Цифровой фотоаппарат изнутри: правда о матрицах.

Чем отличается цифровой фотоаппарат от пленочного? Сущей мелочью: способом фиксирования света, прошедшего через объектив. Все остальное — процессоры, шины, устройства накопления и т. п. — лишь дополнительные причиндалы, идущие в комплекте с матрицей, воспринимающей этот самый свет. Что касается автоматики фокусировки и экспозиции, так она есть и в традиционных камерах, так что, по сути, все сводится к одним лишь матрицам, заменяющим собой пленку. Поэтому можно сказать, что покупая цифровую камеру вы покупаете по сути один рулон пленки на длительный срок.

Для начала разберем принципиальные отличия пленки от некой гипотетической матрицы. Отличие главное: светочувствительные элементы пленки (зерна галоидного серебра) по природе своей стохастичны — как их размеры и форма, так и расположение в эмульсии подчиняются закону нормального распределения, а все элементы матрицы расположены в виде регулярной решетки, причем их размер и форма четко фиксированы. Отличие менее принципиальное: элементом, образующим изображение в цветной пленке, является «облачко» красителя, конденсирующегося при обработке вокруг зерна металлического серебра. Естественно, контуры «облачка» размыты, а границы пиксела цифрового изображения обозначены четко. Остальные отличия относятся не ко всем типам матриц, о чем будет сказано ниже.

Поскольку в дальнейшем мы будем часто прибегать к «пленочным аналогиям», рекомендую ознакомиться с «устройством» современной пленки, описанным ниже (см. врезку «шесть слоев с хвостиком»).

Шесть слоев с хвостиком Для простоты допустим, что зерно галоидного серебра представляет собой эллипсоид, большая ось которого параллельна подложке. Сразу отметим, что чувствительность пленки зависит от размера зерна: чем оно больше, тем выше его чувствительность. В общем случае пленка представляет собой семислойный «бутерброд», состоящий из трех цветных слоев, отождествляемых с основными цветами спектра по субстрактивной схеме, «прошитых» в желатиновой основе эмульсии, и противоореольного подслоя, отделяющего желатин от подложки с одной-единственной целью: устранить паразитное отражение света от подложки, порождающее размытое световое пятнышко вокруг каждой точки изображения. «Но слоев только четыре! — скажете вы. — А где же еще три?» Совершенно верно. Еще три появляются за счет того, что каждый цветной слой в общем случае состоит из двух подслоев: высоко- и низкочувствительного (большие и малые зерна соответственно) — с целью расширения динамического диапазона пленки. Слои расположены один под другим в следующем порядке (начиная от поверхности эмульсии): красный, зеленый, синий — прежде всего потому, что, отличаясь энергией, лучи света поглощаются и рассеиваются в эмульсии с разной скоростью (правда, в дело вмешивается еще и дифракция, но ею для простоты пренебрежем).

Разрешение

Разрешение зависит от количества точек изображения. Чем выше чувствительность пленки, тем ниже ее разрешение, и наоборот. У матриц все обстоит иначе: размер пиксела фиксирован, и чувствительность матрицы определяется чувствительностью пиксела. Теоретически она ограничена одним фотоном, но практически при очень слабом сигнале флюктуационные шумы «забивают» полезный сигнал.

Есть и еще один фактор, препятствующий повышению разрешения матриц без увеличения их геометрических размеров, — дифракция. Если пиксел будет сравним с длиной волны улавливаемого света, неизбежны дифракционные эффекты, так что размер пиксела опять-таки ограничен снизу длиной волны. Дело усугубляется тем, что матрицы чувствительны к инфракрасной составляющей спектра (в чем легко убедиться, направив в объектив светодиод ПДУ телевизора), имеющей значительную (в рамках видимого спектра) длину волны, а галоидное серебро без специальной обработки не видит ее в упор.

Далее, теоретическая чувствительность может быть достигнута лишь при охлаждении матрицы до абсолютного нуля, что практически недостижимо, поэтому реальная чувствительность сенсоров ограничена снизу уровнем тепловых шумов, а сверху — уровнем насыщения, когда дополнительная экспозиция уже не усиливает сигнал (что, полагаю, очевидно, и в комментариях не нуждается). Тут, надо заметить, принципиальную роль играет тип самих датчиков: ПЗС (он же CCD) или КМОП (CMOS).

Разрешение на практике или 8 мегапикселей еще ни о чем не говорит...

