|


Поиск по сайту

Сенсоры, их размеры и типы

Представьте себе большой спортзал со старой и дырявой крышей. Для того, чтобы выяснить, какие фрагменты крыши находятся в самом аварийном состоянии, а какие пока с ремонтом могут подождать, мы расставили по всему залу пустые вёдра, выровненные по квадратной сетке, и ждём дождя. После окончания дождя мы замеряем, сколько воды скопилось в каждом ведре, и на основании этого делаем выводы о состоянии крыши в целом. Примерно так работают все цифровые фотосенсоры: после открытия затвора чувствительные элементы, на которых фокусируется изображение, накапливают заряд, пропорциональный уровню освещённости. После закрытия затвора вспомогательная схема считывает сигнал с каждого элемента, усиливает его и преобразует в цифровую форму.



Небольшая нестыковочка: поскольку каждый светочувствительный элемент измеряет только уровень освещённости, описанная схема обладает лишь чёрно-белым зрением. Раньше в дорогих фотоаппаратах (и до сих пор в качественных видеокамерах) ставились три сенсора, по одному для каждого из основных цветов. Начиная с определённого момента, когда стоимость конечного продукта стала критическим параметром, эта схема была заменена так называемым цветовым массивом Байера. В этом массиве половина пикселей, расположенных в шахматном порядке, отвечает за зелёный цвет, к которому человеческий глаз наиболее чувствителен, а ещё по 25% пикселей считывают соответственно красный и синий цвета. Значения двух других цветов в каждой точке изображения интерполируются.


Это важно понимать: каждый второй пиксель в полученной на максимальном разрешении сенсора фотографии имеет значение красного и синего каналов, рассчитанное по методу бикубической интерполяции, и на картинке нет ни одной точки, для которой измерены значения хотя бы двух из трёх каналов. Добавьте сюда неизбежные погрешности оцифровки — и в результате на итоговом изображении могут появляться различные артефакты, о которых будет много сказано ниже. Правда, математика не стоит на месте, и в последнее время начали применяться более комплексные алгоритмы интерполяции. Также совсем недавно фирма Sony представила новую цветовую схему RGBE, где E означает «emerald», то есть изумрудный цвет. В этой схеме два «зелёных» пикселя немного отличаются друг от друга по цвету, позволяя, таким образом, увеличить цветовой охват сенсора (но не исправляя ситуации с артефактами интерполяции). Также нельзя не упомянуть здесь новаторскую технологию SuperCCD от Fuji, в которой восьмиугольные пиксели расположены в шахматном порядке, что хоть и усложняет интерполяцию, но зато позволяет эффективно избавляться от артефактов.


Sony RGBE


 

 Fuji SuperCCD

Ещё одна важная характеристика, до сих пор остающаяся бичом всех цифровых камер — это цифровой шум, а именно —  точечные помехи, особенно хорошо заметные в условиях низкой освещённости. Они имеют ту же природу, что и шум на фотоплёнке: когда на светоприёмник попадает мало света, то соотношение случайного разброса уровней отдельных пикселей в сенсоре (или отдельных кристаллов серебра в плёнке) к полезному сигналу становится выше. Удобно снова представить себе длинные ряды ведёр: когда дождик маленький — сложнее сказать, какое ведро из двух соседних наполнилось больше, чем после сильного ливня, где разница видна сразу. Цифровой шум — неотъёмлемая часть цифровой фотографии, и борьба с ним — одна из основных задач производителей сенсоров и программного обеспечения для камер.


Кстати, покупающие себе первый цифровик люди часто спрашивают: почему в характеристиках камеры часто указывают две цифры разрешения сенсора: общую и эффективную? Отвечаю: это сделано как раз для борьбы с шумами. Несколько (от 6 до 12) крайних рядов пикселей на сенсорах закрываются непроницаемым фильтром, и с их помощью происходит оценка среднего уровня шума, который потом вычитается из итоговой картинки. Особенно это эффективно для борьбы с «тёмными токами» — шумами, вызванными хаотическим тепловым движением электронов по сенсору в отсутствии освещения (при закрытом затворе).

