Устройство цифровой фотокамеры.
Автор: Бочаров Сергей.
Некоторые из посетителей моего портала наверно считают, что деление фотографов на поклонников компактных камер в просторечье именуемых «мыльницы» и «зеркалок» это достижение, принесенное развитием цифровой технологии. К сожалению, это не правда. Еще в эпоху триумфального шествия пленочной фотографии камеры точно также условно делились на компактные, кстати, они тогда тоже назывались «мыльницами» и зеркальные.
И тогда, и сейчас при покупке своей первой фотокамеры каждому начинающему фотографу приходилось принимать трудное решение о выборе того или иного типа аппарата. И, невзирая на то, что на рынке имеется весьма разнообразный ассортимент фотокамер с различными техническими параметрами, для покупателя всегда актуален один вопрос: “Как выбрать аппарат, который нужен именно мне?”
Кому-то ответ на этот вопрос может показаться весьма простым, и очевидным, как правило, это люди, которые уже не один год занимаются фотографией и имеют огромный опыт. Они уже точно знают, в каких жанрах будут работать, и что им нужно от техники, поэтому проблемы выбора для них не стоит. И им эта статья вряд ли будет полезной. Хотя возможно они найдут в ней некоторые интересные технические подробности.
Ну, а как быть тем, кто хочет начать снимать, прямо сразу здесь и сейчас, но пока еще не знает, что ему нужно, и в каком жанре в дальнейшем понравиться фотографировать?
Можно, конечно, обратиться за советом к специалистам, но здесь вас, скорее всего, постигнет разочарование. В ответ вы можете услышать либо до боли забитую фразу о том, что снимает не аппарат, а фотограф, что на самом деле правда, но только от части.
Никто не будет спорить с тем, что выбор ракурса, создание композиции, освещения, работа с моделью требуют от фотографа опыта и навыка. Все это приходит с годами упорной практики и обучения, но это, так называемая художественная сторона фотографии. А ведь есть и другая техническая сторона. И именно здесь, те самые заложенные в аппаратуру характеристики могут весьма серьезно ограничить творческие возможности фотографа.
Либо профессионалы вам сразу посоветуют покупать зеркалку без всяких альтернатив. Оно и понятно, для них это единственный вариант «рабочей лошадки», но к ней потребуется купить еще и объектив возможно вспышку, а как их выбрать, не зная характеристик?
И тот и другой ответ согласитесь, вам не добавят информации. Ведь купить, то не знаю, что довольно сложно. Можно, конечно, внимательно читать различные тестовые обзоры, но без начальных представлений о параметрах фотокамер в них весьма легко запутаться. Но даже если с их помощью вы определились с маркой камеры, которая вам понравилась, то остается еще один важный шаг, а именно покупка.
Перед тем, как оплатить желанный «фотик» неплохо его еще и проверить, ведь не у кого из нас нет лишнего времени мотаться в сервис или назад в магазин для обмена столь долгожданной покупки. Да и этот весьма непростой процесс способен испортить всю радость от приобретения устройства.
Именно поэтому я решил на сайте опубликовать материал, который поможет вам не только ориентироваться в технических данных фотокамер и понять, как она работает. Но еще и дать несколько практических советов и рекомендаций, которые помогут приобрести исправное изделие.
Материал для удобства разделен на части, которые будут публиковаться по мере готовности.
Первая часть целиком посвящена устройству и работе цифровой фотокамеры.
ЧТО ВНУТРИ
Для понимания основных технических характеристик весьма полезно представлять себе устройство фотокамеры. Итак, независимо от того, какой аппарат перед нами компакт или зеркалка в нем имеются одни и те же узлы.
Объектив - представляющий собой тот самый глаз, через который аппарат смотрит на окружающий мир. Основная его задача сформировать изображение на фотопреобразователе (ФП).
Затвор - выполняет ту же операцию, что и в аналоговой фотокамере -перекрывает световой поток, поступающий на фотопреобразователь.
