Матрица цифрового фотоаппарата: типы, размер, разрешение, светочувствительность, чистка - kupihome.ru

Матрица цифрового фотоаппарата: типы, размер, разрешение, светочувствительность, чистка

Матрица фотоаппарата — ее устройство, характеристики, рекомендации по выбору

Матрица фотоаппарата – один из основных компонентов современной фототехники. На ее поверхности строится изображение, которое фиксируется чувствительными элементами (их называют пикселями). Существует множество эффективных алгоритмов дальнейшей обработки сигнала, но именно матрица стоит в самом начале электронного тракта фотокамеры и в наибольшей степени влияет на качество фотоснимка.

До появления матрицы использовалась пленка. Принципиально устройство фотоаппарата с тех пор изменилось мало. Изображение, как и раньше, строится объективами разных типов на светочувствительной поверхности, а далее посредством различных технологических процессов переносится либо на бумагу, либо на дисплей компьютера. Но матрица имеет перед пленкой одно существенное преимущество – мгновенное получение результата. Именно это главным образом и определило повсеместное применение матриц в качестве фотосенсоров.

Устройство и типы матриц

Современная матрица — это микросхема, поверхность которой состоит из множества чувствительных к свету элементов. Каждый элемент является самостоятельным светоприемником, преобразующим падающий на него свет в электрический сигнал, который после предварительной обработки записывается на карту памяти. Изображение, которое мы видим, состоит из совокупности записанных в цифровом виде сигналов с каждого элемента, а значит, имеет дискретную структуру.

Существует две технологии преобразования света в сигнал, на которых может работать матрица фотоаппарата. Первая основана на свойстве полупроводниковых диодов накапливать электрический заряд под воздействием света, и носит название ПЗС (прибор с зарядовой связью) или CCD (то же самое по-английски). Вторая технология также использует накопление заряда, но в качестве приемника применяется не диод, а транзистор, что позволяет организовать усиление сигнала непосредственно в самом светочувствительном элементе. Эта технология называется КМОП (расшифровка мало что скажет неспециалисту, приводить ее не буду) или CMOS по-английски. Соответственно существуют и два типа матриц – ПЗС и КМОП.

Первая матрица работала по технологии ПЗС, поскольку эта технология проще и была внедрена первой. Сейчас более перспективным считается принцип КМОП, поскольку предварительное усиление сигнала непосредственно в элементе матрицы позволяет повысить чувствительность, снизить шумы, сократить энергопотребление и уменьшить стоимость матрицы. Несмотря на это, ПЗС матрицы все еще продолжают использоваться и сегодня.

Элементы, из которых состоит матрица фотоаппарата, способны фиксировать только интенсивность падающего на них света. Для того, чтобы записать цвет, необходимо, как минимум, три таких элемента (такое количество связано с особенностями восприятия цвета человеческим глазом, имеющим три вида колбочек), каждый из которых отвечает за свою область спектра. Чтобы реализовать цветовую чувствительность, перед каждым элементом ставится светофильтр, который пропускает только вполне определенный цвет – красный, зеленый или синий (модель RGB – Red-Green-Blue – которая используется в подавляющем большинстве матриц).

Таким образом, получается, что матрица состоит из набора трех видов сенсоров, при этом располагаться они могут разными способами – четырехугольником, у некоторых матриц шестиугольником, да и количество элементов разного цвета может быть разным. Например, в широко распространенном фильтре Байера на каждый красный и голубой элемент приходится два зеленых, при этом они еще и распределены случайным образом. Это сделано, чтобы смоделировать повышенную цветовую чувствительность человеческого глаза к зеленому цвету.

А что же тогда такое всем известный пиксель? Это легко понять, если представить себе, что фотоаппарат работает так же, как глаз. Изображение строится зрачком (объектив), воспринимается сетчаткой с палочками и колбочками (матрица) и обрабатывается мозгом (процессор). Собственно саму картинку мы видим мозгом, ведь структура сетчатки так же дискретна, как и матрица фотоаппарата.

Так вот пиксель – это логическая структура, формирующаяся в результате обработки сигнала процессором фотоаппарата по специальным алгоритмам. Пиксель может состоять и из одного светочувствительного элемента, и из трех и более. Например, в уже знакомом нам фильтре Байера цвет каждого элемента вычисляется по информации, полученной от окружающих его элементов, а следовательно, пиксель состоит из одного светочувствительного элемента. У разных матриц и алгоритмов это может быть по-разному.

По большому счету, нам все сказанное не так важно. На технологическом поле бьются производители фототехники, выпуская все более совершенные матрицы и постоянно улучшая алгоритмы обработки изображений. Что действительно нужно понимать, так это то, что для нас как пользователей, матрица состоит из пикселей, каждый из которых является элементом изображения, несущим информацию об интенсивности света и его цвете. А алгоритм обработки мы вообще вряд ли узнаем, поскольку свои ноу-хау производители берегут как зеницу ока.

Мы рассмотрели, как устроена матрица фотоаппарата, а теперь перейдем к ее основным характеристикам, понимание смысла которых поможет вам правильно выбрать хороший фотоаппарат.