Ещё один очевидный способ борьбы с шумом — это увеличение площади сенсора. Действительно, чем больше она, тем больше площадь каждого светочувствительного элемента, он, в свою очередь, регистрирует больше света, и погрешность измерения становится меньше. Однако всё не так просто: цена сенсоров, особенно построенных на технологии CCD, растёт непропорционально быстро с ростом их площади. Кроме того, чем меньше сенсор, тем меньше предъявляемые им требования к геометрии оптики, тем дешевле объектив и тем больше у него может быть диапазон фокусных расстояний (или, проще говоря, зум).

Вы, наверное, уже не раз встречали обозначения размеров сенсоров вида 1/1.8", 1/2.7", 2/3" и т.п., и хотели бы узнать, что они означают на самом деле. Огорчу вас: эти цифры имеют весьма отдалённое отношение к реальным размерам сенсоров и обозначают не реальные, а так называемые «видиконовые» дюймы. Манера обозначать так размеры пошла со времен зарождения телевидения, когда приёмным элементом в телекамере служила электронная трубка («видикон»), а размер обозначал её диаметр (в который должен был вписываться с запасом снимаемый кадр). Для грубых прикидок можно считать, что «видиконовые» и реальные дюймы относятся как 3 к 2. Ниже в табличке я свёл типичные размеры сенсоров в миллиметрах:

Обратите внимание, что большинство сенсоров имеют соотношение сторон 3:4, характерные для телевизионных экранов, тогда как пропорции «классического» 35-мм кадра составляют 2:3. У некоторых камер даже есть специальный режим съёмки, имитирующий эти пропорции, в том числе для удобства печати на фотобумаге размера 10×15.

Термином «кроп-фактор» принято обозначать соотношение диагонали сенсора и полноразмерного 35 мм кадра. Реальное значение он имеет только применительно к цифровым зеркалкам, расчитанным на установку стандартных объективов: во столько раз при том же рабочем отрезке якобы «увеличивается» их фокусное расстояние (что, само собой, является лукавством — не фокусное расстояние увеличивается, а угол зрения уменьшается за счет кадрирования картинки). Однако значение это довольно показательно с другой точки зрения: кроп-фактор является условным индикатором физического размера одного пикселя на сенсорах разных типоразмеров (при одинаковом разрешении, разумеется). Ведь чем больше пиксель — тем меньше шум, тем выше качество передачи светотеней. С увеличением размера матрицы качество и детальность картинки повышаются «драматически», как любят писать в англоязычных обзорах.

Сейчас я озвучу уже очевидную, но почему-то редко упоминающуюся истину. В погоне за маркетинговой привлекательностью производители постоянно наращивают разрешение своих сенсоров, убедив большинство потребителей в том, что в отрасли царит Его Величество Мегапиксель. Тут нас и подстерегает ловушка: из всего вышесказанного совершенно очевидно, что при одинаковом размере сенсора больше будет шуметь тот, у которого больше мегапикселей. Это нам, кстати,  со всей очевидностью показала Konica Minolta A2, отличная во всех прочих отношениях камера. Поэтому при выборе между двумя фотокамерами одной линейки (например, Panasonic Lumix FZ10 и FZ20) подумайте, так ли вам нужны все эти бессчётные мегапиксели, которые будут с раблезианской скоростью поедать ваши карты памяти, тогда как печатать свои снимки на размеры больше 15×20 вы всё равно не собираетесь? Кстати, выяснить требуемый размер снимка для печати на заданный формат очень легко: для идеального качества отпечатка в фотолаборатории нужное разрешение составляет около 230 точек на дюйм (dots per inch или dpi) или 90 точек на сантиметр. Для печати на принтере цифра может быть чуть больше, до 300 dpi включительно, поскольку  алгоритм растрирования принтера может использовать дополнительную информацию для печати промежуточными (светло-пурпурной и светло-голубой) красками, а также для построения сложного растра. Тем не менее, вполне приемлемым будет разрешение в 150 dpi или 60 точек на сантиметр. Таким образом, для распространённого формата печати 10×15 будет более-менее достаточно разрешения 900×600, максимальное же разрешение для этого формата составит 1800×1200, или чуть более 2 мегапикселоей (sic!). Для формата 15×20 рекомендуемым разрешением итоговой картинки будет 3, максимальным — 4 мегапикселя. Сенсор с более высоким разрешением, конечно, улучшит качество съёмки, но уже исключительно за счёт более мелких деталей, которые всё равно сгладятся на печати, и тут уже первую скрипку начинает играть скорее оптика. Плюс, конечно, надо иметь запас для кадрирования и увеличения, ну и потери при сжатии в JPEG менее заметны на больших картинках. В общем, как ни крути, а для бытовых надобностей сенсор с разрешением более 4 Мп не очень-то и нужен. При равном же количестве мегапикселей выбирать надо ту камеру, у которой больше размер сенсора.

