В доцифровую эпоху опытные фотографы говорили: «Рисует объектив», — и были правы, потому что фотопленки были довольно четко стандартизированы. Теперь же времена изменились и изображение формируют цифровые элементы. Мы расскажем об их типах и назначении.

Весьма богатым на революционные новинки в технике оказался далекий 1975-й. Именно в этот год миру был явлен первый персональный компьютер «Altair 8800» — его фотография появилась на обложке январского номера журнала Popular Electronics. Не столь крупно, но на той же обложке анонсировалась знаковая статья «CCD’s — TV Camera Tube Successor?» («ПЗС — преемник видикона?»).

СССР в июне этого же года запустил автоматические станции «Венера-9» и «Венера-10», ставшие первыми искусственными спутниками Венеры. Вместо фотопленки размещенные на них камеры впервые были оснащены ПЗС-матрицами, разработанными в НИИМП под руководством Бориса Ивановича Сед у нова. В октябре 1975 года спускаемые аппараты этих кораблей совершили посадку на Венеру и передали на Землю венерианскую фотопанораму — впечатляющий дебют!

И, наконец, в том же 1975-м инженер компании Kodak Стивен Сассон создал цифровую фотокамеру на основе первого серийно выпускаемого с 1973 года компанией Fairchild монохромного ПЗС-сенсора, разрешение которого составляло 0,01 мегапикселя (100×100 пикселей).
К настоящему времени прошло 40 лет с момента начала промышленного производства фотографических матриц. Они прочно обосновались практически во всех современных фото- и видеокамерах. Их разнообразие способно удивить даже искушенного фотолюбителя. Мы систематизировали знания о матрицах фотокамер и изложили их в качестве своеобразного гида покупателя.

Размер и разрешение матрицы

Матрица формирует изображение, как бы разбивая его на клетки. Каждая клеточка — светочувствительный пиксель. И потому очевидно, что чем больше таких элементов, а соответственно, меньше их размер, тем точнее и тоньше может быть передача мелких деталей на фотографии. Именно опираясь на этот очевидный факт, производители фототехники стараются указывать количество мегапикселей матрицы где-нибудь на самом видном месте корпуса фотоаппарата.

Однако стоит заметить, что изображение, проецируемое объективом на матрицу, имеет вполне конечный предел резкости, определяемый свойствами оптической системы фотоаппарата, и чем больше площадь матрицы,
на которую проецируется изображение, тем точнее на ней могут быть зафиксированы его детали.

Проще всего это объяснить с помощью такой аналогии: представьте художника (объектив), у которого есть карандаши с толщиной стержня, скажем, 1 мм. Рисуя этими карандашами на большом листе, он вполне сможет отобразить мельчайшие детали рисунка. Но если ему придется рисовать теми же карандашами такую же картину на листке размером с почтовую марку, то рисунок у него получится значительно грубее, пусть даже это будет и клочок миллиметровой бумаги.

У обычных компактных фотоаппаратов с небольшой по размеру матрицей предел разрешающей способности их объективов приблизительно соответствует возможностям десятимегапиксельной матрицы. Понимая это, компания Olympus, например, очень долго удерживала разрешение своих компактных камер именно на этом уровне. Вывод: для получения четких фотографий матрица фотоаппарата должна быть как можно больше, а ее разрешение — соответствовать разрешающей способности объектива.

Модельный ассортимент

Чтобы узнать размер светочувствительной матрицы, вам придется заглянуть в раздел технических характеристик фотоаппарата. Размер и разрешение сенсора в совокупности определяют площадь единичного светочувствительного элемента и, как следствие, чувствительность матрицы, а также ее шумность при высоких значениях ISO. Чем больше площадь пикселя, тем больше света он способен поглотить при определенной плотности светового потока, что означает более высокий уровень полезного сигнала и, соответственно, лучшее соотношение сигнал/шум, которое любой пользователь цифровой фотокамеры безошибочно определяет по наличию цветных и яркостных крапинок на фотографии.