Размер матрицы

Самая важная характеристика. И вот почему. Любой приемник излучения обладает шумами, т. е. на полезный сигнал всегда накладывается паразитный шум. Матрица не является исключением. Из теории известно, что чем больше света поступает в приемник излучения, тем меньше относительное влияние шума. Отсюда следует очевидный вывод: чем больше площадь чувствительного элемента, тем больше на него падает света, тем меньше шум.

Таким образом, чтобы матрица меньше шумела, она должна иметь больше размер и меньше пикселей. В этом случае можно будет снимать с большей чувствительностью ISO, с длинными выдержками, в темное время суток, ночью и т. д. и получать при этом фотографии высокого качества. Рассмотрим, какие размеры имеют современные матрицы.

Исторически сложилось так, что вместо того, чтобы просто указать размеры, например в миллиметрах, для обозначения размеров матриц используются малопонятные и запутанные величины типа 1/2,7”. Это длина диагонали матрицы в долях дюйма (надо же такое придумать!). Тем не менее, такое обозначение указывается наиболее часто, и есть мнение, что это делается специально, чтобы запутать потребителя, поскольку производители не очень любят афишировать размер матрицы. С размером тесно связано понятие кроп фактора – отношения диагонали полного кадра к диагонали матрицы, который также не вполне очевиден, но часто указывается в характеристиках фотоаппарата.

Самая большая матрица из доступных (среднеформатные мы здесь рассматривать не будем из-за их очень высокой стоимости) имеет размер полного кадра 24х36 мм (кадр малоформатной пленочной камеры). Такая матрица применяется в полнокадровых зеркалках и дорогих беззеркальных фотоаппаратах. Отличается высокой чувствительностью, малыми шумами и отличным качеством изображения.

Все остальные матрицы меньше. Самые маленькие используются в компактных любительских мыльницах, они же имеют и самые низкие характеристики. Зато и цена таких фотоаппаратов весьма доступна. Рекомендация здесь одна: покупайте фотоаппарат с большей матрицей.

Разрешение матрицы

Вторая важная характеристика. Отвечает за детализацию изображения. Измеряется в миллионах пикселей – мегапикселях (МПикс.). Чем больше разрешение, тем большего формата фотографию можно напечатать и больше увеличить изображение на мониторе. Иными словами, тем большее количество информации несет цифровой снимок.

К сожалению, эта характеристика сильно пострадала в маркетинговых войнах производителей фототехники. Когда цифровая фотография только начиналась, разрешение действительно было главным параметром матрицы. Тогда матрица фотоаппарата мыльницы имела разрешение 3 – 4 МПикс., а у профессиональных зеркалок около 6. Этого мало, поскольку с 6 МПикс. можно напечатать фотографию размером не более А4, а ведь это профессиональная камера!

Но потом началась гонка мегапикселей, которая привела к тому, что качество изображения недорогой мыльницы с 16 МПикс. стало хуже, чем у зеркалки с 10 МПикс. Маленькая матрица 1/2,7” просто не в состоянии обеспечить приемлемый световой поток для 16 МПикс. втиснутых в 5,27х3,96 мм. Снимок получается шумным, шумоподавляющие алгоритмы замыливают картинку, четкость падает. В общем, беда. А ведь с 16 МПикс можно было бы легко напечатать фотографию 40х30 см и даже больше (!). Правда, в случае матрицы большего размера (например, формата APS-C размером 25,1×16,7 мм) , а не с той, о которой я говорю.

Вы сами должны решить, фотографии какого формата будете печатать или рассматривать на мониторе. А рекомендация здесь состоит в том, что предпочтительнее выбрать матрицу с меньшим разрешением, но с большим размером, она точно будет работать лучше. Например, для матриц упомянутого выше формата APS-C оптимальным можно считать разрешение 12 – 16 МПикс. А часто ли вы печатаете фотографии формата А3?

Светочувствительность матрицы

Эта характеристика определяет возможность матрицы регистрировать слабые световые потоки, т. е. снимать в темноте или с короткими выдержками. Определяется в единицах международного стандарта ISO. Как мы уже говорили выше, чем больше чувствительность, тем больше шумов. Матрица фотоаппарата типа КМОП шумит меньше, чем ПЗС. Большая по размерам меньше, чем маленькая. С меньшим разрешением меньше чем с большим.

Обычно фотоаппарат настроен по умолчанию на чувствительность 100 ISO. Качественные крупные матрицы на 200 ISO. Рекомендую снимать с как можно меньшей чувствительностью. Повышение чувствительности приводит к шумам и оправданно только тогда, когда по-другому снять кадр вообще невозможно, например, ночью без штатива или быстродвижущийся объект в условиях недостаточной освещенности. Во всех остальных случаях устанавливайте чувствительность как можно меньше.

Соотношение сигнал/шум матрицы

Этот параметр как раз и отражает шумность матрицы. Практически мы уже рассмотрели, как матрица фотоаппарата создает шумы и от чего они зависят. Добавлю лишь то, что кроме типа, размера, чувствительности, шум зависит еще и от температуры матрицы, чем она выше, тем шум больше. А при интенсивной работе матрица нагревается. В беззеркальных фотоаппаратах матрица работает постоянно, а в зеркалках только в момент срабатывания затвора, поэтому при прочих равных условиях матрицы даже любительских зеркальных фотоаппаратов шумят меньше.