Замечу попутно, что многое зависит и от объектива. Не буду углубляться в эту тематику, поскольку она не имеет прямого отношения к предмету статьи, а на разъяснение, что такое модуляционная передаточная функция (Modulation Transfer Function, MTF) и с чем её едят, уйдёт не одна страница. К сожалению, большинство производителей цифровых фотокамер даже среднего ценового диапазона не прилагают графиков MFT своих объективов, а жаль, поскольку при прямом её измерении очень часто выясняется, что находящиеся внутри камеры огромные мегапиксели попросту не имеют смысла, поскольку объектив элементарно неспособен обеспечить картинку такого качества.

Также маркетинговой атаке подверглась ещё одна характеристика сенсоров: их чувствительность, или ISO speed. Все мы знаем, что фотоплёнка выпускается для съёмок в условиях разной освещённости и отличается цифрой на коробке – обычно это 100, 200 или 400 ISO (кто постарше — должны помнить и разноцветные коробочки производства Шосткинского объединения «Свема», промаркированные цифрами 32, 64, 125 и 250). Чувствительность сенсора фотокамеры по сути задаётся коэффициентом на усилителе аналогового сигнала, снимаемого со светочувствительных элементов, и может варьироваться в очень широких пределах: от 50 до 3200 (!) единиц в ISO-эквиваленте. Надо лишь помнить, что с увеличением чувствительности пропорционально растёт и уровень шума. Понятно, что чем больше диапазон чувствительностей у сенсора, тем привлекательнее камера для покупателя, потому всё те же деятели, что ставят перед восьмимегапиксельным сенсором объектив размером с булавочную головку, часто завышают чувствительность ISO, как явно (и тогда снимки на такой камере с заданными параметрами выходят просто темнее, чем на "честном" аппарате), так и на программном уровне, когда увеличение яркости на две ступени происходит при обработке изображения микропроцессором камеры (кстати, точно также работает и режим 3200 ISO Boost в полупрофессиональных зеркалках Canon 10D/20D, но у них в инструкции об этом чётко говорится). Тем не менее, здесь мы можем видеть одно из наиболее очевидных преимуществ «цифры»: возможность съёмки в разных условиях освещённости без смены плёнки на более или менее чувствительную и всех связанных с этим камланий: записать номер кадра, смотать плёнку в кассету, вытянуть обратно язычок, потом снова отмотать её на нужную точку.

Большой процент профессионалов, тем не менее, переходить даже на цифровые зеркалки не спешит и продолжает снимать на плёнку. Когда у них спрашивают о причинах, они произносят загадочное слово «динамический диапазон» или «фотоширота». Что это такое? Очень просто: фотоширота — это разница логарифмических оптических плотностей, которую плёнка способна передать без искажений. Её часто путают с динамическим диапазоном, который является скорее характеристикой сканеров. В англоязычной практике эти два термина идентичны.

