Разумно о фото [Что нужно знать при выборе цифровика]

[MorivVV]

Разумно о фото (лайт)

Автор: Афанасенков М.А., http://www.afanas.ru,   Е-mail:mike@afanas.ru


Предисловие.

На рынке цифровых фотоаппаратов царит бум - каждую неделю выходят новые модели, ассортимент любого крупного магазина может насчитывать сотню-полторы(!) наименований. И почти про каждую модель в рекламе написаны соблазнительные эпитеты. При этом число характеристик и функций аппарата составляет несколько десятков. Как же не запутаться в таком разнообразии моделей и купить то, что подойдёт именно Вам? Какие из характеристик, указываемых в спецификациях, важны и на что они влияют? Кратко, не углубляясь в теорию, мы попробуем ответить на эти вопросы. Для краткости любую цифровую фотокамеру будем далее называть ЦФК.

В самых общих чертах любая ЦФК состоит из светочувствительной матрицы, объектива, "электроники" и "прочего оборудования", в которое входят, как правило, экранчик, видоискатель, вспышка и т.д. Объектив создаёт, "рисует" изображение. Матрица преобразует его в электрический сигнал. Электроника обрабатывает этот сигнал, переводя в доступный компьютеру или принтеру вид и записывая на карту памяти (и показывая на экранчике), а также управляет всем процессом, соединяя все части ЦФК в единое целое.

В первой части мы рассмотрим наименее известные и обсуждаемые характеристики ЦФК, а именно относящиеся к МАТРИЦЕ.
Часть 1. Матрицы ЦФК
Мегапиксели или дюймы?

Первое, и, зачастую, единственное что может сказать продавец про матрицу любого ЦФК - это сколько в ней мегапикселей. Однако есть ещё один, гораздо более важный параметр - ГЕОМЕТРИЧЕСКИЙ размер матрицы. Т.е. просто-напросто её длина и ширина в миллиметрах. Наиболее распространены в ЦФК следующие размеры матриц





   
   
   


   
   
   


   
   
   


   
   
   


   
   
   


   
   
   


   
   
   

Примерный размер, мм.	Принятое название	Kf   (во сколько раз диагональ меньше диагонали кадра традиционной плёнки)
3,4*4,5	1/3,2"	7,6
4,0*5,4	1/2,7"	6,4
4,3*5,8	1/2,5"	6,0
5,3*7,2	1/1,8"	4,9
6,6*8,8	2/3"	4,0
15*23	APS-C	1,6

В спецификациях Вы не найдёте миллиметров, только (в лучшем случае) непонятное "обратное" число в дюймах. Почему оно именно такое - долгая история, а краткий ответ - "традиция". Но иногда даже это число найти не удаётся, его замалчивают. Тогда на помощь приходит арифметика. Находим в спецификации (или на оправе объектива) фокусное расстояние (подробнее о нём в следующей части) и эквивалентное фокусное расстояние (или т.н. 35мм-эквивалент) и просто делим второе на первое. Например, если написано F=7-21mm, Fэкв(35мм.экв)=35-105мм, то надо брать либо 105/21, либо 35/7, в обоих случаях получится одно и то же число 5. Находим ближайшее в третьей колонке таблицы (Kf) и выясняем что матрица у этого ЦФК 1/1,8".
 

На что же влияет этот размер, почему он так важен?
Во-первых, он влияет на габариты и вес всей ЦФК. Если не учитывать габариты экранчика и аккумуляторов, то габариты (линейные размеры) собственно оптической части ЦФК (матрица+объектив) при прочих равных линейно зависят от размера матрицы, следовательно, объём и масса - кубически. Т.е. оптическую систему ЦФК с Kf =6 можно сделать в 3,4 раза легче и меньше по объёму, чем ЦФК с Kf =4 и в 52(!) раза легче, чем APS-C (в этом формате, APS-C, делают, в частности, цифровые зеркальные аппараты начального уровня). Подчеркнём, что эти цифры справедливы при одних и тех же характеристиках объектива (а конкретнее Fэкв(35мм.экв) и светосилы, о них речь пойдёт во второй части статьи).
Во-вторых, он влияет на шумы (цветные неприятные разводы на изображении, особенно при съёмках в сумерках и в помещении) - чем меньше матрица, тем они больше. Подробнее об этом - чуть ниже. Кроме этого отчасти страдает натуральность цветов, они более "гладкие" на больших матрицах.
В-третьих, размер матрицы влияет на глубину резкости (далее - ГРИП - глубина резко изображаемого пространства). Когда Вы снимаете некоторый объект, объектив "фокусируется" (как правило, автоматически) на нём, однако резким получается не только объект, но и некоторая область перед ним и за ним. Размеры (глубина) этой области зависит от многих параметров по сложным формулам, однако для нас сейчас важно, что при прочих равных она заметно растёт при уменьшении матрицы. Т.е. на ЦФК с маленькой матрицей ГРИП будет, как правило, велика, к примеру от метра до бесконечности, т.е. практически ВСЕ объекты в кадре будут резкими и "выделить" какой-то главный из них "акцентом резкости" зачастую не получится. Кроме этого, за счёт постоянной резкости кадры (особенно портретные) кажутся как бы "плоскими". Заметим, что обратная проблема (получить большую ГРИП на большой матрице) решается достаточно легко, хоть и с потерей преимущества по шумам, описанного в предыдущем пункте.
И, наконец, в четвёртых, чем больше матрица, тем выше цена (опять-таки при прочих равных).