Фотопреобразователь - обычно называемый матрицей, заменяет в цифровых камерах привычную фотопленку. Он должен зафиксировать картинку, созданную объективом с максимальной точностью, для дальнейшей обработки. Причем обращаю ваше внимание, что если до этого момента мы говорили о картинке сформированной оптикой, то после фото сенсора мы имеем уже изображение, преобразованное в электрический сигнал или заряд в зависимости от типа преобразователя.
АЦП - аналогово-цифровой преобразователь - именно он переводит сигнал, полученный с фотопреобразователя из аналоговой формы в цифровую.
Следующим узлом, без которого невозможно нормальное функционирование фотокамеры, является процессор обработки изображения. В результате его работы мы получаем на выходе готовый цифровой фотокадр.
КАК ВСЕ РАБОТАЕТ
ОБЪЕКТИВ
Объектив является одним из самых важных узлов любой фотокамеры. Ведь именно он формирует изображение на фотопреобразователе и с его помощью «камера смотрит в мир». А параметры его линз в немалой степени определяют качество получаемой фотографии.
Независимо от типа камеры объективы характеризуются несколькими основными параметрами. Наверное, многие обращали внимание на нанесенные вокруг объектива цифры, например 1,8/5,0-50 или 5,0-50 мм. 1:1,8. Итак, попробуем разобраться в их значении.
Группа цифр, разделенная дефисом, указывает фокусное расстояние и диапазон его изменения. Если оно обозначено одной цифрой, то говорят, что объектив имеет фиксированное фокусное расстояние. В просторечье их называют дискретными или просто «фиксами». Но когда мы видим диапазон изменений фокусного расстояния, то перед нами объектив с переменным фокусом или зум - объектив.
При этом стоит отметить еще одну деталь, именно отношение максимального фокусного расстояния к минимальному, определяет величину оптического зума (не следует путать с цифровым). Естественно, чем больше это значение, тем более широкие возможности работы с кадром предоставляет камера. В нашем примере значение оптического зума 10х.
Но, как известно за все в жизни нужно платить, и, как правило, платой за большой зум является более низкая светосила на максимальном увеличении.
Величина фокусного расстояния помогает нам судить о таком важном параметре, как угол обзора камеры (насколько много объектов попадет в кадр при съемке), а также оценить степень приближения или удаления объекта съемки при определенных геометрических размерах фотосенсора.
На последнее замечание стоит обратить внимание. Дело в том, что этот параметр напрямую зависит от физического размера фотопреобразователя. Поскольку большинство выпускаемых цифровых камер имеют размер, меньший, чем у обычного кадра, в фотографии принято приводить фокусное расстояние к эквивалентному формату пленочного кадра, а именно 24х36 мм. Для этого используется понятие кроп-фактора (crop — обрезать, factor — множитель).
Такой подход позволяет избежать путаницы при оценке угла обзора. Проблема только в одном, для пересчета нужно знать линейный размер используемой в фотокамере матрицы, а производители его не всегда указывают у компактных камер. С зеркальными аппаратами таких трудностей, как правило, не возникает. Размер матрицы вы всегда сможете найти в технических данных.
Разделенная двоеточием вторая группа цифр характеризует величину светосилы объектива. Проще говоря, этот параметр, позволяет оценить количество света, которое попадает на матрицу фотосенсора через объектив.
Не углубляясь в тонкости оптики, заметим, что на светосилу объектива влияет довольно много характеристик. В частности, свойства оптического стекла, из которого изготовлены линзы, внутренние отражения и поглощения света оптикой. Но вполне достаточно знать, что чем меньше значение светосилы, тем более, качественный объектив у вашей камеры.
Профессиональные объективы имеют постоянное значение светосилы во всем диапазоне изменения фокусного расстояния, но стоимость их весьма велика. Ну, а более дешевые «стекла» отличаются разным значением светосилы для максимального и минимального фокусного расстояния. Поэтому обычно она указывается в виде двух чисел разделенных тире, например: 1: 2,8-4,6. Что соответствует минимальному и максимальному значениям фокусного расстояния.