Теория теорией, а что же можно купить реально. Про матрици сотовых телефонов мы говорит не будем, а начнем с матриц фотоаппаратов начального уровня. Самые маленькие матрицы имеют диагональ 1/3 дюйма (5 мм - дело в том, что дюймы это не обычные, а «видиконовые» дюймы, они меньше обычных примерно в 1,7 раза), за ними идут матрицы сдиагональю 1/2,5" (6 мм) и 1/1,8" (9 мм). Поскольку размер пикселя ограничен снизу, то отсюда следует - чем больше матрица тем лучше.

Следующий размер диагонали матрицы составляет 2/3 дюйма (11 мм), это 8,8*6,6 мм. В такую маленькую матрицу разработчики умудрились втиснуть аж 8 мегапикселей. Т.е приблизительно 2450*3250 пикселей при соотношении сторон кадра 3/4. Получается, что длинна волны света сравнима с размером пикселя, в данном случае 6,6*10^-3/2450=2,7мкм. Для такой матрицы практически невозможно сделать обьектив, чтобы он честно отработал все 8 Мп.

Разрешающая способность объектива измеряется в линиях на миллиметр. В нашем случае получается в 1 мм матрицы помещается 3250/8,8=370 пикселов. Чтобы зафиксировать две черные линии разделенные светлой линией необходимо 3 пиксела. Отсюда следует что обьектив должен иметь разрешаюшую способность близкую к 370*2/3=245 лин/мм. Это довольно высокий показатель. К примеру у объектива для фотоаппарата Зенит, Гелиос разрешающая способность составляет 50-60 лин/мм. Чем больше матрица тем легче объективу справится со своей задачей.

Матрицу размером в 2/3" имеют следующие модели фотоаппаратов: Canon PowerShot Pro1, Sony DSC-F828, Nikon Coolpix 8700, Olympus Camedia 8080, Konica-Minolta Dimage A2, Konica-Minolta Dimage A200. (Dimage A200 является по сути урезанной версией Dimage A2). Все они относятся к семейству полупрофессионалов и по сути являются навороченными цифромыльницами, потому что не зеркальные. Все перечисленные камеры имеютт матрису с 8 мегапикселями, но как было сказано выше, получить даже на таком размере матрицы реальные 8 мегапикселей нереально. Их предел это 5-6 мегапикселей, и только на диафрагмах 4-6. На больших отверстиях, 2-2,8 будет мылить сам объектив, а на маленьких, диафрагма 7-11 будет замыливание вследствии дифракции. Но хорошая оптика и малый размер пикселя, всетаки, делают свое дело и картинка получается вполне приемлимой, такой кадр вполне можно напечатать на формат 30*40 см и Вы не будете стесняться показать свой результат окружающим и это за цену в 15-20 т.р.

Следующий типоразмер матрицы 23*15 мм встречается только в зеркальной технике. Здесь есть довольно большой выбор среди 6 мегапиксельников от Nikon, Canon и других производителей. Также сейчас появились и 8 мегапиксельные камеры на матрицах этого размера Canon 350D, Canon 20D, Canon 30D и даже 12 Nikon 200. Качество снимков этих камер зависит от качества применямых объективов и при использовании качественной оптики на порядок превосходит цифромыльницы. Если у Вас есть 30 т.р на камеру и еще 20 на оптику, то выбор очевиден. Сейчас появились матрицы размерами с полноразмерный кадр 35 мм пленки (36*24мм) и даже матрицы имеющие размеры кадра близкие к большому формату (6*6см). Однако цены на камеры с такими матрицами уже выходят за рамки любительского уровня.

Тип датчика

У обеих систем есть и достоинства, и недостатки. Принципиально датчики с потоково-зарядной связью (ПЗС) отличаются от комплементарных пар тем, что под воздействием света теряют заряд, а КМОП-датчики, наоборот, приобретают. Любопытно, что, поскольку вторая схема предусматривает возможность перенасыщения, при дальнейшей экспозиции возникает обратный эффект: КМОП-матрица начинает терять заряд, что ведет к эффекту истинной соляризации (на снимке попавшее в кадр солнце может оказаться темно-фиолетовым или даже черным), что роднит КМОП-матрицы с пленкой.

При этом спектральные характеристики ПЗС-матриц несколько лучше, что, казалось бы, дает им преимущество перед КМОП-сенсорами, но не тут-то было: компания Canon на очередном витке развития цифровых технологий обратилась к технологии КМОП, как более перспективной. Остальные производители профессиональной фототехники пока относятся к этому начинанию с осторожностью, и кто окажется дальновиднее, пока неясно, но Canon сделала чрезвычайно сильный ход, выбросив на рынок зеркальную камеру 300D, а за ней и 350D с КМОП-матрицей по демпинговым ценам.