Подытожим: нельзя однозначно сказать что лучше - большая или маленькая матрицы. В плюсе у маленьких матриц низкая цена и скромные габариты, вплоть до карманных, а в минусе - более низкое качество (шумы и цвета) и невозможность малой ГРИП. Последнее, впрочем, для большинства пользователей не является недостатком: если основное предназначение - репортаж в стиле "я на фоне Эйфелевой башни", большая ГРИП только на пользу. Выбор что важнее остаётся за покупателем.

А что же мегапиксели? Сколько их нужно? Ещё два-три года назад можно было об этом спорить. На нынешнем этапе ответ очень прост - НЕ ВАЖНО. Как бы производители не рекламировали новое небывалое разрешение, для бытовых съёмок и бытовых форматов типа 15*20см вполне хватает 4Мп (для 20*30см - шести), а меньше четырёх уже практически и не делают. На глаз практически невозможно отличить напечатанный снимок с 4- и 7- мегапиксельной камеры при условии что у них одинаковый геометрический размер матрицы и не слишком (не более чем на два года) отличается дата выпуска. 8-мегапиксельные камеры снимают лучше 4-мпиксельных не из-за мегапикселей, а в основном из-за того что первые построены на матрице размера 2/3" тогда как вторые - ~1/3". Таким образом, если две современные камеры при одном и том же геометрическом размере матрицы (скажем, 1/1,8") отличаются исключительно мегапикселями (скажем, 5Мп и 7Мп),а объективы и прочие параметры примерно равны, можно смело брать ту, что дешевле, ибо снимать они будут примерно одинаково. К тому же и на флеш-карту больше снимков поместится.
Диапазон ISO и реальная чувствительность. Шумы.

В любых спецификациях обязательно указывают т.н. светочуствительность ISO, типичный диапазон для ЦФК может быть 50-400, нижнее значение колеблется вокруг 100 (50, 80, 100, очень редко - 160 и 200), а верхний - обычно от 400 до 1600.

Что означают эти цифры? Не вдаваясь в теорию, можно ответить так - при одном и том же освещении и светосиле объектива, если ЦФК с ISO400 сделает снимок с выдержкой 1/100сек, ЦФК с ISO100 - лишь с 1/25сек, т.е. кадр может "смазаться", получиться нерезким. Чем выше ISO - тем при прочих равных пропорционально короче выдержки и наоборот при одинаковой "резкой" выдержке можно снимать в бОльшей темноте.

Спецификой ЦФК по сравнению с плёнкой является возможность переключать ISO во время съёмки, именно поэтому в спецификациях указывают не одно значение, а некий диапазон. Так почему не снимать всё время на максимальном ISO? Дело в том, что рост ISO достигается просто "усилением" сигнала матрицы, при этом заметно растут шумы. В результате в принципе можно указать в спецификации ЛЮБОЕ ISO - дело лишь за тем какие шумы считать недопустимо большими. И тут оказывается, что сравнимого уровня шумов аппараты с разным размером матрицы достигают при разном ISO, снимки с ISO150 с ЦФК c 2/3"-матрицей выглядят так же как снимки с ISO50 ЦФК с 1/3,2", т.е. чем больше матрица, тем более высокие ISO (и следовательно короткие выдержки) можно ставить не боясь катастрофических шумов. А наличие высоких значений ISO в параметрах камер с мелкими матрицами ещё не означает реальной возможности их безболезненного использования.

Вывод прост - цифры ISO в спецификации надо просто ИГНОРИРОВАТЬ, они ничего реально не означают и делать на их основе какие-либо сравнения нельзя. Реальную чувствительность определяет в основном размер матрицы (возможен разброс в некоторых небольших пределах из-за разного "интеллекта" встроенных шумоподавителей, однако они тоже не панацея - убирая шумы могут добавлять помехи либо скрадывать детали).
Часть 2. Объективы и автоматика ЦФК.