В технических характеристиках камер производители чаще всего указывают размер диагонали матрицы в долях дюйма. Так, 1/2,33 дюйма — размер матриц подавляющего большинства недорогих компактных фотоаппаратов стоимостью до 9000 рублей (2300 гривен) и почти всех ультразумов, цены на которые могут достигать 20 000 рублей (5000 гривен).
Топовые «компакты» стоимостью от 10 000 до 18 000 рублей (2500—4500 гривен) оснащают матрицами в пол-тора-два раза больше. Например, в Olympus XZ-2, Panasonic LX7, Samsung EX2F, сериях Canon G и Nikon P, a также в «беззеркалке» Pentax Q7 используются матрицы размера от 1/1,8 до 1/1,6 дюйма. Компания Fujifilm в компактных камерах серии X и ультразуме X-S1 использует матрицы с размером 2/3 дюйма, что почти на 30% больше, чем у «собратьев» по классу. В более дорогие компактные камеры стоимостью от 18 000 рублей (4500 гривен) и выше производители устанавливают дюймовые матрицы (Sony RX100) и даже матрицы «зеркального» формата APS-C, то есть размером 1,8 дюйма (Nikon Cool-pix A, Sigma DPx Merrill, Ricoh GR и Fujifilm X100S). А фирма Sony отличилась тем, что выпустила компактный аппарат с запредельной ценой, но зато оснащенный полнокадровым сенсором, для которого диагональ указывать даже не принято — его размер соответствует размеру кадра 35-миллиметровой фотопленки.

Камеры со сменной оптикой предлагают матрицы с диагональю от 1 дюйма (Nikon 1), 1,33 дюйма (Micro 4/3 — Olympus и Panasonic) и до 1,8 дюйма (Sony NEX, Samsung NX, Canon EOS-M. От дюйма начинается размер сенсоров и у любительских и полупрофессиональных «зеркапок». Это самый доступный сегмент, предлагающий аппараты с большой матрицей по цене топовых «компактов».

Глубина резкости

К осознанию того факта, что размеры матрицы не только определяют техническое качество фотоснимков, но и могут являться средством художественного выражения, фотограф обычно приходит по мере роста опыта. Речь идет о так называемой глубине резко изображаемого пространства (ГРИП) — отрезке вдоль оптической оси объектива камеры, в пределах которого резкость на фотографии максимальна, а за его пределами стремится к своему минимуму Фокусировка на объекте съемки означает то, что этот объект и все, что попадает в зону ГРИП, будет изображено на итоговом кадре максимально резко. В то же время все, что находится дальше или ближе, будет отображаться нерезко, способствуя таким образом визуальному акценту на объекте съемки. ->
Величина ГРИП зависит от многих оптических параметров — прежде всего от величины диафрагмы, фокусного расстояния и расстояния до объекта съемки. Но нас интересует только один из этих параметров — размер матрицы. С ним все просто: чем больше размер матрицы, тем уже может быть ГРИП и, следовательно, выше «художественный потенциал» камеры с такой матрицей.

Напротив, у фотоаппаратов с маленькой матрицей зона резкости всегда очень велика. Именно поэтому компактные камеры, называемые в народе «мыльницами», и особенно телефоны с их совсем уж крошечного размера матрицами делают такие фотографии, на которых все объекты выглядят резкими.

Казалось бы, с учетом всего вышесказанного напрашивается однозначный вывод: маленькая матрица — враг художника. Но на самом деле не все так просто.

Большую глубину резкости, обеспечиваемую маленькой матрицей, используют во благо производители недорогих камер без автофокуса. В содружестве с широкоугольным объективом такие миниатюрные матрицы обеспечивают зону резкости, начинающуюся с 30—50 см от объектива камеры и простирающуюся до бесконечности. Естественно, макросъемка таким моделям недоступна, зато время, необходимое подобному аппарату для фокусировки, фактически равно нулю.

Кроме того, именно маленькой матрице обязан своим появлением целый класс компактных фотоаппаратов, называемых ультразумами.

И, наконец, свойства небольшой матрицы могут оказаться ценными при макросъемке, ведь при близком расстоянии до объекта зона резкости сужается очень сильно и измеряется считанными миллиметрами, а большая матрица лишь усугубляет этот эффект.