Поскольку этот пункт всегда вызывает разночтения и споры — разъясню подробно. Формула оптической плотности выглядит как D=log(I0/I), где I0 — это интенсивность упавшего света, а I — прошедшего. То есть если плёнка задерживает половину света — то плотность её в этой точке равна 0,3 D, четверть — 0,6 D, 10% — 1 D, 1% — 2 D и так далее. Теперь если на нашей плёнке максимальная плотность равна 2,8D, а минимальная — 0,7 D (в случае негативной плёнки это будет плотность маски), то её фотоширота составляет 2,1 D — величина, как раз характерная для негативной плёнки. У слайдовой плёнки диапазон фиксируемых плотностей намного больше — около 3,5 D, но лишь небольшая часть этого диапазона — порядка 1,5 D-1,8 D — лежит внутри области, которую я выделил курсивом: «без искажений». Всё прочее и называется «вытягиванием» слайда, когда из тёмных участков пытаются достать недостающие детали.

Теперь о фотошироте цифровых камер. Теоретическую фотошироту, которой любят оперировать маркетологи, получить легко, зная всего лишь внутреннюю разрядность сенсора. У большинства камер она составляет 36 бит, или 12 бит на цвет, или 4096 градаций. Считаем log(4096) и получаем максимальную теоретически возможную фотошироту в 3,6 D. Ого! — скажете вы. Должен вас расстроить: линейная часть её (без искажений!) составляет намного меньший отрезок, и реальный показатель после вычитания шума составляет порядка 1,1 D-1,4 D, что, тем не менее, вплотную приближается к фотошироте слайдовой плёнки. Не стоит также забывать, что большие потери в фотошироте происходят при записи картинки в формате JPEG, который от 12 бит оставляет в лучшем случае 8, а на самом деле, и того меньше. Фотоширота также зависит от размера сенсора и его разрешения: чем пиксель больше, тем больше полутонов он успеет запечатлеть за время экспозиии.



Возвращаясь к аналогии с вёдрами: фотоширота — это просто объём одного ведра. В самом деле, если дождь слишком сильный (сюжет слишком яркий), то некоторые вёдра могут переполниться, и мы никогда не узнаем, какая именно интенсивность была в данной точке. Получится засветка, часть информации будет навсегда утеряна, и ни в какой программе обработки восстановить её не удастся — только заново нарисовать или взять с другого кадра. В свою очередь, при слишком контрастном сюжете автоматика камеры, ограниченная её динамическим диапазоном, может (дабы не потерять светлые детали) выставить короткую выдержку и/или маленькую диафрагму, и мы потеряем детали уже в тенях (некоторые вёдра останутся сухими). Таким образом, сняв достаточно сложный сюжет на плёнку, мы получим в кристаллах серебра множество информации — как в светах, так и в тенях, и при печати или сканировании сможем выбрать, что именно нам важнее «вытянуть», а чем мы можем пожертвовать. Цифровик нам такой возможности не даст — решение надо принимать на месте и в момент съёмки. Масла в огонь подливает процесс перевода картинки в 8 бит на цвет для сохранения в JPEG (в этом случае спасти ситуацию может сохранение картинки в формате RAW, но такая возможность имеется далеко не у всех цифровых камер). Динамический диапазон также, очевидно, зависит напрямую от размера сенсора: чем больше отдельный пиксель, тем больше света он может на себя принять и тем больше градаций серого он может дать на выходе.




На этом кадре хорошо проработалось небо, но очень плохо — передний план

 

...а на этом — наоборот

И последняя характеристика, имеющая непосредственное отношение к шуму — это покрытие площади сенсора светочувствительными элементами. В CCD-сенсорах конструктивно возможно достичь 100% заполненности, тогда как в CMOS этот параметр редко достигает 70%. Стоит, однако, уже расшифровать эти за две загадочные аббревиатуры.


Дополнительная информация

Почитать еще про  фотоаппараты...

Просмотреть еще  популярные страницы нашего сайта...

Послушать онлайн  радио...

Почитать про обучение мастеров по ремонту мобильных телефонов...

Отправить бесплатно смску любимым и родным...