Сразу оговоримся, что приведённые ниже закономерности относятся к ЦФК известных фирм стоимостью от 150-180USD (и до 1000), а "усовершенствованные веб-камеры" (AIPTEK , Genius и т.п. за 40-120 уе) , иногда всерьёз выдаваемые продавцами за ЦФК, а также камеры мобильных телефонов просто оставлены за скобками.
Объективы: зум, светосила, фокусное расстояние.

Сейчас почти в любой рекламе вторым параметром после мегапикселей указывают кратность зума. 3х, 4х, 7х, 10х, 12х - что это значит? Продавцы наперебой твердят, что чем больше - тем лучше. Так ли это? Разберёмся.

Одной из основных характеристик любой линзы является её фокусное расстояние (ФР). Именно на таком расстоянии сходятся лучи от бесконечного источника, именно на таком расстоянии надо держать линзу от доски, выжигая солнечным светом. В фотоаппаратах ФР влияет на "угол зрения" объектива - чем меньше ФР - тем шире угол зрения. Объективы с большим ФР подобны биноклю - "видят" лишь маленький кусочек, но крупно (далеко, "крупный план"). Объективы с маленьким ФР ("широкоугольники") наоборот, позволяют уместить в кадр очень много объектов, но каждый из них соответственно мелок ("общий план"). Традиционно принято запоминать не угол зрения в градусах, а соответствующее ему ФР для 35мм-плёнки, при этом угол жёстко связан с ФР и диагональю кадра. Диагональ одинакова для всех плёночных аппаратов, поэтому путаницы не возникало. Однако, когда диагонали матриц ЦФК стали разными и сильно отличающимися от плёнки, пришлось вводить "эквивалентное" ФР (далее - ЭФР), чтобы не путаться с углами. ЭФР - это ФР "плёночного" объектива с аналогичным углом зрения, при этом реальное ФР "цифрового" объектива может быть гораздо меньше (пропорционально размеру матрицы). Дальше мы будем приводить исключительно ЭФР чтобы не привязываться к конкретным матрицам. Итак, диапазон 40-60мм - это "нормальные" углы, близкие к человеческому глазу. 80-100мм - "портретные" (естественно смотрится крупный портрет). 100-200мм - "теле-" (крупный план). 300-400мм - уже очень крупный план, практически - бинокль. 28-35мм - "широкоугольники" и 15-24мм - "суперширокоугольники". Важно сразу осознать, что никакой угол не лучше любого другого - у них разные задачи, разные жанры, где-то хорошо работает один, где-то - другой, в зависимости от замысла фотографа. Чтобы не носить с собой кучу оптики, были придуманы т.н. zoom-объективы, т.е. меняющие своё ФР, и отношение максимального ФР к минимальному назвали "кратностью зуммирования". Именно эта величина и получила в просторечии название "зум". Но она категорически недостаточна для описания ЭФР объектива. Возьмём два объектива - с ЭФР 16-32мм и ЭФР 100-200мм. Первый - сверхширокоугольник, второй - телевик. Но у обоих зум=2х. Т.е. "по рекламе" это как бы одинаковые объективы, а по факту - совершенно противоположные, то что можно снять одним, невозможно снять другим. Отсюда вывод - смотрите на конкретный диапазон ЭФР в миллиметрах, а не только на "иксы зума", иначе можно купить не то что нужно. В частности, у большинства "суперзумов" нижнее значение ЭФР начинается с 38 и даже 40мм, т.е. в них нет широких углов вообще. А у какого-нибудь "скромного" 4х-зума 28-112мм есть широкие углы. В результате если нужно снять пейзаж или "уместить" в кадре несколько людей в тесном помещении "навороченный 12х" пасует, а упомянутый "4х" позволяет сделать кадр (заметим, не любой 4х, есть и 38-150мм, и они спасуют тоже). Но вернёмся ненадолго к теории.