Читать еще:  Можно ли мыть ламинат паровой шваброй?

Борьба с шумом это отдельная тема. Развитие цифровой техники идет очень быстрыми темпами и с каждым годом матрицы становятся все более совершенными. Шум можно значительно уменьшить при обработке снимков в фоторедакторах, но помните, что даже великий Photoshop не всемогущ, поэтому старайтесь придерживаться рекомендаций, которые давались выше.

На этом рассмотрение матриц можно завершить. Надеюсь, что современная матрица, пришедшая на смену пленке, не разочарует вас, поэтому снимайте, экспериментируйте и учитесь! И не экономьте на матрице, хотя эта рекомендация уже из другой области.

Светочувствительность ISO матрицы фотоаппарата

Светочувствительность (ISO) – чувствительность матрицы фотоаппарата к объему получаемого света. Существуют разные значения ISO. В современных фотоаппаратах светочувствительность можно регулировать самостоятельно в зависимости от каждой конкретной ситуации.

Влияние на шум

Шумы – это искажение на изображении, представляющее серые и белые точки. Чем выше уровень светочувствительности, тем заметнее будут шумы; верна и обратная пропорциональность: чем ниже ISO, тем менее выражены шумы на фотографии. Самые качественные изображения получаются тогда, когда съемка происходит на низких значениях ISO: 50, 100, 200.

Почему возникают шумы? Увеличение чувствительности – это, по сути, усиление всех сигналов, полученных с пикселей. При усилении электрического сигнала усиливаются и посторонние сигналы, то есть помехи. Чем больше матрица фотоаппарата, тем меньше возникает шумов.

С каким ISO выбрать камеру?

При выборе фотоаппарата следует помнить следующие рекомендации:

  • Обратите внимание на максимально и минимально возможные значения ISO;
  • Не гонитесь за высокими значениями светочувствительности, ведь они вряд ли пригодятся вам на практике, так как большое ISO приводит к низкому качеству фотографий;
  • Вы все же желаете, чтобы показатели ISO на вашей камере были высокими? Обратите внимание на профессиональные и полупрофессиональные фотоаппараты. Большой размер их матрицы снижает количество шумов на фото;
  • Хуже всего с помехами дело обстоит на цифровых мыльницах. Если на зеркальной камере ISO 400 вполне можно работать, то на цифровых фотоаппаратах при этих же показателях уже начинают проявляться шумы.

Как настроить ISO?

При самостоятельной настройке ISO воспользуйтесь следующими советами:

  • Съемка должна производиться на минимально возможных значениях ISO. Поднимать уровень светочувствительности следует только в самых крайних случаях;
  • При низких значениях ISO выдержка оказывается излишне длинной для съемки с рук;
  • Если вы желаете задать самое низкое значение ISO, максимально откройте диафрагму, верна и обратная пропорция;
  • Не стоит устанавливать высокий уровень ISO в том случае, если на фотоаппарате включена вспышка;
  • Для уменьшения выдержки необходимо увеличить светочувствительность, верна и обратная пропорция.

Какой должна быть экспозиция в фотографии?

При помощи выдержки в фотоаппарате вы можете делать красивые снимки даже в темное время суток, читать подробную статью.

Правило золотого сечения в композиции фотографии. Читайте о классическом и диагональном случаях применения правила.

Высокие и низкие значения ISO

Особенности фотоаппаратов с расширенным диапазоном светочувствительности:

  • При расширении в высокий диапазон светочувствительности, то есть на камерах с повышенным ISO, на снимках будет очень заметен эффект шумности. Покупка такой камеры чаще всего совершенно бессмысленна, если только вы не занимаетесь печатью фото в малых размерах, на которых шум не так виден;
  • При расширении в низкий диапазон светочувствительности появляется возможность работать на более длинных выдержках. Значительно улучшается уровень бесшумности изображения. В то же время, теряется контрастность фото.

В каких случаях требуется высокое значение ISO?

  • Спортивные мероприятия, праздники для детей, где съемка производится на короткой выдержке, так как в ином случае велик риск получения смазанных фотографий;
  • На вернисаже, в церкви, театре, выставки и любых иных местах, где существует запрет на использование вспышки;
  • Съемка различных значимых моментов: поцелуй, задувание свечей на торте в день рождения. Вспышка может испортить впечатление от этих памятных мгновений.

Как измерить ISO?

Светочувствительность принято измерять в единицах ISO, ее стандартные значения: ISO 100, ISO 200, ISO 400 и так далее. Каждое последующее значение увеличивает светочувствительность вдвое. В дорогих фотоаппаратах существуют промежуточные уровни ISO. В автоматическом режиме значения светочувствительности могут быть любыми, в том числе и промежуточными. Высокие значения ISO применяются при недостаточном освящении. Таким образом можно сделать снимок на более короткой выдержке.

Автоматическое ISO

Автоматическая настройка ISO в фотоаппарате, как очевидно из названия, задает оптимальные значения светочувствительности в автоматическом режиме. Функция эта крайне удобна, ведь снимки приходится делать при разном освящении, а постоянное блуждание в настройках не способствует открытым творческим порывам.