При этом сам собой возникает весьма вопрос: «Получим ли мы фотокамерой, имеющей объектив с большей светосилой более яркое и сочное изображение, чем, используя другой аппарат с менее светосильным объективом?» Ответить на этот вопрос положительно можно только в том случае если речь идет о зеркальной камере. Установив на аппарат, более качественный объектив вы сразу увидите разницу в изображения. Ну, а если сравнить между собой картинку с двух различных компактных камер, то возможно разницы вы и не заметите. Ведь помимо объектива на фотографию влияет фото сенсор, а также используемые в обрабатывающем процессоре алгоритмы коррекции и преобразования изображения.
Теперь самое время рассмотреть следующий по важности узел камеры, а именно фотопреобразователь.
ДВОЙНОЙ СТАНДАРТ
Если объектив формирует изображение и его, проводя аналогию с человеческим зрением можно сравнивать с хрусталиком, то ФП исполняет роль сетчатки. Ведь сформированную объективом картинку нужно перевести сначала в электрический сигнал. А затем отконвертировать в понятную для цифрового процессора форму, а именно в двоичный код, этим и занимается блок фотопреобразователя совместно с АЦП.
Все виды фотосенсоров независимо от технологии не могут различать цвета, т. е. обладают монохромным «зрением». Но здесь нам на помощь приходят различные технологии.
Первый вариант, который напрашивается сам собой — это использовать три идентичные фото сенсора и перед каждым из них поместить светофильтр одного из основных цветов стандарта RGB (красный, зеленый, голубой). Этот подход, хотя и обеспечивает высокое качество и отличное цветовое разрешения, применяется очень редко по причине высокой себестоимости. Чаще всего трех матричным сенсором оснащаются дорогие видео камеры профессионального уровня.
На практике наиболее часто фотоприемники снабжаются более сложными фильтрами, которые позволяют получать полноцветное изображение, используя всего один фото сенсор.
Наиболее распространенным является фильтр Байера, получивший свое имя в честь разработчика доктора Брайса Э. Байера, который являлся сотрудником компании Kodak. Преимуществом такого способа является довольно низкая цена, поскольку используется только один фотопреобразователь, а в минусы можно записать необходимость применения специальных математических алгоритмов обработки данных. Они служат для исправления пониженного цветового разрешения, которое вызывается потерей части информации, в результате чего финальная картинка может получиться немного размытой или, как говорят «замыленной». Вот тут в дело и вступает процессор обработки изображения, проводящий повышение резкости, очистку от шумов и другие важные операции по обработке нашего фотоснимка.
Врезка
ФИЛЬТР БАЙЕРА
Благодаря тому, что матрица фотопреобразователя изготавливается с примерно одинаковой чувствительностью во всем видимом спектре. Для получения цветного изображения каждый пиксель накрывается светофильтром одного из первичных цветов красного, зеленого и синего (цветовая модель RGB).
При этом каждый пиксель воспринимает только 1/3 цветовой информации от проецируемого на него участка картинки, а остальные 2/3 фильтром обрезаются. Поэтому для получения информации об остальных цветовых компонентах используются данные от соседних ячеек, рассчитанные по специальному алгоритму. При этом в формировании конечного цветового значения одного пикселя участвуют 9 или более элементов матрицы.
Именно в результате использования фильтра в процессе получения фотоснимка происходит потеря разрешения картинки. Конечно, для восстановления «потерянных» данных используют специальные математические алгоритмы, осуществляющие т. н. дебайеризацию, но они лишь частично улучшают картинку.
Конец врезки
Но пора перейти к рассмотрению собственно фото сенсоров. Сейчас наиболее распространены две технологии изготовления фотоприемников — это сенсоры на основе приборов с зарядовой связью (ПЗС или CCD) и с использованием КМОП датчиков.
Исторически первыми были разработаны ПЗС сенсоры. Как часто бывает в жизни при проведении работ направленных на создание новых запоминающих устройств для компьютеров, разработчики обнаружили у ПЗС способность накапливать в ячейках заряд пропорциональный количеству падающего света и сохранять его длительное время. Именно это свойство приборов с зарядовой связью и позволяет использовать их в качестве фото сенсора в цифровых камерах. Не вдаваясь в физику, кратко опишем принцип работы ПЗС мартицы. Пройдя через светофильтр, световой поток попадает на элементарную ячейку (пиксель), где в зависимости от его интенсивности формируется электрический заряд пропорциональный уровню освещенности ячейки. Затем с помощью последовательности импульсов осуществляется построчное считывание зарядовых пакетов, и полученный сигнал поступает на зарядовый усилитель, а затем на АЦП для конвертации в цифровую форму.