Простейший объектив - монокль (одна линза) - имеет одно (фиксированное) ФР и довольно большие искажения (в оптике они называются "аберрации", типичные их проявления - "мыльная" картинка, особенно по краям кадра, и цветные кромки на контрастных границах). Если использовать только центральную часть, закрыв края непрозрачным кольцом ("диафрагмой"), искажения уменьшаются, но и света проходит меньше, уменьшается светосила (способность создать на матрице требуемую освещённость). Увеличивая количество линз, делая их из разных сортов стекла и разной формы можно решать сразу несколько задач - уменьшить искажения, сделать фокусное расстояние переменным (zoom), увеличить светосилу (при заданных искажениях). При этом вместе со сложностью стремительно растёт цена объектива. В результате ЛЮБОЙ современный объектив представляет собой компромисс между искажениями, светосилой, зумом и ценой. Никогда не бывает всё хорошо одновременно. При фиксированной цене и светосиле наименьшие искажения будут у т.н. "фиксов" (зум=1х) и наибольшие - у "суперзумов" (10-12х). А при фиксированном зуме и искажениях объективы с лучшей светосилой будут значительно дороже. Кстати о светосиле - с её обозначениями традиционная путаница. Указывают как прямые, так и обратные величины, чаще - обратные, типа F/2,8 или F/4,0. Иногда на оправе объектива можно прочитать что-то вроде 7-21мм/2,0-3,0. Первые два числа - фокусное расстояние (для перевода в ЭФР нужно знать размер матрицы, поэтому проще сразу посмотреть ЭФР в спецификации), а вот вторые - как раз светосила, причём она меняется - на "широком" конце - 2,0 а на "длинном" - 3,0. Чем меньше число - тем лучше. 2,0 - очень хорошо. 2,8 (3,0) - хорошо. 4,0- средне. А 5,6 и более для ЦФК уже слабовато. Почему? Каждое увеличение числа светосилы в 1,4 раза удваивает необходимую выдержку (при равных ISO, см. первую часть). Таким образом, аппарат с 2,0 может снимать в 8 раз более тёмных условиях чем аппарат с 5,6, либо при тех же условиях ставить в восемь раз меньшее ISO, уменьшая тем самым шумы. Однако, в рекламе светосилу указывать не принято. Наиболее часто жертвами становятся суперкомпактные аппараты. Зумы в них вроде-бы "как у взрослых" (3-4х), однако светосила на длинном конце как правило 5,6. В сочетании с мелкой матрицей без шумов получается снять только совсем уж в солнечный день...

Итак, резюмируя:
не гонитесь за суперзумами (7х и более) если не знаете для чего конкретно они Вам нужны (фотоохота и пр) и помните, что они небесплатны. Если где-то прибыло, значит где-то убыло.
впрочем, не стоит и "перегибать палку" в другую сторону и брать ЦФК совсем без зума (обычно - самые дешёвые). Как правило, они имеют умеренный широкоугольник и снять портрет или другой крупный план без неприятных искажений попросту невозможно. Наиболее разумные значения зума для среднестатистического "бытового" применения - 3-4х.
проверьте нижнее (меньшее) значение ЭФР. Зачастую диапазон 28-35мм в быту гораздо важнее и употребительнее чем супертеле 300мм, 400мм и т.п. ЦФК с 28мм иногда в названии имеют слово "wide zoom"
не забывайте посмотреть светосилу объектива. Возможность снять без вспышки или поставить меньшее ISO (при прочих равных) может оказаться интереснее, чем лишние "иксы" в зуме.
если же ЦФК нужен Вам для имиджа, забудьте всё что написано выше и берите суперзум 10х, а ещё лучше - 12х. Помните, что "степень крутости" определяется как произведение зума на число мегапикселей .

И в завершение главы об объективах остановимся на авторитете их производителей. Часто можно слышать что оптика марки А всегда резче марки Б, а марка С имеет непревзойдённый рисунок и т.п. (под буквами могут скрываться Цейс, Лейка, Никон, Кенон и многие другие "авторитеты" совершенно в разных сочетаниях). И если в "плёночной оптике" это по крайней мере спорно, то в ЦФК - просто-напросто неверно. Абсолютно нельзя выстроить фирмы по разрешению или качеству - всё зависит от конкретных моделей и иногда даже конкретных образцов, и, конечно же от их цены и области применения. Суперкомпактный недорогой объектив от именитого производителя может снимать заметно хуже более дорогого объектива от менее известного бренда. Да и от многих европейских марок вроде Цейса и Лейки остались в ЦФК лишь "ярлычки", а собираются они на тех же заводах и теми же японцами или китайцами, что и менее престижные. Таким образом, не стоит гнаться за именитой маркой только ради марки, достаточно знать примерный состав авторитетных производителей (приведён в алфавитном порядке!): "Кенон", "Лейка", "Минольта", "Никон", "Олимпус", "Пентакс", "Сони", "Фуджи", "Цейсс", "Шнайдер". Если объектив кандидата на покупку НЕ от этих производителей - крайне рекомендуется "притормозить" и, как минимум, почитать отзывы других покупателей (к примеру, на форумах в Интернете).

Выше рассматривался истинный (или "оптический") "зум". Однако в рекламных целях всё чаще и чаще на коробках и даже на корпусах пишут ещё и т.н. "цифровой зум" ("digital zoom"), а иногда и их произведение. Например, крупным шрифтом "15х zoom" и лишь в уголке сноска меленько "15х=3х-optical * 5x-digital". Важно понимать, что "цифровой зум" - это просто вырезание центральной части кадра и растягивание этого маленького кусочка на весь экран средствами процессора, никакого отношения к объективу не имеющее. При этом катастрофически падает детализация, так, например при применении 3х цифрового зума в 3мегапиксельной камере итоговое изображение эквивалентно 0,3мегапиксельной камере. Просто не обращайте на эту рекламную цифру никакого внимания - в любом графическом редакторе можно сделать КАКОЙ УГОДНО "цифровой зум" и при этом есть выбор вариантов кадрирования.

