sensores das câmeras de dispositivos compactos, como smartphones. Eis alguns benefícios:

• Redução de ruído: a combinação de pixels pode resultar em imagens e com menos ruído, especialmente em condições de pouca luz. Porém, a prevenção de ruídos pode depender de outros fatores, como um pós-processamento eficiente;
• Mais brilho e nitidez: o pixel binning melhora a sensibilidade à luz, permitindo que imagens sejam registradas com mais brilho e nitidez;
• Economia de espaço de armazenamento: o agrupamento de pixels diminui o tamanho do arquivo em relação a uma imagem padrão que aproveita a resolução máxima oferecida pelo sensor;
• Permite sensores pequenos: ao agrupar pixels menores, a técnica ameniza os problemas gerados por menor captação de luz, permitindo que o tamanho do sensor continue pequeno nos celulares.

Quais são as limitações do pixel binning?

Nem sempre o pixel binning é a melhor solução para superar problemas nas câmeras de celulares. A técnica tem limitações como:

• Menor resolução: a técnica reduz a resolução de imagem ao combinar pixels. Isso faz um sensor de 16 MP gerar fotos de 4 MP em um arranjo 2×2. Por isso, o ideal é que o pixel binning seja usado com sensores com mais de 30 megapixels;
• Sensores maiores ainda são melhores: embora o pixel binning melhore a captura de informações nos pixels, sensores fisicamente maiores conseguem ter mais sensibilidade à luz;
• Surgimento de artefatos: a técnica pode fazer a imagem exibir elementos visuais indesejados. Felizmente, muitos celulares contam com recursos de software que eliminam ou reduzem o problema;
• Não permite imagens RAW: o pixel binning muda a composição da foto, por isso, não permite que ela seja salva como uma imagem no formato RAW (com todos os detalhes e dados brutos).

O que é a tecnologia Adaptive Pixel no Samsung Galaxy?

Adaptive Pixel é uma tecnologia que a Samsung introduziu na linha Galaxy S22 que ativa o pixel binning automaticamente em cenas de baixa luminosidade.

Quando em ação no Galaxy S22 Ultra, o Adaptive Pixel sai do modo de alta resolução do sensor de 108 MP e entra no modo de alta sensibilidade de 12 MP. Essa mudança é aplicada pelo processador de sinal de imagem em um arranjo nona-binning.

Trata-se de uma solução híbrida, pois, dependendo das circunstâncias, o Adaptive Pixel faz fotos tanto em 108 MP quanto em 12 MP, e combina os quadros de ambos os modos para gerar uma imagem com alto nível de detalhes.

A tecnologia também está presenta na linha Galaxy S23, com destaque para a versão Ultra, que troca o sensor de 108 MP por outro de 200 MP.

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