Однако у автоматической настройки ISO есть свои минусы. При задавании параметров она не учитывает последствий высокого уровня светочувствительности. В итоге получаются фото с повышенной шумностью. Справиться с проблемой можно, если у вас камера с ограничителем ISO. Она позволяет задавать максимально возможное значение ISO.

Настраивайте глубину резкости правильно, руководствуясь советами нашей статьи.

Как диафрагма влияет на резкость ваших снимков — узнаете в этой статье.

Заключение

В сущности, о светочувствительности нужно знать одно: чем выше ISO, тем ниже качество фотографии, однако в некоторых случаях без высоких значений светочувствительности обойтись сложно.

Сенсоры цифровых фотоаппаратов

Современная цифровая камера для более или менее серьезных занятий любительской фотосъемкой — это фотоаппарат с сенсором разрешением не менее 4 мегапикселя. Почему не 2 мегапикселя (не говоря уже о меньших значениях разрешения)? Дело в том потенциале, что заложен в фотографию высокого разрешения. Снимок с разрешением в 2272х1704 пикселя (нормальное разрешение для сенсора в 4,23 мегапикселя) легко поддается кадрированию. Его можно без каких бы то ни было потерь вывести на экран в оконном и полноэкранном режиме. Наконец, фотографию можно распечатать на бумаге, получив отпечаток 10х15 см очень хорошего качества и даже формата А4 (стандартный альбомный лист ) при вполне приемлемом качестве. Со снимком разрешением 1600х1200 пикселей (нормальное разрешение для сенсора в 2 мегапикселя), как бы хорошо он ни выглядел (а выглядит он и в самом деле замечательно), подобные манипуляции весьма проблематичны.

Вторая важнейшая характеристика светочувствительного сенсора — его физический размер. Он измеряется по диагонали и обозначается в долях дюйма. При этом форма сенсора, как правило, прямоугольная с соотношением сторон 4:3, хотя в магазинах уже можно купить фотоаппараты с широкоформатными сенсорами с соотношением сторон 16:9 (подобные камеры выпускает Samsung, Kodak, Matsushita и другие компании).

Здесь же кроется одно исторически сложившееся несоотвествие. Дело в том, что соотношение сторон стандартного для большинства стран бумажного отпечатка 10х15 сантиметров равняется 2:3 (или 3:2, это непринципиально). Почему же сенсоры имеют соотношение сторон 4:3, ведь при печати снимка на бумаге часть изображения, края картинки, будут обрезаны? Да, будут. Это неизбежные издержки цифровой фотографии. Дело в том, что размеры сенсора оптимизированы под вывод снимка на компьютерный монитор в полноэкранном режиме. А соотношение сторон стандартного компьютерного монитора как раз и соответствует соотношению 4:3. Широкоэкранные мониторы имеют соотношение сторон 16:9. А фотобумага — 3:2. Правда, в некоторых камерах (пример — камеры Panasonic, Canon серии Digital IXUS и другие) позволяют сохранять снимки с соотношением сторон 3:2, но ценой уменьшения разрешения.

Чем больше физический размер сенсора, тем он работает точней и эффективней. Сенсор размером в 1/1,8 дюйма лучше, чем сенсор размером 1/3,2 дюйма, поскольку на большей площади кристалла умещается большее количество светочувствительных ячеек (значит, выше и разрешение). Более того, при одинаковых значениях разрешения сенсор большего размера лучше, чем сенсор меньшего размера. В этом случае ячейки сенсора имеют большие размеры, значит и такие параметры оцифровки изображения, как динамический диапазон и устойчивость к шумам, выше.

Размер сенсоров зеркальных камер измеряется в миллиметрах по сторонам кадрового окна. Дело в том, что величина матрицы этих фотоаппаратов вплотную приближается к стандартному размеру кадрового окна узкопленочной 35-мм камеры, то есть 36х24 мм, и в общих случаях соответствует пленочному стандарту APS . Это позволяет использовать на цифровом фотоаппарате совместимую оптику от пленочных камер того же производителя. Но при этом следует учитывать изменение фокусного расстояния сменных объективов — тот самый кроп-фактор. К примеру, на фотоаппаратах Canon EOS 400D с сенсором размером 28,7 мм по горизонтали и 19,1 мм по вертикали изменение фокусного расстояния всей линейки объективов для пленочных камер Canon будет кратно 1,6 единиц в сторону увеличения — ровно настолько, насколько матрица камеры меньше стандартного кадрового окна пленочного фотоаппарата. У любительских зеркальных камер Nikon кроп-фактор меньше — 1,5, а у Olympus и Panasonic (они относятся к так называемому стандарту 4/3, поскольку их сенсоры меньше по размерам, чем размеры кадра APS ) больше — 2. То есть нормальный 50-мм объектив на цифровой зеркальной камере Nikon D50 (приводим для примера) будет иметь фокусное расстояние в 75 мм (получается не нормальный универсальный объектив, а умеренный телевик, подходящий для портретной съемки).