Достаточно долгое время ПЗС датчики занимали единолично весь рынок фотопреобразователей, и это не случайно. Ведь у этой технологии достаточно много плюсов. Первый из них это высокая чувствительность сенсора с хорошей равномерностью во всем спектре. Второй весьма существенный плюс, это широкий динамический диапазон. Конечно, с человеческим глазом по этому параметру не может сравниться не один фото сенсор, но именно ПЗС матрицы подошли к нему наиболее близко. За все время существования на рынке этих электронных приборов технология их производства очень хорошо отработана, но при этом некоторые присущие именно этим устройствам минусы победить не удалось.
Основным недостатком ПЗС матриц является высокая потребляемая мощность. Проблема в том, что преобразователь довольно сильно греется во время работы, а это приводит к существенному увеличению уровня шумов. Но в зеркальных фотокамерах, фотопреобразователь может работать в более щадящих режимах, и поэтому нагрев будет меньше, что положительно скажется на уровне шума. Но есть и вторая сторона этой проблемы, а именно необходимость использования мощных батарей, что весьма нежелательно, так как повышает массу и габариты портативных камер.
Вторым весьма серьезным недостатком этой технологии является ее высокая стоимость. Дело в том, что производство матриц на приборах с зарядовой связью весьма дорого, да и фирм, производящих эти датчики мало, если сравнивать их с производителями обычных микросхем.
Конечно, разработчики постоянно совершенствуют технологии, и цены на матрицы снижаются, но именно недостатки ПЗС датчиков заставили конструкторов искать им достойную замену. И именно тогда производители обратили внимание на КМОП сенсоры, поначалу применяемые в дешевых Web камерах.
Сенсоры, выполненные по КМОП технологии, работают несколько иначе. В качестве чувствительной ячейки в них используется миниатюрный фотодиод. Он преобразует световую энергию в электрический ток. Но один из недостатков такой ячейки состоит в ее малой чувствительности и поэтому перед фотодиодом обычно располагают микролинзу, которая является одновременно и ячейкой светофильтра. Затем напряжение, полученное с диода, усиливается транзисторным усилителем сигнала. Далее с помощью специальной схемы опроса производится выборка сигналов с матрицы ячеек и направление их на АЦП для дальнейшей обработки.
Основная привлекательность КМОП датчиков для использования в фотокамерах состоит в низкой цене и высокой технологичности производства. Любой завод, производящий микросхемы, может довольно легко освоить выпуск и фотодатчиков.
При этом, очень важным плюсом является еще и возможность разместить на одном кристалле помимо собственно фотодатчика также и схемы обработки, например АЦП и шумоподавитель. Такой подход позволяет существенно уменьшить влияние различных помех и наводок на качество получаемого изображения.
Еще один довольно значительный плюс КМОП технологии низкая потребляемая мощность, и как следствие она больше подходит для использования в портативной технике.
Но как говорится в пословице:” Наши недостатки – продолжение наших достоинств”, и конечно недостатки у КМОП датчиков также имеются. Первый из них – более узкий динамический диапазон матрицы по сравнению с ПЗС, в дополнение уровень шума у КМОП преобразователя также несколько выше. Но стоит заметить, что речь идет о так называемом темновом шуме, причем каждый элемент ячейки может иметь собственную интенсивность и спектральный состав шума. Конечно, с помощью специальных математических алгоритмов шумовая составляющая может быть существенно уменьшена и скорректирована. Но совсем победить помехи практически невозможно.
Еще одним серьезным моментом является сложность получения одинаковой спектральной чувствительности ячеек. Ведь в каждой из них параметры фотодиода могут немного различаться из-за технологической погрешности, а это приводит к разности в восприятии спектра различными ячейками матрицы. Но в этом случае на помощь приходит корректирующая кривая, с ее помощью спектральная чувствительность матрицы выравнивается.
