(495) 234-36-61
На главную страницу блога Почта

Блог «Умные мелочи»

Цифровая фотография

Рубрика: (Умные вещи в офисе и дома) | Автор: moderator | Дата: 04-12-2013

Метки: , , , , ,

Одно из грандиозных изобретений конца двадцатого столетия — цифровая фотография. Если пленочная фотография сделала светопись делом  доступным, то цифровая технология — обыденным. Теперь нам не приходится покупать плёнку, которую надо ещё суметь правильно выбрать, возиться с её проявлением и оптической печатью снимков. И платить за любимое увлечение придётся только раз — покупая цифровой фотоаппарат (при условии, что компьютер, который, в свою очередь, и есть персональная «фотолаборатория», у вас уже имеется). Одним словом, преимущества новой фототехнологии с сугубо практической точки зрения очевидны — значительное удешевление и упрощение процесса подготовки фотоснимков.

Идея заменить фотоплёнку светочувствительным электронным датчиком возникла после изобретения в 70-е годы сканера. Казалось, что достаточно установить в обычный фотоаппарат вместо плёнки набор фотоэлементов, и вопрос решён. Но на деле задача оказалась крайне сложной. Одним из разработчиков новой цифровой технологии стала всё та же корпорация Sony, в недрах которой в самом начале 80-х годов родился проект Mavica. Понадобилось около десятилетия, чтобы получить первые работающие камеры. Но уже к концу ХХ века в мире начался настоящий «цифровой бум». А сегодня мы можем сами наблюдать, как традиционная фотография уступает место новой цифровой технологии.

Технический уровень цифрового фотоаппарата определяется рядом параметров матрицы светочувствительных элементов или сенсора, к которым стоит присмотреться внимательней — для общего сведения или для удачного выбора цифровой камеры.

Первый параметр — тип светочувствительного сенсора. Все современные фотоаппараты построены на сенсорах типа CMOS (КМОП — комплиментарный металл-окисел-полупроводник) или CCD (ПЗС — прибор с зарядовой связью). Сенсоры КМОП — это матрица светочувствительных элементов, каждый из которых представляет собой крошечный полупроводниковый элемент, изменяющий свои параметры в зависимости от яркости падающего на его поверхность света. Количество элементов в матрице определяет разрешение сенсора, то есть в сенсоре разрешением 350 тысяч пикселей (что равно разрешению VGA — 640х480 пикселей) примерно столько же светочувствительных ячеек. На самом деле их несколько больше, поскольку часть ячеек выходит за границы кадровой рамки и в построении снимка не используется. Сенсор КМОП характеризуется высокой технологичностью производства и низкой стоимостью. Он потребляет электроэнергию только в момент съемки (транзисторы изменяют своё состояние под воздействием светового потока), поэтому экономичен и не требователен к источникам энергии. Вместе с тем ячейки матрицы КМОП, представляющие собой полевые транзисторы, крупней ячеек ПЗС и светочувствительность их ниже (поскольку на поверхности матрицы располагаются не только транзисторы, но полупрозрачные металлические проводники). Поэтому сенсоры КМОП устанавливаются в самые дешёвые цифровые фотоаппараты — в веб-камеры с функциями автономных фотоаппаратов, в камеры-игрушки и, как ни странно, в зеркальные фотоаппараты Canon серии EOS xxxD со сменной оптикой. Но странного тут ничего нет. Технология КМОП считается наиболее перспективной, в будущем все сенсоры будут построены именно по этой технологии. А сенсоры зеркальных фотоаппаратов Canon весьма совершенные и точные приборы, имеющие мало общего (кроме самих принципов построения) с сенсорами веб-камер.

Сенсор КМОП

И всё же сенсоры ПЗС в цифровых фотоаппаратах применяются гораздо чаще. Все камеры младшего, среднего и полупрофессионального уровня — это камеры с матрицами ПЗС. Дело в том, что сенсоры этого типа имеют большую светочувствительность и обеспечивают высокое разрешение, поскольку ячейки матрицы имеют меньший размер. Каждая ячейка представляет собой трёхслойную конструкцию из полупроводниковой подложки, изолирующего слоя окисла и металлического электрода. К электродам постоянно подводится электрический ток, величина которого изменяется под воздействием светового потока. Эти изменения считываются контроллером сенсора, обрабатываются процессором, который на основе этих сигналов строит картинку. Сенсор ПЗС устроен намного сложней сенсора КМОП. Кроме светочувствительных ячеек (они называются стеками накопления) на поверхности матрицы располагаются специальные ячейки (стеки) хранения и транспортировки сигналов (регистры вертикального сдвига). Если сенсор КМОП в самых простых камерах не требует применения механического затвора — контроллер просто считывает мгновенное состояние ячеек засвеченной матрицы, в сенсоре ПЗС затвор необходим. Дело в особенностях устройства сенсора ПЗС.