Следующая крайне важная, но достаточно трудноопределимая без специального оборудования характеристика светочувствительных сенсоров — соотношение сигнал / шум. В той или иной степени шумят любые сенсоры, включая и самые на сегодняшний день совершенные. Цветовые шумы проявляются на снимке в виде мелких окрашенных точек (артефактов) в тенях и в виде цветовых ореолов вокруг контуров фигур на границах контрастных переходов. Бороться с шумами очень трудно. В случае необходимости применяются специальные фильтры — утилиты, работающие в программной среде графического редактора Adobe Photoshop. Фильтры способны в некоторой степени смягчить шумы , замещая артефакты точками с усредненными значениями цвета и яркости. Если фильтры не способны убрать все артефакты и ореолы, приходится править снимок вручную, сильно увеличивая и ретушируя элементы изображения.

Читать еще:  Ремонт йогуртницы: причины и способы устранения неисправностей

Ни один способ правки изображения не дает стопроцентного избавления от шумов. Поэтому фотолюбителю, если качество снимков для него в самом деле значимо, приходится следовать элементарным правилам как при выборе камеры, так и при практической съемке. Первое правило — не приобретать дешевых камер с матрицами низкой светочувствительности. Склонность к шумам наиболее присуща сенсорам CMOS , которые устанавливаются в фототелефоны, и сенсорам CCD самых дешевых компактных камер, в которые обычно встраиваются сенсоры предыдущего поколения, да к тому же и очень небольшие по размеру.

Шумят сенсоры и у более серьезных камер. Технология цифровой фотографии очень молода, а потому производство сенсоров бурно совершенствуется. Поколения матриц сменяют друг друга быстрей, чем морально устаревают конкретные модели фотоаппаратов (а они устаревают достаточно быстро, в течение примерно двух лет). Сенсоры разрешением в 4 мегапикселя, которые устанавливались в камеры средней и даже старшей группы два-три года назад сегодня применяются в недорогих любительских фотоаппаратах. Их место занимают матрицы с повышенными характеристиками, в том числе и по устойчивости к шумам. Следовательно, выбирать следует ту модель, которая выпускается не слишком долго, не более года. Тогда у фотографа будут основания предполагать, что сенсор его камеры склонен к шумам в минимальной степени.

Второе правило касается изменения светочувствительности сенсора. В большинстве цифровых фотоаппаратов с достаточно развитыми сервисными функциями светочувствительность устанавливается как автоматически, так и вручную. В режиме auto компьютер фотоаппарата сам выбирает значение светочувствительности сенсора в зависимости от уровня освещенности снимаемого объекта и установленного программного режима работы камеры. Например, в режиме «ночной портрет» светочувствительность будет выбрана максимальной, а в обычном режиме — минимально возможной (если позволяет освещение).

Чем выше значение светочувствительности матрицы, тем она больше шумит. Следовательно, лучше совсем отказаться от применения автоматического режима и выставить селектор выбора значения светочувствительности сенсора на минимальное значение , поскольку минимальное значение соответствует реальной светочувствительности сенсора. В этом режиме не задействованы электронные схемы усиления сигнала, которые вносят дополнительные искажения и приводят к появлению артефактов в тенях. Если же условия освещения таковы, что автоматика камеры устанавливает слишком длительную выдержку, с которой невозможно снимать без штатива, то значение светочувствительности можно увеличить, но при этом надо быть готовым к тому, что уровень шумов существенно повысится.

И еще одно правило, заключающееся в том, что не следует предъявлять к цифровому фотоаппарату завышенных требований. То, что по силам высококачественной фотопленке, цифровому фотоаппарату не по силам в принципе. Цифровой фотоаппарат не способен снимать в условиях слишком низкой освещенности без применения источников искусственного света, импульсных фотовспышек или ламп накаливания. А профессиональная пленка светочувствительностью в 3200 единиц ISO (в современных камерах ISO доведен до 6400) вытянет снимок даже при свете одной свечи (причем, в буквальном смысле).

Две качественные характеристики, напрямую влияющие на результат съемки — динамический диапазон сенсора и разрядность представления цвета. Первая из этих характеристик отражает способность матрицы передавать световые оттенки, вторая относится не только собственно к сенсору, но и к аналого-цифровому преобразователю, переводящему электрические сигналы с выводов матрицы в цифровой код.

Динамический диапазон — это количество оттенков серого (то есть уровней яркости), которые способен различить светочувствительный материал (фотопленка или сенсор цифровой камеры) между абсолютно черным и абсолютно белым цветом. Чем выше динамический диапазон , тем выше достоверность изображения на экспонированном носителе. Самым высоким динамическим диапазоном обладает негативная фотопленка. Поэтому до сих пор, несмотря на достижения цифровых технологий, для демонстрации фильмов в кинотеатрах используются обычные пленочные, а не цифровые проекторы.

Среди цифровых устройств наибольшим динамическим диапазоном обладают барабанные сканеры, которые применяются в полиграфии и стоят десятки тысяч долларов. Динамический диапазон планшетных сканеров CCD гораздо меньше, но еще меньше динамический диапазон сенсоров цифровых фотоаппаратов. У самых дорогих профессиональных фотоаппаратов этот показатель лишь приближается к уровню фотобумаги на основе галогенидов серебра (а ее динамический диапазон , соответственно, в десять раз меньше диапазона фотопленки).