ВРЕЗКА
О ДИНАМИЧЕСКОМ ДИАПАЗОНЕ
Под этим термином в фотографии понимают отношение максимального допустимого значения измеряемой величины (яркости по каждому из каналов) к минимальному значению или уровню шумов выраженное логарифмом по основанию два. Фотографы измеряют этот параметр в единицах экспозиции или стопах обозначается эта величина в документации- EV. Иногда, используется отношение, выраженное логарифмом с основанием десять, тогда динамический диапазон обозначают, как D.
К примеру, если отношение минимальной яркости изображения к максимальной составляет 1:1000, то динамический диапазон такой картинки равен 3D, или почти 10EV.
Иногда встречается терминологическая неразбериха, когда путают разрядность АЦП, используемого в фотокамере и динамический диапазон фотоаппарата. Дело в том, что прямой связи между этими величинами нет.
Разрядность АЦП влияния на динамический диапазон фото сенсора не оказывает. Зато от нее напрямую зависит уровень детализации полученной картинки. И камера, в которой для обработки используется десяти битовый АЦП, выдаст более проработанный в деталях и фактуре кадр, чем фотоаппарат, построенный на основе восьми битовой электроники.
И наш рассказ о динамическом диапазоне не был бы полным, без упоминания форматов сжатия картинки. Ведь каждый из них тоже имеет свое «прокрустово ложе» ограничивающее диапазон изображения. Формат JPEG с использованием sRGB представления цветов обеспечивает диапазон картинки примерно 11,7EV (из них лишь 8-9EV реально полезны).
Конец врезки
АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ ВАРИАНТЫ ФП
Теперь после знакомства с классической конструкцией фотопреобразователей мы рассмотрим основные альтернативы классики. Но для начала немного поговорим о том, почему, собственно, потребовались другие варианты, и чем плоха классика.
Начнем мы с использования светофильтра Байера. Все дело в том, что, как мы уже писали, метод получения цветного изображения с помощью фильтра Байера, использует так называемое оптическим кодирование цвета. И плата за простоту реализации весьма высока, а именно снижение яркостного и цветового разрешения картинки. Конечно, нельзя отказаться от использования фильтров, ведь все датчики имеют исключительно «монохромное зрение». Но можно вместо планарного размещения пикселей с фильтрами, использовать объемный вариант расположения. Такой метод в точности соответствует структуре классической цветной фотопленки и конечно позволяет получить практически идеальную картинку. И такая матрица была создана Английской компанией Foveon.
В качестве RGB светофильтра разработчики используют дисперсные свойства кристалла кремния. Поэтому необходимость в дополнительных светофильтрах отпадает, но при этом несколько усложняется технология производства. Ведь каждый пиксель состоит, из трех ячеек красной, зеленой и синей. И каждая из них имеет строго определенную толщину кремниевого покрытия. Синяя часть спектра поглощается верхним слоем (толщина 0.2 мкм), зелёная средним (толщина 0.4 мкм) и красная нижним (более 2 мкм). Толщина слоев была выбрана в результате экспериментальных исследований, и глубина пикселя получается около пяти микрон. Матрица изготавливается на основе КМОП технологии и ее полное название Foveon X3. Казалось бы, наконец-то разработчики нашли, тот самый идеал, в котором по выражению классика все должно быть прекрасно. Но, как говорится и на солнце есть пятна, и, к сожалению, фотосенсор от Foveon не лишен недостатков, но сначала поговорим о плюсах.
Самый важный из них это высокое разрешения по яркостной и цветовой составляющей, ведь для получения картинки нет необходимости использовать интерполяционные алгоритмы. Отсутствие Байеровского фильтра положительно сказывается также и на четкости картинки, поскольку отпадает необходимость использования размывающего фильтра. Еще одним серьезным положительным моментом является возможность получения более высокого соотношения сигнал/шум. Ведь на пиксель поступает не 1/3 световой энергии, а полный поток, но при этом, часть фотонов поглощается внутри кремния, и практически выигрыш получается не очень высокий. И самой интересной особенностью матрицы является возможность динамически изменять эффективный размер пикселя. По заявлению разработчиков пиксели можно объединять по системе 1х1, 4х4, 1х2 и т. д. Малый размер хорош при ярком освещении и позволяет получать снимки высокого разрешения, а большой размер будет незаменим при ночной съемке.