Существует три вида светочувствительных матриц на основе элементов с зарядовой связью. Первый вид – матрицы с построчным переносом зарядов. На них стеки накопления и стеки хранения расположены в непосредственной близости, рядом. Возникающие на электродах стеков накопления электрические заряды перемещаются в стеки хранения, представляющие собой такие же ячейки, но прикрытые светоизолирующим слоем, а потом заряды по регистрам вертикального сдвига поступают в выходной усилитель матрицы. Если световой поток будет облучать поверхность такого сенсора постоянно, то сохранённые и только что возникшие заряды будут смешиваться, и картинки не получится. Поэтому сенсорам со строчным переносом зарядов требуется фотозатвор, ограничивающий время засветки.

Сенсоры другого вида – с покадровым переносом – устроены несколько иначе. В них светочувствительные ячейки соединены не с регистрами хранения, а непосредственно с регистрами вертикального сдвига. По регистрам электрические заряды попадают в регистры хранения, расположенные по краям поверхности сенсора. Поскольку процесс переноса зарядов занимает некоторое время, заряды не успевают смешиваться. Такой матрице фотозатвор не нужен.

Но в фотоаппаратах лишь очень редко применяются сенсоры с построчным переносом зарядов и почти никогда с покадровым. Почему? Потому что сенсор первого вида не позволяет использовать встроенный дисплей фотоаппарата для визирования кадра, а сенсор второго типа оказывается крайне громоздким и неэффективным – значительная часть поверхности матрицы не используется, поскольку на ней располагаются регистры хранения зарядов. В современных фотоаппаратах в подавляющем большинстве случаев используются сенсоры, построенные по гибридной технологии. То есть центральная часть матрицы устроена по принципу сенсора с покадровым переносом зарядов и работает в системе построения изображения на дисплее камеры в режиме визирования. А остальная часть сенсора построена по принципу матрицы с построчным переносом зарядов. Непосредственно перед съёмкой (когда мы скомпоновали снимок по электронному дисплею и нажимаем спусковую кнопку) затвор фотоаппарата закрывается, сенсор переключается в режим построчного переноса, затвор отрабатывает выдержку, сенсор экспонируется, сигналы с ячеек поступают в выходной усилитель и далее в контроллер сенсора. Матрица снова переключается в режим покадрового переноса зарядов, затвор открывается – мы снова можем использовать  встроенный дисплей камеры в качестве электронного видоискателя.

Следующий важный параметр — физический размер сенсора. Чем матрица больше по размеру, тем больше светочувствительных элементов поместится на её поверхности, тем выше светочувствительность и другие параметры. Размер сенсоров обозначается в дюймах по диагонали и записывается в виде натуральной дроби. Таким образом, сенсор размером в 2/3 дюйма будет лучше, чем сенсор размером в ½ дюйма, но хуже, чем сенсор в ¾ дюйма. Заметим, что физический размер сенсора характеристика не менее важная, чем разрешение.

Теперь собственно о разрешении. Большинство из нас при выборе камеры в первую очередь обращают внимание именно на эту характеристику. И производители это знают, выпуская камеры со всё большим разрешением, поддерживая интерес потенциальных покупателей. Но практика показывает, что высокое разрешение сенсора само по себе мало что значит. К примеру, сенсор с разрешением в 3 мегапикселя большего физического размера лучше, чем сенсор с разрешением в 4 мегапикселя, но меньшего физического размера. Здесь очень важна сбалансированность параметров. Обратите внимание, какие сенсоры устанавливают в дорогие профессиональные «цифровики» — большие (у которых площадь матрицы приближается к площади стандартного узкоплёночного кадра 36х24 мм), но не всегда с рекордными значениями разрешения.

