Знакомимся с LOFIC: зачем камерам понадобился запасной карман

Каким бы крутым не был сенсор вашей камеры, сцены с ярким небом и темными тенями для него все еще стрессовые условия. Производители научились обходить эту проблему при помощи программных инструментов, но прогресс не стоит на месте и в свежих камерафонах от разных производителей стала появляться новая технология, позволяющая решать проблему пересветов на уровне железа. Сегодня знакомимся с ней поближе.

Зачем нужен LOFIC

Боль любого фотографа — контровой или неравномерный свет в сцене. В такой ситуации либо выгорают светлые области, либо тени превращаются в глухую кашу. Производители долго лечили это на программном уровне: склеивали несколько кадров, играли с HDR, дорисовывали детали алгоритмами, в последние годы в игру все чаще стал вступать ИИ. Работает ли это? Да, но с оговорками: для создания снимка в HDR требуется больше времени, а фото в движении выглядят смазанными. С инструментами на базе искусственного интеллекта все еще хуже: генеративные модели склонны “дорисовывать” то, чего в кадре вообще не было.
И вот здесь на сцену выходит LOFIC, технология, которая решает проблему на уровне сенсора, а не софта.

Как работает LOFIC

В основе технологии LOFIC (Lateral OverFlow Integration Capacitor) лежит расширение FWC (full-well capacity) — максимального количества электронов, которое один пиксель сенсора может накопить за время экспозиции. Это, по сути, резервуар для накопленного света. Пока резервуар не заполнен, пиксель корректно различает уровни яркости. Но как только он переполняется, происходит клиппинг. Это момент, когда пиксель физически больше не может принять дополнительный заряд, а все значения вместо “ярко”, “очень ярко” и “невыносимо ярко” превращаются в одинаковый сигнал. В изображении это выглядит как выгоревшие участки: белое небо без облаков, фары без формы, лампы — просто светящиеся пятна. Информация там потеряна окончательно. У обычных мобильных сенсоров клиппинг наступает быстро, потому что пиксели маленькие, а их FWC ограничен.
LOFIC вмешивается именно в этот момент. Когда основной фотодиод приближается к клиппингу, избыточный заряд не отбрасывается и не обрезается, а направляется в боковой интеграционный конденсатор. Это позволяет пикселю продолжать накапливать информацию о яркости. В результате клиппинг сдвигается вверх, он наступает значительно позже или вообще не проявляется в сценах, где обычный сенсор уже давно сдался. Светлые участки сохраняют структуру, переходы остаются плавными, а динамический диапазон расширяется без склейки нескольких кадров.
Если говорить максимально просто, то у каждого пикселя камеры есть ограничение: сколько света он может принять за один кадр. Перебор — и информация теряется, а на снимке появляется пересвет. LOFIC добавляет пикселю дополнительную “ёмкость”.

Для любителей цифр

У обычных мобильных CMOS-сенсоров клиппинг находится в диапазоне примерно 5 000–10 000 электронов на пиксель при размере 0,8–1,0 мкм. У LOFIC-пикселей суммарная ёмкость (основная + дополнительная) может достигать 40 000–80 000 электронов, а в лабораторных реализациях — и выше. За счет этого растет нативный динамический диапазон. Типичные значения стандартных мобильных сенсоров без аппаратного HDR около 65–75 дБ, у продвинутых CMOS с двойным усилением (dual gain) — 90–100 дБ и 100–120 дБ у сенсоров с LOFIC при считывании одного кадра. В пересчете на экспозиционные ступени это примерно 16–20 EV, что уже приближается к возможностям профессиональных кинокамер начального уровня, без учета постобработки.
Что касается видео, LOFIC-сенсоры способны работать в режимах 4K HDR при 60 fps без падения нативного динамического диапазона и без уменьшения разрешения, что проблематично для HDR на основе склейки. Задержка считывания при этом остается сопоставимой с обычными сенсорами, что снижает желе-эффекты в сложных сценах с ярким светом.
На чувствительности сенсора технология не сказывается, но за счет лучшего контроля насыщения пикселей улучшается отношение сигнал/шум в ярких областях и уменьшается необходимость агрессивного шумоподавления. В цифрах выигрыш может составлять 1–2 dB SNR в высоких уровнях сигнала, по сравнению с традиционными архитектурами.

Кто всё это придумал

Здесь нет одного гениального стартапа или бренда. Идея выросла из академических исследований CMOS-сенсоров, в первую очередь в Японии. В научных работах начала 2010-х активно фигурируют инженеры, связанные с Университетом Тохоку и исследовательскими лабораториями полупроводниковых компаний. Со временем архитектура дозрела до промышленного уровня, теперь её подхватила индустрия.

Сегодня LOFIC можно встретить во флагманских устройствах Honor, Huawei и Xiaomi, кастомный сенсор с LOFIC, по слухам, готовит Apple. Если смотреть чуть вперёд, эта технология — это часть общего тренда. Камеры постепенно перестают быть догадливыми и становятся более честными, фиксируя изменения в освещении на уровне железа, а не дорисовывая их умными алгоритмами. А это, в первую очередь, уважение к пользователю.
Было интересно? Ищите больше статей о технологиях и возможностях ваших гаджетов в нашем Telegram-канале.