Минусов у этой технологии всего два. Самый существенный – это не очень высокая точность цветопередачи, правда, для борьбы с этим минусом приняты определенные шаги. Существуют специальные программные алгоритмы, корректирующие полученное изображение для нормализации цветопередачи.
Второй недостаток — это повышенный уровень цифровых шумов. Проблема шума вызывается в первую очередь частичным поглощением фотонов предыдущими слоями. И как результат такой потери, получаемая картинка имеет пониженный контраст, а для его увеличения приходится использовать специальные алгоритмы. А вот они, то и приводят к росту шумовых аббераций.
Еще одно интересное технологическое решение, разработанное компанией Fujifilm, направлено на расширение динамического диапазона фотосенсора. Перед разработчиками матриц всегда стоят две взаимоисключающие задачи обеспечение максимальной чувствительности и минимального уровня собственных шумов, да еще и желательно расширить динамический диапазон. Проблема в том, что для получения максимальной чувствительности нужно увеличивать полезную площадь пикселя. Ведь чем она больше, тем выше фототок. А вот для расширения динамического диапазона нужно максимизировать еще и верхнюю границу освещенности, а для этого наоборот площадь пикселя нужно сделать меньше, иначе фотодатчик войдет в состояние насыщения и перестанет адекватно реагировать на освещенность. Такой вот противоречивый дуализм требований получается.
И тогда разработчики Fujifilm предложили использовать две различных фото ячейки для одного цвета. Ячейка большей площади использовалась для работы со слабым освещением, а пиксель с малой площадью задействуется, когда уровень освещения выше определенного предела. Благодаря такому подходу инженерам удалось соблюсти баланс между чувствительностью матрицы и широким динамическим диапазоном.
БОРЬБА С ДРОЖЬЮ
Из заголовка раздела уже понятно, что речь в нем пойдет о стабилизаторах изображения. С неприятным явлением смазывания картинки сталкиваются все, кто хоть раз снимал с использованием оптического зума. Конечно, от некоторых любителей снимать в студии мы можем услышать в свой адрес слова: «Используйте штатив, и проблем не будет». Но такая возможность бывает не всегда. Штатива может не оказаться под рукой, или, его могут просто не разрешить использовать. Вот в таких ситуациях на помощь приходит стабилизатор изображения. Сейчас применяются два метода борьбы с тремором рук.
В первом случае стабилизатор помещается в объектив. Для отслеживания перемещения камеры в пространстве в объективе устанавливается гироскопический датчик. С помощью процессора рассчитывается компенсационные значения углов. И затем осуществляется наклон подвижной линзы, которая компенсирует смещение картинки. Конечно, снабжая каждый объектив подобной системой, разработчик существенно повышает его стоимость, но в плюсе у такого подхода весьма высокая эффективность борьбы с быстрыми колебаниями камеры. А если стабилизатор не нужен, его можно и выключить.
Во втором случае стабилизируется сама матрица фотопреобразователя. Изначально она монтируется на специальном подвижном основании, которое может смещаться при подаче управляющих сигналов на катушки вертикального и горизонтального отклонения. Для оценки необходимого уровня смещения, как и в первом случае, используются гироскопы. Но поскольку матрица имеет больший вес, чем подвижная линза, такая система обладает большей инерцией, и соответственно, гораздо лучше справляется с медленными колебаниями фотокамеры. А вот мгновенные смещения она может отследить с задержкой. Но зато если камера оснащена встроенным стабилизатором, то он работает одинаково со всеми объективами. И конечно вы не переплачиваете каждый раз, за стабилизатор, покупая новый объектив.
Сейчас даже многие доступные по цене компактные камеры имеют встроенные стабилизаторы изображения.
Продолжение следует ...