Проясним само понятие «разрешение». Правильней его было бы называть разрешающей способностью, которая в данном случае (в оптике применяются другие критерии оценки) определяется в общем количестве элементов (пикселей) на всей поверхности сенсора. 3 мегапикселя – это более 3 миллионов светочувствительных ячеек, расположенных на прямоугольной (с соотношением сторон 4:3) кремниевой пластинке с диагональю в 2/3 (самый распространённый размер) дюйма или 1,69 см. Цифра просто огромная – каждый светочувствительный элемент имеет буквально микронные размеры! Но разрешение разрешению рознь. На сенсоре разрешением в 2,1 мегапикселя в построении изображения участвуют только около 2 миллионов ячеек, расположенных в центральной части сенсора. Поэтому говорят о полном и эффективном разрешении (эффективное всегда меньше). Часть ячеек может быть задействовано в системе экспонометрического замера камеры и в других сервисных схемах.

Ещё одна весьма существенная характеристика – светочувствительность сенсора. В установках экранного меню в опции светочувствительности сенсора мы можем обнаружить несколько значений – auto, 50, 100, 200, 400. Это значения чувствительности в единицах ISO, принятых в традиционной фотографии. Режим auto – автоматический выбор значения светочувствительности в зависимости от степени освещённости снимаемого объекта. Значения 100, 200 и 400 – увеличение чувствительности сенсора программными средствами, зашитыми в памяти фотоаппарата. А 50 единиц – реальная светочувствительность сенсора. То есть первое значение чувствительности и есть самый что ни на есть реальный показатель. Для достижения максимального качества картинки лучше всего выставить самое низкое значение светочувствительности и никогда его не менять. В этом случае мы избежим появления шумов и искажений, неизбежно вносимых механизмом интерполяции (увеличение светочувствительности путём присвоения завышенных значений яркости). Автоматический режим вдобавок сделает появление искажений непредсказуемым. Устанавливать высокое значение светочувствительности сенсора можно лишь в случаях, когда без этого трудно обойтись. К примеру, снимать надо в условиях плохого освещения, мощности встроенной вспышки не хватает, а дополнительных источников света под руками нет.

Кстати, механизм интерполяции используется и в других системах фотоаппарата – в частности, в схеме цифрового зума, виртуального увеличения фокусного расстояния объектива. В отличие от оптического зума, когда масштаб изображения увеличивается только изменением фокусного расстояния объектива, цифровой зум работает по принципу дополнения отсутствующих реальных элементов изображения пикселями с усредненными значениями яркости соседних пикселей. На практике это всегда приводит к ухудшению качества снимка, поэтому цифровым зумом лучше не пользоваться вовсе.

Целый ряд характеристик светочувствительного сенсора для владельца цифровой камеры может служить лишь иллюстрацией возможностей его фотоаппарата. Они имеют немаловажное значение, но выбирать камеру по этим показателям практически невозможно — производители любительской техники редко приводят эти параметры в технической документации. К этим характеристикам относятся уровень шумов сенсора и динамический диапазон. На практике шумы проявляются в виде цветных точек в тенях и в виде цветных ореолов вокруг контрастных фигур. Бороться с шумами можно только программным способом, обрабатывая готовые снимки при помощи специальных фильтров и утилит, «вылавливающих» случайные точки и сглаживающие контрастные переходы. А динамический диапазон – способность отображать как можно больше градаций яркости между абсолютно белым и абсолютно чёрным цветами. Динамический диапазон выражается в условных единицах, например, 3,4 или 3,6. Чем выше значение, тем сенсор совершенней.

Интересно, а сколько может прослужить цифровая камера? Долговечны ли светочувствительные сенсоры? Нет, недолговечны, поэтому и срок службы цифрового фотоаппарата относительно невелик – всего несколько лет (хорошо, если пять или семь). Со временем микроскопические ячейки матрицы деградируют. Их светочувствительность снижается, часть ячеек выходит из строя. Средств восстановления не существует, но есть инструменты для калибровки автоматики фотоаппарата. Подобными схемами оснащены, к примеру, цифровые фотоаппараты Olympus серии mju. Достаточно раз в год откалибровать сенсор при помощи опции экранного меню дисплея, и экспонометр камеры снова перестанет ошибаться. Весьма полезная возможность.

 
По всем вопросам, связанным с работой сайта, обращайтесь по адресу: webmaster@elcode.ru