Битый (и битный) цвет

Еще одно принципиальное отличие цифры от пленки: матрица (за одной оговоркой, имя которой Foveon) не видит цвета пиксела. Проще говоря матрица может фиксировать только черно-белое изображение. Воспринимается лишь интенсивность упавшего света, вследствие чего каждый пиксел изображения должен состоять из группы пикселов разных цветов. Цвет подпиксела при этом определяется прикрывающим его светофильтром. Как легко догадаться, при расположении пикселов в виде прямоугольника цвета приходится разбивать не на триады, как в основной цветовой схеме RGB (красный-зеленый-синий), а на тетрады. Чаще всего приоритет отдается зеленому цвету, и наиболее активным в схеме расположения светофильтров выступает зеленый — GRGB — как самый распространенный и олицетворяющий среднюю часть спектра, где человеческий глаз имеет наибольшую чувствительность. Впрочем, среди отклонений от нормы, кроме дальтонизма, как недавно выяснилось, существует тетрахроматизм, когда на глазном дне присутствуют колбочки, чувствительные не к трем, а к четырем цветам, дополнительным среди которых выступает изумрудно-зеленый. Видимо, именно это и подвигло компанию Sony на создание матрицы с четырьмя разными фильтрами, из которых дополнительным выступает как раз изумрудно-зеленый. Насколько такой подход оправдан, покажет только практика.

Из прочих «светофильтровых» отклонений от стандарта наиболее заметным являются матрицы Foveon X3, где используется квантовый эффект: свет с разной длиной волны поглощается на разной глубине полупроводника. Таким образом, по цветовой схеме эта матрица наиболее близка к пленке: каждая точка изображения выступает не группой расположенных рядом точек, а одним «бутербродом» разноцветных пикселов. Подобная схема устраняет цветовые артефакты, возникающие из-за «размазывания» одной точки по группе из четырех разноцветных пикселов, что можно отождествить с увеличением разрешения в три раза.

Единственный элемент пленки, отсутствующий во всех вариантах, — это противоореольный подслой, нужда в котором отпадает потому, что вся энергия света поглощается кристаллом и паразитные отражения невозможны по определению.

Откуда берется цвет?

Foveon X3 - это экспериментальная матрица, а матрицы подавляющего большинства всех цифровых камер черно-белые. Если матрица фиксирует только черно-белое изображение, то почему же тогда картинка с цифровой камеры цветная? Ответ на этот вопрос скрывается в области математики. Как вы уже поняли пикселы матрицы цифрового фотоаппарата закрыты тремя видами светофильтров. Грубо говоря 1/3 закрыта зелеными, 1/3 красными и 1/3 синими. Оказывается если эти самые светофильтры расположить специальным образом, то на выходе мы будем иметь информацию о яркости пикселей. Если на пиксел, закрытый зеленым светофильтром, попал красный цвет то он покажет ноль, соответственно, если красным то покажет какое то значение зависящее от освещенности и так далеее. Мы будем иметь черно-белую картинку в виде черно белого изображения с черными дырками. Далее используя информацию о расположении светофильтров, о значениях освещенности пикселей, о значении освещенности соседних пикселей и применяя к этой информации алгоритм Баера мы получим цветную картинку. Весь этот процесс называется интерполяция, и как следстквие он имеет погрешности. Конечно эти погрешности невелеки и с легкостью сводятся к минимуму средствами того же фотошопа (я имеемю ввиду увеличение резкозти), иначе никто и не покупал бы цифровые камеры. Поэтому многие хорошие камеры умеют снимать в так называемом RAW формате.

RAW - это ничто другое, как сырой отпечаток матрицы. Если у Вас есть такая камера то посмотрите на размер файлов полученных с ее помощью. Если это восьми мегапиксельник то размеры окажутся скорее всего такими: jpeg - 4-6 МГб, TIFF - 24 МГб, RAW - 12 МГб. RAW меньше несжатого TIFFа, именно потому что RAW несет только черно-белую информацию, а цветная получается после его интерполяции в компьютере с помощью специальной программы, называемой RAW конвертор. Причем программ этих довольно много. Поэтому снимать в TIFF формате не следует, получится файл занимающий много места, да еще и созданный процессором фотокамеры, где имеет место компромис между временем обработки и качеством конвертации. Единственное неудобство сьемки в RAW это, зачастую, невозможность увеличивать такой файл на экране фотокамеры, после сьемки, для просмотра резкозти и деталей. Но обычно для этого существует такой режим как RAW+Jpeg, Jpeg формируется с большим сжатием. Этот режим существует именно для оценки качесва отснятого вами кадра на экране фотокамеры, а вовсе не для того чтобы сравнить качество сьемки в RAW и Jpeg как думают многие.