CCD vs. CMOS

Все фотографические матрицы представляют собой массив полупроводниковых светочувствительных элементов, накапливающих электрический заряд, величина которого пропорциональна интенсивности светового потока, их облучающего. Различия между двумя основными типами матриц начинаются в момент считывания с них информации.
У матриц типа CCD (прибор с зарядовой связью, ПЗС) накопленные в ячейках заряды выталкиваются последовательно пиксель за пикселем, строка за строкой, что оказывается небыстрым делом даже на тактовых частотах в десятки и сотни мегагерц. Заряды преобразуются в уровни напряжения пропорциональной величины, которые могут усиливаться или ослабляться усилителем, а в конечном итоге дискретизируются аналого-цифровым преобразователем.

ПЗС-матрицы были первыми и потому прошли большой путь развития. Основной вклад в него внесли фирмы Kodak, Sony и Fujifilm. Некоторые из таких разработок приобрели статус культовых — например, Super CCD Fujifilm. Благодаря усилиям вышеназванных компаний CCD-матрицы избавились от многих своих недостатков, сохранив преимущества. Практически «неизлечим» оказался только главный их минус, заложенный в сам принцип считывания информации, — низкая скорость работы. Именно поэтому фотоаппаратам с таким типом сенсоров за редким исключением так и не покорилась запись видео в формате высокой четкости (Full HD), не говоря уже о скоростной видеосъемке.

Матрицы типа CMOS (КМОП — комплементарный металлооксидный полупроводник) выполнены на основе одноименной технологии, которая изначально предназначалась исключительно для производства интегральных схем. Чувствительность к свету таких схем была отмечена даже раньше изобретения ПЗС-сенсоров, но возможность использовать ее для регистрации изображения появилась лишь в начале 1990-х годов. Тогда развитие технологии сделало возможным изготовление более тонких соединительных цепей, а также позволило оснастить каждый светочувствительный элемент CMOS-матрицы индивидуальным транзисторным усилителем и преобразователем. С этого момента началось стремительное развитие этой более удобной, быстрой и перспективной технологии.

На первых порах коэффициент заполнения площади CMOS-матрицы светочувствительными элементами был невелик, и по этой причине новый тип матриц уступал CCD-решениям по светочувствительности и уровню шума. Однако этот недостаток был быстро преодолен.
Сначала помогло заимствование у CCD-матриц технологии HAD — массива микролинз, собирающих свет с большей площади и направляющих его на небольшой светочувствительный элемент. А затем начались разработки уже собственных ноу-хау, присущих исключительно этому типу сенсоров. Одним из последних значительных усовершенствований CMOS-матриц стала технология обратной засветки — BSI (Back Side Illumination), смысл которой заключается в проецировании изображения на обратную сторону матрицы — ту, которая свободна от вспомогательных цепей управления и считывания информации, загораживающих светочувствительные пиксели от света.

За счет прямого преобразования заряда в напряжение и возможности произвольной адресации к любой ячейке (то есть пикселю) скорость матрицы CMOS несравненно выше и, что не менее важно, выше и удобство использования таких матриц производителями фотокамер. Потребитель тоже оказывается в выигрыше, получая расширенные видеовозможности своей фототехники, скоростную фотосъемку с помощью «электронного затвора», реализацию разнообразных эффектов и фотографических приемов вроде мультикадрового шумопонижения или расширения динамического диапазона снимка путем совмещения быстро сделанных кадров с разной экс-
позициеи, а также множества других вспомогательных функций, появившихся в современных камерах благодаря возможностям CMOS-матриц.

Каждому из рассмотренных типов матриц присущи свои мелкие недостатки — например, «боязнь» CCD-решениями точечных источников света или искажение CMOS-моделями формы быстро движущихся объектов. Впрочем, возникновение такого рода эффектов в современных камерах на основе сенсора любого типа сведено к минимуму и вряд ли может служить основанием для выбора в пользу какой-то одной технологии.