Качество цветопередачи цифрового фотоаппарата выражается разрядностью цвета. Разрядность цвета — это сумма значений разрядности оцифровки каждого цветового канала. К примеру, каждый цветовой канал большинства матриц цифровых фотоаппаратов любительского класса способен зафиксировать 256 оттенков (или градаций) серого, что составляет 8 бит . В этом случае разрядность сенсора будет 8+8+8=24 бита, по 8 бит на каждый цветовой канал (красный, зеленый, голубой). В принципе, 24-битного представления цвета вполне достаточно для получения качественного фотоснимка, поскольку в этом случае АЦП камеры выдаст снимок, содержащий 16,7 млн. цветовых оттенков. Но в продаже можно встретить камеры как с более высокой разрядностью кодирования цвета по 10 или 12 бит на канал, так и с низкой — по 4 или 6 бита на канал. Избыточная разрядность до 36 бит (то есть по 12 бит на канал) используется в профессиональных камерах, предназначенных для получения снимков с максимально достоверной цветопередачей. Хотя сегодня сенсорами с повышенной разрядностью цветового кодирования оснащают и камеры любительского класса. А матрицы с пониженной разрядностью в 12 или 16 бит устанавливают в бюджетные сотовые фототелефоны.

Матрица светочувствительных элементов не только самая сложная и самая дорогая деталь цифрового фотоаппарата, но и самая уязвимая. Она подвержена старению (электрохимическому износу) и, как следствие, изменениям светочувствительности, а также, по всей видимости, выходу из строя отдельных ячеек. Если на естественное старение матрицы владелец фотоаппарата не может повлиять никак, то возможность уберечь сенсор от нежелательных воздействий окружающей среды и, тем самым продлить срок службы фотоаппарата в целом, у него есть.

Как любое сложное электронное устройство, состоящее из множества микроскопических элементов, сенсор цифровой камеры боится резких температурных перепадов, при которых в материале подложки и пленочных слоях оптических фильтров возникают внутренние деформации, а на поверхности сенсора образуется конденсат. Если пленочная камера, особенно механическая, способна работать при очень низких температурах, то цифровой фотоаппарат при отрицательных температурах работать не будет. Во-первых, даже на легком морозе сенсор цифровой камеры может изменить светочувствительность в сторону уменьшения. Во-вторых, изображение на встроенном контрольном дисплее станет слишком светлым и малоконтрастным, чтобы пользоваться дисплеем в качестве видоискателя. В-третьих, пострадают элементы питания (литиевые аккумуляторы при температуре минус 10 градусов могут попросту взорваться).

Если возникает необходимость снимать цифровой камерой при низких температурах, следует позаботиться о надежной защите фотоаппарата. Камеру следует держать в тепле, под верхней одеждой, вынимая фотоаппарат для съемки и тут же пряча его под шубу или пальто. Работа со штативом или неторопливое кадрирование исключаются. В крайнем случае следует воспользоваться утепленным меховым или тканевым чехлом. Но при этом надо помнить, что остывшая камера при перемещении в тепло (даже под шубу) тут же покроется капельками влаги. Из замерзшей камеры надо немедленно удалить элементы питания или аккумулятор и убрать фотоаппарат в чехол до того момента, пока температура не выровняется. В противном случае на поверхности сенсора и линзах объектива могут образоваться капли влаги, которые приведут к короткому замыканию электрических цепей камеры и иным неприятностям.