Особо грешат излишней рекламой "неправильного зума" крупные хорошоизвестные торговые сети. Там на чистом русском языке в рекламе дешёвой камеры пишут просто "4х УВЕЛИЧЕНИЕ". И всё. И только посмотрев на саму камеру понимаешь, что объектив там вообще без зума, а "увеличение" - цифровое, т.е. "дутое".
Автофокус и "тормознутость".

Практически у всех фотоаппаратов (за исключением небольшого числа уж совсем супердешёвых) имеется автофокус. В т.н. "компактах" (т.е. большинстве незеркальных ЦФК) он работает на анализе сигнала с матрицы - объектив просто движется до достижения максимально контрастной картинки. Разные фирменные многозонные суперрежимы отличаются лишь "интеллектуальным" выбором коэффициентов для разных областей. В результате после нажатия на спуск происходит много процессов - фокусировка, измерение яркости (см. ниже про экспоавтоматику), сброс матрицы и много чего ещё. И лишь затем "вылетает птичка". В зависимости от модели ЦФК, объекта и освещённости запаздывание может достигать от 0,5 до нескольких секунд. В результате если Вы пытались снять улыбнувшегося младенца, в кадре легко может оказаться уже его затылок. К сожалению, ни в рекламе, ни в спецификациях значения такой "тормознутости" не указывают. Зато указывают много других "рекламных" цифр - "время включения", "время срабатывания автофокуса", "лаг затвора" и много всего подобного. Практика показывает что к реальной "тормознутости" эти цифры имеют очень косвенное отношение. Просто не обращайте на них внимания. По-настоящему быстры только зеркальные камеры у которых датчики автофокуса работают по другому принципу, хотя по цифрам они даже могут формально "отставать". А вот для реальной оценки "тормознутости" цифрокомпактов надежнее всего протестировать их лично в магазине с приятелем - попросите его в случайный момент высовывать язык и через секунду убирать. Снимите десяток кадров, пытаясь поймать этот момент. На быстрых камерах по крайней мере на половине снимков язык будет. На типичных - вероятнее всего его не будет ни на одном (!). И ни класс камеры, ни престижная фирма-изготовитель, ни цена не является гарантией от "тормозов" (тормоза Canon PowerShot Pro1 - тому хрестоматийный пример).

На упомянутую "интеллектуальность" и "многозонность" автофокуса тоже можно не обращать внимания. Практика показывает, что так или иначе ошибаются все и гораздо важнее иметь возможность в ответственных случаях лично указать автомату куда наводиться. Для этого в спецификации камеры должны присутствовать слова типа "точечный фокус" или "центральный фокус", и в дополнение к нему "фокус лок". Их использование (как правило) подробно описано в инструкции и мы не будем на нём останавливаться.
Экспоавтоматика и режимы съёмки.

Задача экспоавтоматики - пропустить на матрицу "правильное" количество света, регулируя всего две величины - выдержку и диафрагму (иными словами, открывая затвор на разное время и уменьшая "рабочий" диаметр линз специальными шторками) . При средней освещённости этого можно достигнуть многими сочетаниями - от полностью открытого объектива и очень короткой выдержки до сильно закрытой диафрагмы и относительно длинной выдержки. У каждого сочетания свои плюсы и минусы в разных ситуациях - на длинных выдержках "смазываются" быстрые движения, а при прикрытии диафрагмы увеличивается глубина резкости. В результате для спорта и портретов лучше открыть диафрагму (маленькая ГРИП и короткие выдержки), а для макро и пейзажей - наоборот (максимальная ГРИП, а выдержка длинная, т.к. пейзаж не шевелится). И, наконец, в "среднестатистическом" случае лучше "золотая середина". Поскольку ни один автомат не знает, в каком жанре вы собираетесь снимать, ему надо подсказать - именно для этого и существуют три основные программы. Их типичные названия - "портрет", "пейзаж" и "авто". По большому счёту больше ничего и не нужно, и увеличения числа программ до десятка и даже двух - чисто рекламные излишества, только запутывающие неопытного пользователя и ничего общего с "профессиональными" свойствами не имеющие. У профессионалов совсем другие программы и их всего четыре - P,A(или Av),S (или Tv), M (обычно называемые "ручными", хотя вполне ручная из них только одна - M). У некоторых компактных камер тоже делают эти "ручные настройки", однако будет ошибкой считать что их наличие автоматически сделает вас фотографом и принципиально изменит Ваши снимки. При маленькой матрице и узком диапазоне изменения диафрагм, характерном для многих компактных ЦФК настоящего управления глубиной резкости не получается и при разумном применении "автоматические" программы дают ничуть не худший конечный результат, а зачастую и лучший. По настоящему почувствовать прелести "ручных" настроек можно только на аппаратах с матрицей 22*15мм, к коим в настоящее время относятся все бюджетные цифрозеркалки (кроме системы "4/3" разве что), поэтому подробнее останавливаться на них мы здесь не будем.