Формально выбор в пользу CMOS фотоиндустрией уже сделан, хотя споры о том, какая из методик обеспечивает лучшую цветопередачу фотографий, не утихают до сих пор. Так, CCD-матрицы все еще устанавливаются в бюджетные компактные камеры из ценового диапазона до 5000 рублей (1300 гривен) или же наоборот — в сверхдорогие среднеформатные модели типа Pentax 645D либо цифровые задники Phase One, где такие недостатки CCD-технологии, как необходимость внешнего АЦП, становятся достоинством, позволяющим производителю использовать сверхточные приборы.

Преимущества в цвете и качестве изображения у матриц типа CCD весьма субъективны, если даже не иллюзорны, в то время как плюсы современных CMOS-мат -риц носят вполне осязаемый характер. Если вам не требуется видеозапись с разрешением больше 720р и вы не собираетесь пользоваться эффектами вроде мультикадрового шумоподавления или HDR (расширенного динамического диапазона), то тип матрицы, установленной в приобретаемую вами фотокамеру, не имеет принципиального значения.

Цифровой цвет

Светочувствительные элементы фотографических матриц примерно одинаково восприимчивы к видимому свету с любой длиной волны и даже к невидимому — например, инфракрасному и ультрафиолетовому. В этом они похожи на кристаллы галогенидов серебра, используемые в фотографических пленках. Иными словами, сама по себе матрица цифровой фотокамеры черно-белая по своей сути. Способы научить матрицу цифрового фотоаппара-
та различать цвета напоминают историю развития цветной пленочной фотографии.

В 1903 году братья Люмьер запатентовали растровый принцип цветной фотографии Autochrome, при котором цветоделение осуществлялось с помощью окрашенных красной, синей и зеленой красками микроскопических крахмальных гранул, расположенных над чернобелой фотопластинкой. Они работали как светофильтры и во время экспонирования, и во время проецирования готового изображения.

В 1976 году сотрудником компании Kodak, доктором Брайсом Э. Байером, был запатентован массив цветных фильтров, предназначенный для покрытия «черно-белых» пикселей цифровой фотоматрицы и наделения таким образом их возможностью избирательной чувствительности к трем основным цветам спектра — красному, синему и зеленому.

В фильтре Байера цветной пиксель составной. Его цвет складывается из расположенных рядом четырех субпикселей основных цветов. Большее количество зеленых субпикселей хорошо согласуется с цветовосприятием человеческого глаза, у которого желто-зеленые оттенки воспринимаются колбочками обоих типов.

На заре становления цветной цифровой фотографии многие производители фотоматриц модифицировали шаблон Байера. Например, Sony один из двух зеленых светофильтров заменяла на сине-зеленый (в терминах компании — изумрудный). Это позволяло улучшить цветопередачу фотоснимков.

В Kodak экспериментировали с введением в шаблон светофильтров пикселей белого цвета, что заметно улучшало чувствительность матрицы и ее фотографическую широту, но ценой худшей цветопередачи.

Однако все эти модификации массива светофильтров Байера приносили и дополнительные сложности — например, необходимость в более сложных и ресурсоемких алгоритмах дебайеризации (восстановления цветовой информации). Но самое главное, они не могли решить основные проблемы метода цветоделения с помощью массива светофильтров — малую разрешающую способность цветовой информации и возникновение муара на изображениях с регулярной структурой. Для борь-
бы с последним явлением перед матрицей устанавливают оптический низкочастотный фильтр (Low-pass filter, называемый также Anti-Aliasing filter), который, по сути, слегка размывает картинку, снижая ее четкость. В течение долгого времени рядовые фотолюбители вынуждены были мириться с присутствием этого нежелательного оптического элемента перед матрицами своих камер. В фотоаппаратах премиум-сегмента компания Olympus стала устанавливать более тонкую версию сглаживающего фильтра, и лишь редкие модели, позиционировавшиеся как профессиональные, были его лишены. Однако с ростом разрешения матриц от 20 и более мегапикселей вероятность возникновения муара сильно снижалась, поэтому в конце концов у производителей фототехники появилась возможность не устанавливать оптический низкочастотный фильтр.