Светочувствительные матрицы в цифровых камерах

Употребляя термин «цифровой», мы как-то не задумываемся, а что же он означает и чем цифровая техника отличается от традиционной. Ведь была же другая техника — магнитофоны, пленочные фотоаппараты, радиоприемники. Почему же все стало меняться на «цифровое»? И в чем разница?
Мир, окружающий нас, является аналоговым. Это означает, что звуки и изображения доносятся до наших органов чувств в виде волн — звуковых или электромагнитных. Волны воспринимаются органами чувств (слух и зрение) и в виде импульсов передаются в мозг. Информация, передаваемая аналоговым способом, легко искажается при передаче и требует огромных емкостей при использовании в технике. Для упрощения процессов, связанных с передачей и обработкой информации, был изобретен способ «оцифровки» информации. Оцифровка — это процесс преобразования аналоговой информации в цифровую. Техника, которая работает с такой формой информации, стала называться цифровой. Цифровая информация легко контролируется, она дает стабильное и регулируемое качество для звука и изображений. Она требует меньших емкостей для хранения, т.е. для мира техники цифровая информация подходит гораздо лучше, чем аналоговая.
Процесс оцифровки аналоговой информации проходит два основных этапа. На первом этапе аналоговая информация разбивается на небольшие равные части. Вторым этапом каждая часть анализируется и зашифровывается некоторыми алгоритмами в последовательности единиц и нолей.
Если применить термины «аналоговый» и «цифровой» к фотографии, то можно сказать, что пленочный фотоаппарат — аналоговый, потому что пленка фиксирует излучение на светочувствительном слое посредством объектива фотоаппарата. А что происходит в цифровой камере? В камере таким светочувствительным слоем является матрица — микросхема с миллионами светочувствительных ячеек.
Свет, который падает на матрицу, распределяется по этим ячейкам. Каждая ячейка фиксирует интенсивность упавшего на нее света, накапливая заряд, пропорциональный интенсивности света. Это и есть первый этап оцифровки. Аналоговое изображение разбивается на одинаковые маленькие фрагментики. Затем каждая ячейка передает эту информацию на встроенный компьютер камеры. Обработав ее, компьютер камеры формирует полное изображение. Заметьте, что конечное изображение все равно будет состоять из множества точечек, которые называют пикселями. Каждый пиксель — это информация, переданная с матрицы от одной ячейки. Легко догадаться, что чем больше ячеек в матрице и чем меньше их размер, тем меньше цифровое изображение будет отличаться от аналогового. И тем незаметнее будут эти отличия. Каждый квадратик-пиксель несет информацию только об одном цвете.
А как шифруется полученное изображение? Общий принцип шифрования одинаков, но существуют варианты его использования. Начнем с самого простого.
Если мы возьмем изображение и будем шифровать его только двумя состояниями пикселей — включенное и выключенное (или два цвета — черный и белый), то получим двухцветную цифровую картинку.
Про такое изображение говорят, что оно имеет цветовую глубину (Color Depth) в 1 бит. Понятие «цветовая глубина» описывает, сколько бит выделяется для хранения одного пикселя изображения в процессе кодирования. Ячейки матрицы либо уловили свет, либо нет. На самом деле все немного сложнее.
В цветовой модели Grayscale (Градации серого) как и в рассмотренном выше примере, пиксели могут быть представлены только градациями серого. Но в ней цветовая глубина увеличена до 8 бит на пиксель, т.е. информация об одном пикселе хранится в 8 битах, а не в одном. Это позволяет иметь 256 уникальных комбинаций бит, и соответственно, 256 различных оттенков серого. Каждая ячейка матрицы при восприятии света как бы накапливает некий заряд, и размер этого заряда пропорционально переводится в один из оттенков серого.
В модели RGB на каждый пиксель выделяется 24 бита. Но пиксель содержит информацию о трех каналах — красном, зеленом и синем. На каждый из каналов выделяются те же 8 бит, что и в Grayscale, a 24 бита получаются при сложении информации обо всех трех каналах, таким образом и получается, что эта модель может отобразить 16 млн. оттенков (два в 24-й степени). Цифровые камеры как раз и используют эту цветовую модель.
Раньше мы немного погрешили против истины, сказав, что один светочувствительный элемент формирует один пиксель. Дело в том, что светочувствительные элементы матрицы не различают цветов. Они могут зарегистрировать только интенсивность света, но не могут отличать цвета друг от друга.

Читать еще:  Направляющая приставка, зажим для дрели, штатив для вертикального сверления