Отдельный разговор о балансе белого. Обычно есть "фиксированные" настройки (типа "авто", "солнце", "лампочка") и иногда "ручная настройка по белому листу". Если у камеры нет формата RAW (см. ниже), наличие этой настройки крайне полезно, особенно в сложных условиях освещения.
Форматы файлов.

JPG. Практически во всех ЦФК есть формат JPG - он наиболее распространён и понимается всеми программами и даже некоторыми бытовыми приборами (двд-плееры, мобильные телефоны и пр.). Для уменьшения занимаемого места в этом формате предусмотрено "выбрасывание" части данных по хитрым алгоритмам так, что "средний" глаз этого не замечает. Причём степень подобного сжатия регулируется очень плавно - от больших и действительно качественных файлов, до маленьких, но совсем не качественных. В спецификациях этот параметр обычно называется "качеством" и принимает самые разные, как правило, "словесные" значения (если в переводе, то "хорошее", "суперхорошее", "нормальное", "экономичное" и т.п.). Большое число "ступеней" совершенно излишне, а меньше трёх уже почти и не делают, поэтому при выборе на это вообще можно не обращать внимания. Важно уже после покупки проверить реальные отличия в качестве, т.к. у разных фирм и даже камер одинаковыми словами может называться совершенно различная степень сжатия (!). "Нормальная" в одной камере иногда соответствует "суперхорошей" в другой. Поэтому к чужим советам типа "всегда снимай на супере, остальное - отстой" или наоборот "снимай всегда на нормале - разницы никакой, а место занимает" прислушиваться не стоит - лучше проверьте сами на собственной камере и сами для себя решите, какого качества Вам достаточно. Только выберите для этого детальный сюжет в ясный день (травка, веточки, листочки).

TIFF. Некоторые камеры позволяют сохранять в этот "несжатый" формат. Если рассматривать бытовое применение ЦФК, то съёмка в TIF не имеет смысла, ибо отличий от "суперхорошего" JPG на глаз не видно, места на карточке памяти уходит во много раз больше, и, главное, пишется очень долго, снижая оперативность съёмки.

RAW. Тоже "несжатый" формат, однако имеет принципиальные отличия от TIF. Это "сырой" материал с матрицы без обработки самой камерой, обработку вместо камеры потом проводит специальная программа на компьютере, и, зачастую, гораздо лучше, поэтому совершенно неважны при съёмке многие режимы, выставляемые на камере и прежде всего "баланс белого" - их можно выставить позже, на компьютере, в спокойной обстановке и гораздо точнее. В результате время подготовки к съёмкам уменьшается, а качество - возрастает, однако требуется некоторые несложные операции на компьютере, чтобы получить изображение. В любом случае JPG "как из камеры" обычно можно получить достаточно быстро нажатием двух-трёх кнопок. Камеры с таким форматом обычно дороже, но стоит ли именно Вам переплачивать - решайте сами. Если дружите с компьютером и есть желание выжать из камеры максимум возможностей - этот формат для Вас. Для тех кто имеет опыт плёночных фотоаппаратов проще всего понять сущность RAW с помощью метафоры. Есть недорогие фотокиоски "в переходе", где бесплатно проявляют плёнку при печати "всех хороших". А есть профессиональные мастерские. В "бесплатном" вполне могут проявить нормально, но иногда могут и напортачить и даже поцарапать. Съёмка сразу в JPG - аналог бесплатной проявки - часто всё вполне хорошо, но если плохо - уже не исправишь. А съёмка в RAW эквивалентна наличию бесконечного числа одинаковых непроявленных негативов с неограниченным сроком жизни - не понравилась проявка в одной мастерской - можно отнести другой экземпляр во вторую, потом в третью, а через год - в четвёртую, и т.д., а потом ещё и выбрать лучший. Но если сам по себе снимок неудачен (объектив низкого качества, фотограф ошибся с настройками и светом и т.п.), то никакая профессиональная проявка не спасёт - так и RAW - всего лишь средство "не расплескать" качество, не более того.
Часть 3. Мелочи, полезные и не очень.
Съёмка видео.