К настоящему времени многие крупнейшие изготовители фотографических матриц отказались от попыток модернизировать цветовой шаблон Байера и вернулись к его классическому виду, а фундаментальные недостатки данного метода теперь предпочитают исправлять несколько иными способами.

Матрицы Super CCD EXR

Компания Fujifilm в деле усовершенствования шаблона светофильтров Байера не остановилась и зашла, пожалуй, дальше других. В своих матрицах, выполненных по технологии Super CCD, она, помимо множества разных технологических ухищрений, сделала один из двух зеленых пикселей большим по размеру, чтобы повысить его светочувствительность, и добилась таким образом впечатляющего увеличения динамического диапазона. Давно снятые с производства фотокамеры Fujifilm с матрицами Super CCD последнего поколения приобрели в настоящее время культовый статус у множества фотографов благодаря красивой цветопередаче и высочайшему динамическому диапазону.

Наследницей легендарной технологии Super CCD в современных КМОП-матрицах компании Fujifilm стала технология EXR. Главным образом данная методика реализуется в компактных камерах «продвинутой» серии F. В них она дает фотографу возможность выбирать между
большим разрешением снимков, высокой чувствительностью матрицы с низким уровнем шумов или широким динамическим диапазоном фотографий. Последние два режима, правда, достигаются ценой двукратного снижения разрешения снимков.

С помощью собственной версии шаблона светофильтров компания FujiFilm борется с муаром, исключив из конструкции низкочастотный фильтр. Матрица с таким фильтром получила название X-Trans CMOS. Она устанавливается в камеры серии X, относящиеся к самой верхней линейке продуктов компании.

Матрицы Foveon

Несмотря на то что по большинству формальных признаков цифровая фотография превзошла пленочную, цветные пленочные снимки все же остаются эталоном для цифровых изображений. Поэтому уподобление цифрового сенсора структуре фотопленки безоговорочно является комплиментом для первого. Ближе всего к данному идеалу на сегодняшний день подошла фотографическая матрица, изобретенная Ричардом Мерриллом — сотрудником калифорнийской компании Foveon Inc. Принцип цветоделения у сенсоров этого типа основан на разной глубине поглощения света с разной же длиной волны в кристалле кремния.

Иными словами, пиксель такой матрицы является полноцветным. Матрицы данного типа свободны от муара и потому не нуждаются в оптическом низкочастотном фильтре. При этом их цветовое разрешение в точности равно количеству пикселей на матрице без интерполяции. Например, у 16-мегапиксельных матриц последнего поколения, получивших название Merrill в честь Ричарда Меррила, визуальное разрешение сопоставимо с разрешением 36-мегапиксельной матрицы Nikon D800 с байеровском фильтром.

В настоящее время фирма Foveon вошла в состав компании Sigma — известного производителя оптики. Последняя выпускает на основе матриц Foveon собственную линейку фотокамер. В нее входят единственная «зер-калка» Sigma SD1 Merrill (стоимостью от 60 ООО руб./ 15 ООО грн.) и три компактных фотоаппарата с фиксированными объективами: Sigma DPI Merrill (с фокусным расстоянием 28 мм), Sigma DP2 Merrill (45 мм) и Sigma DP3 Merrill (75 мм), цены которых начинаются от 30 ООО рублей (7600 гривен).

Однако у данной технологии есть и недостатки. Самый главный из них — низкая чувствительность (базовое значение ISO 200) и стремительная потеря цвета (в первую очередь красного) в условиях недостаточного освещения из-за поглощения света верхними непрозрачными слоями кремния.

Кроме того, матрицы Foveon крайне чувствительны к боковой засветке и потому требуют использования те-лецентрических объективов, как это и было сделано в камерах серии DP Работа с данными моделями требует очень больших вычислительных ресурсов для сложной, восстанавливающей цвет, обработки больших массивов данных. Ведь, например, для матриц серии Merrill эквивалентное количество мегапикселей равно 48.

Автор Сергей Филиппов

Источник статьи: журнал CHIP № 11 ноябрь 2013 сайт http://www.ichip.ru/