CCD-матрица
В основной массе цифровых фотокамер используются так называемые CCD-матрицы (Charge Coupled Device — прибор с зарядовой связью (ПЗС)). В качестве чувствительных ячеек в таких матрицах используются конденсаторы, которые накапливают заряд пропорционально продолжительности и интенсивности падающего на них света. CCD-технология была изобретена в октябре 1969 года инженерами Джорджем Смитом (George Smith) и Уиллардом Бойлем (Willard Boyle), которые работали в Bell labs. Сейчас эта технология широко используется не только в цифровой фотографии, но и в сканерах, факсах и других устройствах.
CCD-матрица — это кремниевый чип, покрытый множеством маленьких электродов, которые называются фотосайтами (Photosites). Фотосайты выстроены в виде решетки, и каждый из них соответствует одному пикселю на полученном снимке. Таким образом, можно сказать, что количество фотосайтов соответствует разрешению изображения — изображение будет состоять из стольких пикселей, сколько фотосайтов содержит матрица.
Перед съемкой все фотосайты заряжаются электронами. Когда свет попадает на фотосайт, электроны собираются на нем в количестве, пропорциональном количеству и интенсивности упавшего света, таким образом каждый фотосайт набирает некоторый отрицательный заряд, пропорциональный интенсивности света. После засветки матрицы остается только измерить заряд каждого фотосайта и перекодировать его в некую цифру, в соответствии с глубиной цвета, предусмотренной для этой матрицы. Обычно используется глубина цвета в 8 бит. Заряд кодируется цифрами от 0 до 255.
Название CCD-матрицы возникло от способа, которым камера считывает заряды с отдельных фотосайтов. Дело в том, что заряды считываются только с одного ряда фотосайтов, а ряды связаны друг с другом. После считывания ряда заряд удаляется с него, затем на него переходят заряды следующего ряда, и так — пока не будут считаны все ряды. После этого вся матрица перезаряжается и готова к съемке следующего изображения.
Как говорилось ранее, фотосайты не различают цветов. Они воспринимают только интенсивность света. Чтобы получить цветное изображение, используют цветовые фильтры (маски) для матрицы. Самой распространенной является схема, основанная на шаблоне Байера. Этот шаблон состоит из 4 фильтров — двух зеленых, одного красного и одного синего. Глаз человека воспринимает зеленый цвет лучше, чем остальные, поэтому изображение, насыщенное зеленым, субъективно воспринимается более натуральным. Из-за своей структуры схема Байера иногда называется GRGB (зеленый-красный-зеленый-синий).
Фотосайты, находящиеся под маской, воспринимают интенсивность света одного определенного цвета. Конечная картинка получается с помощью интеллектуальной интерполяции соседних фотосайтов в изображении, получившемся на матрице. Процесс интерполяции называется демозаикой. Алгоритм демозаики у каждого производителя свой и очень сильно влияет на качество получаемого изображения. Простая квадратичная интерполяция анализирует все фотосайты, соседние с рассматриваемым. Она используется в основной массе CCD-матриц. Фирма Hewlett-Packard использует аналогичный метод, но в данном случае анализируются области размером 9×9 пикселей. А фирма Canon» используя квадратичную демозаику, взяла другую схему цветовых фильтров. Вместо GRGB-схемы она использует CYGM-схему (голубой, желтый, зеленый, пурпурный).
Размер матрицы небольшой. В компактных недорогих камерах используются матрицы размером 1/1.27″, т.е. с диагональю всего около 10 мм. В более качественных камерах размер матрицы — 1/1.8″, а в полупрофессиональных моделях размер еще больше — 2/3″.
Чем больше геометрический размер матрицы (измеряемый в мм, а не в мегапикселях), тем выше разрешение, чувствительность, точнее цветопередача изображения и, главное, меньше шумы, вносимые матрицей в изображение.
По количеству светочувствительных ячеек матрицы называют 3-, 5-, 7- и т.д. мегапиксельными, т.е. матрица имеет 3, 5, 7 млн. ячеек (пикселей) соответственно. Не все фотосайты (пиксели), которые есть в матрице, используются ею для формирования изображения. Некоторые пиксели не попадают в область, засвечиваемую объективом. Некоторые используются для определения баланса черного. Поэтому разрешение камеры надо определять не по максимальному количеству пикселей матрицы, а по эффективному разрешению. Для его определения узнайте максимальное разрешение снимка, который может сделать данная камера. Например, 2048×1536. Перемножьте эти цифры — и вы получите эффективное количество пикселей — 3,1 млн.
Надо помнить, что маленькая матрица с большим количеством пикселей дает большие шумы при светочувствительности свыше ISO 400. Поэтому оценивать фотоаппарат надо не по максимальному значению количества ячеек (мегапикселям), а но шумам, вносимым матрицей при каком-то конкретном значении светочувствительности.
У маленьких матриц с большим количеством мегапикселей есть еще один враг -дифракция света. Свет имеет волновую природу, и строгие точки геометрической оптики размываются в пятнышки при низком качестве оптической системы. В результате для матриц размером 1/1,8″ и 2/3″ разрешение больше 5 мегапикселей теряет весь смысл, так как требует очень точной и мощной оптики.
Описанная выше система формирования цветного изображения использует одну матрицу для всех трех каналов цветов. Естественно, такой подход приводит к потере качества изображения. Фотосайт, замаскированный красным фильтром, не воспринимает информацию о синем и зеленом каналах. Замаскированный синим, не воспринимает зеленый и красный и т.п. Чтобы повысить качество были придуманы другие способы получения цветного изображения с помощью CCD-матрицы.
Примером может служить технология «тройной съемки» (Three-shot). При этом методе делается три последовательных засветки матрицы с разными цветовыми фильтрами. Таким образом получается информация по каждому из цветовых каналов, которая потом собирается вместе. В этом методе исключена демозаика, что повышает качество снимка. Но тройное последовательное сканирование занимает достаточно много времени, что позволяет использовать этот метод только в студийных условиях. Ведь свет должен иметь одинаковую интенсивность, а объект — быть неподвижным во время тройного сканирования.
Другая технология — линейная сканирующая система — использует только один ряд сенсоров, который трижды сканирует объект с разными фильтрами. Один ряд сенсоров позволяет сильно увеличить разрешение матрицы без заметного увеличения цены. Но недостаток тот же, что и у предыдущей системы — время тройного сканирования достаточно велико.
Трилинейная сканирующая система аналогична предыдущей, но использует три ряда сенсоров, имеющих свои фильтры. Такая система делает только один проход при сканировании, что дает высокую скорость. Но она дороже линейной.
И, наконец, система с несколькими матрицами. Эта система использует призмы для разделения цветов исходного изображения, а затем каждый цвет воспринимается отдельной CCD-матрицей. Скоростная и высококачественная система. Главный недостаток — наличие трех матриц резко увеличивает стоимость камеры.

CMOS-технология матриц
Кроме описанной выше CCD-технологии, существует еще одна технология, которая называется CMOS (Complimentary Metal Oxyde Semiconductors).
CMOS-матрицы сделаны из полевых транзисторов. Они сразу формируют цифровой сигнал и позволяют выполнять некоторые обрабатывающие функции непосредственно на матрице. У транзисторов есть большой недостаток — значительный разброс рабочих характеристик. Но в последнее время появление более совершенных алгоритмов борьбы с этим недостатком предполагает массовое использование CMOS-матриц.
Существует еще один вид матриц — SuperCCD. Более высокое разрешение по сравнению с CCD здесь достигается поворотом матрицы на 45 градусов и интерполяцией, т.е. реального увеличения разрешения не происходит. Обычные CCD все же предпочтительнее, чем SuperCCD.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector