Текст книги "Цифровая фотография. Фотоэнциклопедия"

Размеры матрицы

Матрица – электронное устройство со светочувствительным слоем из кристаллов кремния, предназначенное для преобразования светового потока (фотонов) в электрические заряды (электроны). Основная характеристика матрицы – разрешение – количество пикселей по горизонтали и вертикали. В цифровых фотоаппаратах применяются несколько типов матриц (более подробно см. в главе об электронно-оптических преобразователях). Самые распространенные ЭОП – ПЗС-(CCD) и КМОП-матрицы (CMOS). Более 95 % цифровых фотоаппаратов выпускаются с ними. Второй по значимости характеристикой матрицы после разрешения является ее физический размер, который очень сильно влияет на чувствительность, разрешение матрицы и ее динамический диапазон. Чем больше площадь каждого элемента (пикселя), тем больше света попадает на него, тем выше чувствительность всей матрицы. Большой размер элемента подразумевает и большой размер потенциальной ямы, а следовательно, широкий динамический диапазон. Например, если 12 миллионов пикселей с размером пикселя 10 микрон разместить на полноформатной матрице, то на матрице размером в два раза меньше 12 миллионов пикселей могут уместиться, если размер каждого пикселя не превышает 5 микрон. Следовательно, фотоаппарат с маленькой матрицей не может иметь большую чувствительность и более широкий динамический диапазон, чем аппарат с матрицей большего размера при одинаковом разрешении.

Nikon D3 CMOS 12,3 МП, размер сенсора 15,8х23,6 мм

Nikon D3 CMOS 12,1 МП, размер сенсора 36,0х23,9

Nikon D3 CMOS 12,1 МП, размер сенсора 36,0х23,9

В зависимости от конструкции цифрового фотоаппарата в нем устанавливаются матрицы различного размера: чем больше размер, тем выше характеристики динамического диапазона и чувствительности. Размер матрицы указывается в долях дюйма по диагонали, в некоторых случаях в миллиметрах по горизонтальной и вертикальной сторонам, при этом форма сенсора, как правило, прямоугольная при соотношении сторон 4: 3, а у широкоугольных сенсоров – 16:9. Хочется отметить, что размер стандартного отпечатка А6 (10х15 см) или формата А4 (21х29.7 см) имеет соотношение сторон 3:2, а у сенсора эта величина – 4:3. При печати снимка часть изображения будет обрезана. Размер сенсора оптимизирован под вывод снимка на монитор компьютера, размер экрана которого соответствует соотношению 4:3 или 16:9. В большинстве моделей цифровых фотоаппаратов, поддерживающих широкий формат, этот эффект достигается путем срезания верхних и нижних краев изображения. Однако существуют модели компактных цифровых камер с соотношением размеров матрицы 16: 9.

Sony DSLR-A700Z. DT 16 – 105 мм f/3,5–5,6 SAL – 16105

Особо стоит поговорить о совместимости оптических систем с размером матрицы. Оптические схемы большинства объективов рассчитаны таким образом, чтобы полностью покрыть площадь 35-миллиметрового кадра. Если размеры матрицы меньше этой площади, часть изображения, формируемого объективом, остается за кадром. В этом случае фокусные расстояния объективов сдвигаются в длиннофокусную область, поэтому при выборе объективов обязательно следует учитывать коэффициент увеличения фокусного расстояния (кроп-фактор), равный 1,5. Например, если у вас установлен объектив с фокусным расстоянием 50 мм f/1,4, то его реальное фокусное расстояние будет 75 мм f/1,4, а светосила остается неизменной – f/1,4.

Большинство продвинутых фотолюбителей и профессионалов предпочитают использовать модели фотокамер с большим размером матрицы. Так ли это нужно, какие преимущества и недостатки имеют полноформатные и маленькие матрицы? Остановимся на этом подробнее. Почему компания Canon выпустила полноформатную камеру Canon D5, а ее главный конкурент компания Nikon продолжала выпускать камеры с маленькой матрицей и только в 2007 г на рынке появилась первая полноформатная камера Nikon D3? Одновременно с этой моделью компания выпустила и другую модель Nikon D300 с матрицей вполовину меньше форматной. Основные функциональные параметры у камер одинаковы. Давайте на примере D3 и D300 рассмотрим плюсы и минусы матриц разного размера.

Nikon 3D

Nikon D300

Самый главный аргумент в пользу полноформатной матрицы – возможность полноценно использовать линейку оптики без поправок на кроп-фактор. Но является ли возможность полноценного использования оптики достоинством?

Например, если на полноформатную камеру Nikon D3 с КМОП-матрицей 12,1 МП и размером 36,0х23,9 мм установить объектив Nikkor 28 мм f/1,4 или телеобъектив Nikkor 300 мм f/2,8, эти объективы, как и все остальные, будут формировать нормальное изображение, соответствующее реальному фокусному расстоянию, без каких-либо поправок. Но эти же объективы, установленные на камеру Nikon D300 с КМОП-матрицей 12,3 МП размером 15,8х23,6 мм, увеличат фокусное расстояние этих объективов с коэффициентом 1,5, а следовательно объектив Nikkor 28 мм f/1,4 из широкоугольника превратится в нормальный объектив с фокусным расстоянием 42 мм f/1,4, а объектив Nikkor 300 мм f/2,8 из обычного телевика – в супертелевик с фокусным расстоянием 450 мм f/2,8 при неизменной светосиле. Найти в линейке оптики Nikkor объектив с подобными характеристиками невозможно.

Области формирования изображений матрицами разных размеров

Pentax Optio Z10 матрица 10 МП

Однако применение широкоугольной оптики на матрице камеры D300 не дает столь очевидных преимуществ над полноформатной матрицей. Например, вам нужен широкоугольный объектив с фокусным расстоянием 24 мм. Для получения такого угла охвата на D300 придется устанавливать объектив с фокусным расстоянием 16 мм, но даже то, что для получения 24-миллиметрового широкоугольного объектива вам придется установить сверхширокоугольный объектив 16 мм, имеет свои плюсы. Общеизвестно, что самая резкая область любого объектива – центр, по краям резкость снижается, а у широкоугольников имеют место оптические искажения изображения. При использовании матрицы малого размера края с пониженной резкостью и оптическими искажениями останутся за кадром. Но главное достоинство матрицы малого размера – проработка мелких деталей. Иными словами, резкость матрицы D300 выше, чем у полноформатной матрицы D3.

Изменение фокусного расстояния объектива в длиннофокусную область при использовании матрицы с размером меньше полноформатного кадра

Все вышесказанное можно подтвердить несложными расчетами. Например, размер матрицы камеры Nikon D3 – 36,0х23,9 мм, на ней расположено 12,1 миллионов пикселей. Матрица Nikon D300 в два раза меньше полноформатной матрицы D3, на площади 15,8х23,6 мм размещены 12,3 миллиона пикселей. Следовательно, размер каждого пикселя у D300 в два раза меньше, чем у D3. Именно этот показатель и позволяет формировать более резкое изображение. Чем меньше пиксель, тем больше мелких деталей передается в формируемом изображении. Преимущество большой матрицы в повышенной чувствительности и более широком динамическом диапазоне. Чем больше размер пикселя, тем больше размер потенциальной ямы, тем больше света поглощает элемент, следовательно, тем шире динамический диапазон и выше чувствительность матрицы, поэтому диапазон камеры Nikon D3 – 200-6400 ISO с расширением 100-25 000 ISO, а камеры Nikon D300 – 200-3200 ISO с расширением 100-6400 ISO.

Физический размер матрицы на резкость формируемого изображения не влияет.

Цветные фильтры

Кремниевые детекторы света (пиксели) определяют градацию интенсивности света от чисто белого до полностью черного (256 оттенков). Каждый пиксель несет информацию о яркости: тем выше яркость, чем больше фотонов попало на сенсор.

Следовательно, каждый пиксель распознает яркость, но при этом он монохромен. Для получения цветного изображения между микролинзой и поверхностью кремня помещают цветные фильтры. Каждому пикселю в строгой последовательности задается свой цвет. Прежде чем попасть на пиксель, свет проходит через фильтр, который пропускает волны только своего цвета и поглощает волны другого.

Nikon D300 матрица 12,3 МП

Цветные фильтры сенсора

Любой цвет, который воспринимает человеческий глаз, можно получить, комбинируя несколько основных цветов. В модели RGB, используемой во всей фототехнике, таких цветов три: красный (red – R), зеленый (green – G) и синий (blue – B).

Построение цветового пространства RGB формируется путем синтеза. Большинство сенсоров цифровых камер работает по так называемой байеровской схеме (Bayer patter) – системе расположения фильтров в шахматном порядке; причем количество зеленых фильтров в два раза больше, чем красных или синих, а красные или синие фильтры располагаются между зелеными. Такое количественное соотношение объясняется особенностью строения сетчатки человеческого глаза: он более чувствителен к зеленому цвету.

Аддитивная цифровая модель RGB используется не только в ПЗС-матрицах, мониторы компьютеров и телевизоров тоже работают в RGB-пространстве, а при печати на цветных принтерах и в полиграфии применяют субтрактивный синтез – CMYK: голубой (cyan – C), пурпурный (magenta – M), желтый (yellow – Y). К CMY добавляется цвет черный, обозначенный буквой K – (blacK). (Появление буквы «К» в аббревиатуре CMYK точно определить сложно, существуют разные версии.)

Байеровская схема цветового пространства RGB

RGB

CMYK

У цветовой модели RGB более широкий цветовой охват, чем у CMYK, поэтому изображение с хорошей цветопередачей в RGB смотрится более тускло в CMYK. Образуя цветовое пространство в модели RGB можно получить более 16 миллионов цветов, но использование RGB не гарантирует, что такое количество цветов вы реально получите на экране мониторов или на оттисках. Изначально цветовая модель RGB была разработана для описания цвета на цветном мониторе, но поскольку модели мониторов различаются в зависимости от фирмы-производителя, были предложены несколько альтернативных цветовых пространств, соответствующих усредненному монитору — sRGB и Adobe RGB. Они различаются оттенками основных цветов, цветовой температурой и показателями гамма-коррекции.

Pentax Optio S12 матрица 12 МП

Пиксель монохромен, он не различает цвета.

Чувствительность

Sony DSLR-A350, матрица 14,2 МП

Pentax К 200 D. DA10 – 17 мм f/3,5–4,5 ED

Чувствительность регистрирующего устройства – это способность реагировать на отраженный от объекта съемки свет. В цифровых фотоаппаратах обычно указывают эквивалентную чувствительность ПЗС-матрицы в единицах ISO. Чувствительность ПЗС-матрицы – суммарная характеристика, зависящая от чувствительности каждого пикселя. В свою очередь, чувствительность каждого пикселя ПЗС-матрицы определяется площадью светочувствительной области (Fill Factor) и квантовой эффективностью (Quantum Efficiency).

Квантовая эффективность – способность приемника улавливать свет; она отражает эффективность процесса преобразования поглощенных квантов света в электроны. Поскольку энергия квантов зависит от их длины волны, невозможно точно определить, сколько электронов появится в пикселе матрицы из общего потока разнородных частиц света. Поэтому квантовая эффективность в характеристике матрицы указывается как функция от длины волны. Квантовая эффективность современных полупроводниковых приемников излучения достигает 95–98 %, практически каждый падающий на прибор фотон регистрируется системой со 100 %-ной вероятностью.

В цифровых фотокамерах понятие «чувствительность» аналогично понятию чувствительности фотопленки. Этот параметр на фотокамере пользователь выставляет в зависимости от освещенности. Использование режима увеличения экспозиции (увеличение ISO) – стандартная операция при съемке движущихся объектов, когда требуется короткая выдержка, нужно получить большую глубину резкости или при недостаточной освещенности. Однако не следует забывать, что усиление сигнала матрицы имеет и свои минусы, поскольку при повышении уровня полезного сигнала гораздо заметнее становятся пиксели.

Sony DSLR-A200. DT 11–18 мм f/4,5–5,6 SAL-1118

Canon EOS 40D, матрица 10,1 МП

Sony DSC-W150, матрица 8,1 МП

Количественная мера светочувствительности – светочувствительное число – указывается в единицах ISO (International Standards Organization).

Интерполяция

Интерполяция – это алгоритм увеличения разрешения с помощью математических расчетов, осуществляемых программным обеспечением фотокамеры. Однако следует помнить, что реального увеличения количества элементов матрицы не происходит. Интерполяцию можно осуществлять при обработке фотоизображения в программах редактирования на компьютере. Эффективность процесса интерполяции зависит от конструктивных особенностей матрицы и программного обеспечения.

Canon EOS 5D. EF 24–85 мм f/3,5–4,5 USM

Nikon 060. AF-S Nikkor 17–35 мм f/2,8 D IF ED

Идеальным примером интерполяции служит матрица Super CCD, установленная на цифровых фотоаппаратах Fine Pix S3pro, S5pro и т. д. В предыдущих главах мы подробно рассматривали особенности матрицы Super CCD, с точки зрения интерполяции это классический пример, когда матрица с 6 миллионами пикселей выдавала файлы с разрешением 12 МП: двукратное увеличение происходило за счет особого расположения пикселя (восьмигранного формата) и интерполяции. Качество изображения, полученное с помощью 6-мегапиксельной матрицы Super CCD, намного превышало качество изображения, полученное обычной 6-мегапиксельной матрицей.

Sony DSLR-A350. DT 18-200 мм f/3,5–6,3

Для понимания алгоритма интерполяции возьмем, к примеру, квадрат 2x2 пикселя, увеличим его линейные размеры в два раза (4x4 пикселя), площадь нового квадрата возрастет в 4 раза, на каждый базовый пиксель приходится 3 клонированных, отражающих цвет основного пикселя. Процесс интерполяции очень напоминает процесс сжатия изображения, в интерполяции увеличивается число пикселей, а в сжатии – уменьшается. Все манипуляции с увеличением или уменьшением пикселей всегда приводят к потере качества изображения. Например, увеличение количества пикселей при интерполяции увеличивает пиксельное пятно: вместо одной точки определенного цвета возникает 4 того же цвета, следовательно, точка увеличивается в 4 раза. В этом случае плавные контуры изображения приобретают ступенчатость, что существенно ограничивает увеличение формата изображения.

Nikon Coolpix Р5100, матрица 12 МП

Nikon Coolpix Р60, матрица 8 МП

Динамический диапазон

Динамический диапазон – величина, характеризующая способность ЭОП регистрировать оттенки серого (уровни яркости), между абсолютно черным и абсолютно белым цветом. Чем шире динамический диапазон, тем больше оттенков будет воспроизведено на снимке.

Для того чтобы сенсор мог фиксировать детали в тени и на ярком солнце, от каждого пикселя требуется емкая потенциальная яма, которая должна удерживать минимальное количество электронов при слабом освещении и вместить большой заряд при попадании на сенсор большого светового потока. Снимаемый кадр может содержать как глубокие тени, так и ярко освещенные участки. Способность сенсора отображать большое количество оттенков в тени и на солнце зависит от ширины динамического диапазона. Возможность потенциальной ямы удерживать заряды определенной величины именуется глубиной потенциальной ямы (Well Depth) – именно от этой характеристики зависит динамический диапазон сенсора.

Динамический диапазон

Чем шире динамический диапазон, тем больше оттенков будет воспроизведено на снимке.

256 оттенков

Среди цифровых устройств наибольшим динамическим диапазоном обладают барабанные сканеры (дорогостоящие устройства для сканирования изображения), у планшетных сканеров динамический диапазон значительно меньше, а у цифровых фотоаппаратов даже профессионального класса – еще меньше. Самый маленький динамический диапазон – у камер, встроенных в сотовые телефоны, так как ЭОП у камер данного типа имеет маленький физический размер.

В фотографии динамический диапазон принято измерять в единицах экспозиции (EV) т. е. логарифмом по основанию 2, реже десятичным логарифмом (обозначается буквой D). EV=0.3D.

При определении формата файла определяется характеристика динамического диапазона, используемого при записи фотографии, например JPEG определяется стандартом sRGB: динамический диапазон равен 11.7EV (8-9EV реально полезны), в файлах Radiance HDR динамический диапазон равен 256EV.

Широкий динамический диапазон

Узкий динамический диапазон с проработкой деталей в темных тонах

Узкий динамический диапазон с проработкой деталей в светлых тонах

Фотографическая широта пленки (фотоширота) показывает диапазон яркостей, который пленка может передать без искажений с равным контрастом. Фотоширота слайд-пленки составляет 5-6EV, негативная пленка имеет фотографическую широту в два раза больше 10EV, кинопленка – до 14EV.

Динамический диапазон современных цифровых фотокамер составляет у компактных фотоаппаратов 7-8EV, у цифровых зеркальных камер – 10-12EV. При этом не стоит забывать, что матрица передает объекты съемки с разным качеством, детали в тенях искажаются шумами, светлых – передаются хорошо. Максимальный динамический диапазон у цифровых зеркальных камер доступен только при съемке в RAW формате, при конвертации в формат JPEG камера обрезает детали, а динамический диапазон сокращается до 7.5–8.5EV.

Расширение динамического диапазона

Иногда при съемке определенных объектов возникает ситуация, когда динамического диапазона у цифровых камер или пленок недостаточно для передачи сюжета. Недостаток динамического диапазона особенно заметен при съемке на слайд или компактную цифровую камеру которые зачастую не могут передать даже яркий дневной пейзаж с деталями в тенях, а диапазон яркости ночного сюжета может достигать до 20EV, в этом случае необходимо увеличение динамического диапазона камеры. Существуют несколько способов увеличения динамического диапазона, технология HDR – самая распространенная, для ее реализации необходимо три кадра; первый – содержащий детали в глубоких тенях, второй кадр – с проработкой деталей в светлых тонах, третий кадр – с проработкой деталей в диапазоне средних яркостей. Комбинированием трех изображений, методом наложения одного на другое, можно получить фотоизображения с широким динамическим диапазоном. Фотосъемку трех кадров можно осуществлять в режиме брекетинга с заданным пользователям шагом изменения экспозиции.

Чем больше глубина потенциальной ямы, тем выше динамический диапазон.

Блюминг

Блюминг (от англ. Blooming – размывание) – дефект изображения в виде белых пятен правильной формы. Этот эффект возникает в тех случаях, когда количество электронов превышает глубину потенциальной ямы, в результате чего заряд ПЗС-элемента начинает «растекаться» на соседние пиксели. Чем выше степень засветки (больше избыточных электронов), тем крупнее пятна на изображении. Для подавления блюминга используют электронный дренаж (Olrain), отводящий избыточные электроны из потенциальной ямы.

Nikon Coolpix Р5100, матрица 12 МП

Canon PowerShot A650 IS, матрица 12,1 МП

Canon EOS 40D. EF 24-105 мм, f/4 L IS USM

Существуют два способа отвода электронов из потенциальной ямы.

Первый – вертикальный дренаж (Vertical Overflow Drain – VOD). В этом случае на подложку матрицы подается потенциал, значение которого подбирается так, чтобы при переполнении глубины потенциальной ямы избыточные электроны вытекали из нее на подложку и там рассеивались. Недостатки этого варианта – уменьшение глубины потенциальной ямы и, соответственно, сужение динамического диапазона пикселя.

Второй — боковой дренаж (Lateral Overflow Drain – LOD). При этом способе избыточные электроны сбрасываются в специальные шлюзы (Gates). Однако и у этого способа есть свои недостатки: он уменьшает светочувствительность пикселя.

Вертикальный дренаж

Боковой дренаж

Схема бокового дренажа

Когда избыток электронов превышает глубину потенциальной ямы, заряд ПЗС-элемента «растекается» на соседние пиксели.

Аналогово-цифровой преобразователь

Аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) – устройство, предназначенное для преобразования входного аналогового сигнала в двоичный цифровой код (цифровой сигнал).

Входной сигнал, полученный с усилителя, необходимо перевести в понятный для микропроцессора фотокамеры формат. Эту функцию выполняет АЦП, преобразующий аналоговые величины в цифровую последовательность. Основная характеристика АЦП – его разрядность – количество дискретных уровней сигнала, распознаваемых и кодируемых АЦП.

В АЦП современного цифрового фотоаппарата используется двоичная система исчисления. Количество дискретных уровней вычислить несложно: возведите 2 в степень разрядности. Разрядность 8 битов означает, что преобразователь способен определить 28 уровней сигнала и отобразить их в виде 256 различных значений.

Nikon D300. AF-S Nikkor 24–70 мм, f/2,8 GED

Nikon D300, AF-S Nikkor 24–70 мм, f/2,8 GED

Canon PowerShot A650 IS, матрица 12,1 МП

Nikon Coolpix P60, матрица 8 МП

В большинстве фотокамер среднего уровня используют 8-битный АЦП, то есть оцифровка аналогового сигнала происходит по 256 уровням для каждого из трех каналов RGB-модели: красного (R – red), зеленого (G – green) и синего (B – blue). Минимальной яркости каждого цвета присваивается значение 0, максимальной – 255. Глубина цвета при этом составит 24 бита (по 8 бит на каждый из трех каналов RGB), следовательно, каждый канал RGB дает 256 комбинаций уровней яркости. Перемножив 256x256x256, мы получим 16 777 216 цветовых оттенков, воспроизводимых фотокамерой с 8-битным АЦП в режимах TIFF и JPEG, а в режиме RAW – 10 бит на канал. У профессиональных фотокамер этот показатель несколько выше: АЦП с разрядностью 10, 12 и даже 16 бит на канал с глубиной цвета 30, 36 и 48 бит. В камерах, встроенных в сотовые телефоны, разрядность АЦП не превышает 4–6 бит на канал с глубиной цвета 12 и 18 бит соответственно.

АЦП преобразует аналоговый входной сигнал в понятный для микропроцессора фотокамеры формат – цифровую последовательность.

Pentax Optio S12, матрица 12 МП

Sony DSC-W300, матрица 13,6 МП

Canon Digital IXUS 970 IS, матрица 10 МП

Очень важно, чтобы разрядность АЦП соответствовала динамическому диапазону ПЗС-матрицы, так как при узком динамическом диапазоне АЦП с большой разрядностью нечего будет распознавать. Размер матрицы также влияет на характеристики динамического диапазона и чувствительность: чем больше площадь каждого элемента, тем больше света попадает на него, соответственно возрастает чувствительность, а большой размер пикселя подразумевает большую потенциальную яму а следовательно, и широкий динамический диапазон. У профессиональных камер с большими матрицами чувствительность нередко достигает 6400 ISO, а динамический диапазон требует АЦП с разрядностью 10–12 бит на канал.

Nikon D700, AF-S Nikkor 24–85 мм, f/2,8–4 D

Nikon Coolpix P60, матрица 8 МП

Очень важно, чтобы разрядность АЦП соответствовала динамическому диапазону ПЗС-матрицы.