Компоновка пикселов

Хотя устройства отображения цифровых картинок «понимают» лишь один формат — в виде прямоугольной матрицы, — устройства считывания информации могут воспринимать ее по-разному, перекладывая ответственность за прямоугольную компоновку на процессор.

В идеале следовало бы применить гексагональное расположение подпикселов, поскольку оно обеспечивает наибольшую плотность компоновки, но на нынешнем уровне развития технологий такая компоновка представляется слишком сложной, требуя считывания информации не по двум координатам (вертикаль и горизонталь), а по трем (условно: горизонталь, +60 градусов, -60 градусов) и куда более сложной интерпретации данных. Вероятно, со временем эту трудность преодолеют, пока же компания Fujifilm нашла приемлемый паллиатив, названный матрицами SuperCCD (как легко догадаться, на базе технологии CCD), расположив восьмиугольные пикселы в виде ромба, что обеспечило более удобное (хотя и не более быстрое) считывание информации. Интерполируя полученные данные, можно теоретически получить разрешение в 1,4-1,7 раз выше, чем у прямоугольной матрицы (то ли корень из 2, то ли корень из 3 — надо бы проделать геометрические выкладки, да все как-то лень).

А раз уж производством столь диковинных матриц может заниматься лишь компания, их породившая, на достигнутом она не остановилась, попытавшись еще больше уподобить их обычной пленке.

Размер зерна и чувствительность

В начале уходящего года Fujifilm объявила о создании матриц SuperCCD четвертого поколения. Правда, в отличие от предыдущих поколений, нынешнее породило два подвида: HR и SR. И то и другое решения основываются на элементарном удвоении каждого пиксела и суммировании сигналов, от них поступающих. Водораздел проходит по геометрическим размерам пикселов. В матрицах с индексом HR — оба пиксела одного и того же размера, что обеспечивает более высокую чувствительность. Куда интереснее решение SR, где один пиксел вчетверо меньше другого, за счет чего достигается высокая чувствительность в тенях (большой, или Н-пиксел) и низкая — в светах (малый, или S-пиксел). Благодаря этому динамический диапазон матрицы увеличивается в четыре раза, фактически соперничая с пленкой (заметим, достигающей такого результата за счет того же решения — сочетания больших [высокочувствительных] и малых [низкочувствительных] зерен галоидного серебра).

Физические пределы

Вследствие меньших физических размеров матриц объективы цифровых камер получаются меньше и легче, чем у пленочных, однако конструктора здесь подстерегают свои подводные камни: чем меньше размер линзы, тем труднее сделать ее качественной (тут есть свои хитрые ходы — к примеру, жидкостные линзы, но это отдельный разговор) и тем меньше отдельный пиксел! А когда размер пиксела сравним с длиной волны, как уже упоминалось, неизбежны дифракционные и интерференционные эффекты… Так что микроминиатюризация совершенно четко ограничена снизу длиной волны около 1000 нм (из-за чувствительности сенсоров к инфракрасному свету). И дальнейшее повышение качества возможно только за счет увеличения матрицы при сохранении геометрических размеров отдельного пиксела.

Попытка прорицания

Обобщив вышесказанное, можно нарисовать образ идеальной матрицы, устраняющей все недостатки и аккумулирующей все достоинства существующих и несуществующих (пока), но теоретически возможных матриц. Ей должна быть присуща гексагональная структура, причем каждый пиксел должен быть представлен двумя-тремя подпикселами разного размера (и, очевидно, чувствительности), а каждый пиксел должен представлять собой трех-четырехслойный «бутерброд» сообразно разным длинам волн. Можно дробить и мельче, пока не будет достигнут порог восприятия человеческого глаза. Вот и получится нечто вроде Foveon UltraSuperCCD x3. Только производители должны сперва договориться о перекрестном лицензировании технологий, а такие вопросы, увы, решаются куда медленнее, чем технические проблемы.

Написано на основе статьи Александра Филонова с небольшими дополнениями. Подготовил А.Горбунов.