Стремясь чем-то выделиться среди массы аппаратов, реклама всё активнее соревнуется в параметрах видеосъёмки - всё больше размер кадра, кадров в секунду, всё больше минут влезает на карту памяти, скоро уже и стереозвук появится... Однако в реальности эти "громкие" цифры никакого отношения к качеству не имеют. Чтобы сравниться даже с самыми дешёвыми бытовыми видеокамерами, поток данных должен быть порядка 12Гб в час (столько флешек будут стоить сотни долларов, в то время как аналогичная по вместимости дв-кассета - всего 3,5 доллара - на два порядка дешевле). Чтобы не разорять владельцев, многие камеры "на ходу" сжимают данные в МПЕГ4. Это позволяет примерно в десять раз выиграть по занимаемому объёму, но очень заметно портит картинку на динамичных и зашумлённых сценах. А учитывая, что съёмка ведётся лёгкой камерой и, как правило, с рук, которые имеют свойство дрожать, почти все любительские съёмки чрезвычайно сильно теряют качество при сжатии. При этом РЕКЛАМНЫЕ ролики на сайте производителя неизменно сняты со штатива в светлом месте с минимумом движущихся предметов в кадре - и, разумеется, выглядят очень и очень хорошо. В этом - большое коварство формата МПЕГ.

Выводы просты. Во-первых, автор не рекомендовал бы всерьёз ожидать от фотокамер высокого качества бытового видео и, соответственно, всерьёз учитывать их видеофункции при выборе. Во-вторых, чем больше нам обещают минут на мегабайт, тем хуже будет качество. И, наконец, если нужно снять нечто статичное, со штатива, типа семинара/лекции/презентации, то камеры с МПЕГ4 уже вполне способны с этим справиться, и в этом случае действительно получится сэкономить на покупке видеокамеры.
ЖК-экранчик и оптический видоискатель.

Обычно считается, что чем больше дюймов экранчик, тем лучше. Поворотный - ещё лучше. А оптический видоискатель постепенно вытесняется на второй план, уже выросло поколение "фотографов", которые не умеют им пользоваться и не понимают, зачем он нужен. У многих компактных камер видоискатель вообще отсутствует. Однако у видоискателя есть три достоинства - яркость в солнечный день, безынерционность и дополнительная опора. Проблема личной проверки заключается в том, что в фотомагазинах, как правило, на порядки темнее, чем на солнечной улице (глаз быстро адаптируется и не замечает этого), в результате ЖК-экранчик действительно хорошо видно. Но на улице любой, даже самый яркий ЖК-экранчик безнадёжно тускнеет и часто бывает чрезвычайно трудно разобрать что-либо на нём. При этом по видоискателю кадрировка происходит очень быстро. А части лица, к которым прижимается камера при съёмке с видоискателем, служат дополнительным стабилизатором. Мышцы шеи - надёжный биологический амортизатор для головы. Это позволяет получать меньше смазанных кадров, не включая вспышки (не всегда её применение удобно и оправдано).

Не стоит преувеличивать и полезность экранчика в процессе съёмки. Низкое разрешение экранчика в сочетании с большой ГРИП (см. часть1) цифрокомпактов не позволяет сразу оценить точность наводки на резкость. Нестабильная цветопередача ограничивает визуальный контроль цветобаланса. Пресловутая съёмка над головами (поворотный экран) в реальной жизни не так часто встречается и очень редко даёт действительно ценные кадры.

Таким образом, если у Вас нормальное зрение, не стоит гнаться за самыми большими дюймами экранчика - качество фото от них не зависит. Лучше обратить внимание на наличие оптического видоискателя - он может оказаться очень полезным.
Формат аккумуляторов и "прожорливость" камер.

По большому счёту все камеры можно разделить по питанию на две группы - стандартные "пальчики" формата АА и "фирменные родные" литий-йонные аккумуляторы хитрой нестандартной формы. Лучшего среди них нет, всё зависит от типичного применения. Чем дальше от розетки Вы отъезжаете и чем реже аппарат используете - тем логичнее "пальчики". Типичный пример - спортивный туризм, когда камера интенсивно используется в походе а потом всю зиму "отдыхает". Если же использовать часто, недалеко и понемногу - предпочтительнее литий-ионные "родные" . Это легко вытекает из основных достоинств и недостатков "фирменных" аккумуляторов. Итак, "нестандартные" аккумуляторы
могут быть подзаряжены быстро и в любой момент
более легки и компактны на единицу мощности
НО:
более дорогие
капризнее при хранении, нежнее на морозе, могут "умереть" от длительного неиспользования или просто от времени
могут быть сняты с производства (вместе с камерой) и/или исчезнуть из продажи в Вашем регионе

Разумеется для фотоаппаратов с питанием от АА нужно сразу докупить двойной комплект аккумуляторов высокой ёмкости (2000-2300мАч) и зарядное устройство, т.к. на батарейках можно быстро разориться... Один комплект - всегда в камере до полного разряда, а второй - под рукой, в сумочке, полностью заряженный. Для походов в "дикие" места разумеется комплектов надо чуть больше.

Что касается числа снимков на одном комплекте, то если этот вопрос актуален (те же походы, например), крайне желательно найти независимое тестирование в журналах либо обсуждение в интернет-форумах. Дело в том, что у каждого производителя свои стандарты испытаний, и от их условий многое зависит. В результате напрямую сравнить данные РАЗНЫХ производителей попросту нельзя.
Встроенные вспышки, красные глаза и синхроконтакты.
Несмотря на декларируемые режимы "анти-красных глаз", ни один из них толком не работает. Гораздо большее влияние оказывает расстояние от вспышки до оси объектива. Чем оно больше - тем вероятность красных глаз при прочих равных меньше. Поэтому заметно лучшие результаты дают более крупные аппараты с "выкидывающейся вверх на ножках" вспышкой. И практически 100%-ным "вампиризмом" будут страдать снимки ультракомпактных камер со вспышкой встроенной прямо в корпус рядом с объективом. Но кардинальное решение проблемы съёмок в помещении могут дать только внешние вспышки, покупаемые за отдельные деньги. Причём, они позволяют не только начисто избежать эффекта красных глаз, но и способны в некоторых случаях дать более равномерное освещение за счёт отражения от потолка либо использования диффузоров (т.н. "согласованные" вспышки, обычно той же фирмы что и камера). И, наконец, они гораздо мощнее и "дальнобойнее". Но для их использования камера должна иметь соответствующий разъём или синхроконтакт. Не у каждой ЦФК он есть. Как правило, у дорогих - чаще, у дешёвых - реже. Если часто придётся снимать людей в помещении, наличие этого контакта у конкретной модели ЦФК - серьёзный аргумент в пользу её выбора.
Эргономика.

Этот параметр невозможно изучить по рекламе и спецификациям. Надо идти в большой красивый магазин и "щупать" самостоятельно. Основных проблем бывает несколько видов:
"неухватистость" - камера неудобно лежит в руке, если пальцы расположены на основных кнопках (спуска и зума) то либо камера выскальзывает, либо пальцы напряжены и начинают болеть;
"неуправляемость" - любое изменение параметров съёмки требует залезать в длинное многоуровневое меню, нажимать кучу кнопок, а сюжет уходит...В результате хоть по спецификации всё вроде есть, но использовать оперативно не получается. Типичные параметры которые требуется менять быстро - ISO, баланс белого, сюжетную программу, точечный или ручной фокус.
"неносимость" - большие габариты и вес, никуда не лезет, носить кофр тяжело (единственное, что можно оценить по характеристикам, не выходя из дома). Как правило, является платой за ухватистость и качество съёмки.

Что важнее - зависит от области применения и Ваших вкусов.

Отдельного упоминания требуют "экстремальные" камеры - для спортивных походов, грязных и мокрых рук, не боящиеся песка и воды. В данный момент на рынке всего пара разумных моделей, одна из которых - Pentax WPi/W10 (около 300$). Остальные зачастую не более чем брызгозащищённые.
Формат карт памяти.

По большому счёту влияет только на цену. Дело в том, что в комплекте с камерой идёт (и входит в цену) "символическая" карточка на 5-10 снимков, а для реальной съёмки приходится докупать дополнительно карточку большого объёма. И тут самыми экономичными оказываются два распространённых формата - CF и SD (compact flash и secure digital). MS и XD примерно вдвое дороже, при этом XD к тому же труднее найти и ассортимент заметно меньше. Для недорогих фотоаппаратов разница в 30-40 долларов может оказаться существенной, впрочем, с дальнейшим падением цены на флеш-карты значение этого фактора будет понижаться.

По скорости и надёжности при бытовом применении существенной разницы между форматами нет.
Интерфейс с компьютером.

USB2.0 значительно быстрее чем "простоUSB". Однако в продаже имеются универсальные картридеры USB2.0 по цене 20-25$. В отличие от некоторых аппаратов, не требуют драйверов и позволяют работать с картой памяти как с простым диском.

В результате особого значения этому параметру можно не придавать (кроме супербюджетных вариантов, где даже 20$ - ощутимая сумма)
Светофильтры, насадки, бленды.

Большинство недорогих ЦФК не позволяют использовать какие-либо насадки. У более дорогих есть либо стандартная резьба на объективе, либо хитрые байонеты и переходники под фирменные насадки. Резьба наиболее предпочтительна, т.к. не привязывает владельца к одной фирме. Что могут дать фильтры и насадки, и нужны ли они?

Наиболее частый фильтр - ультрафиолетовый (UV) в качестве защитного. Полезен просто для защиты объектива от пыли, грязи и царапин. Поменять фильтр заметно дешевле, чем объектив. Однако, при аккуратном использовании и регулярной чистке "незащищённые" объективы вполне благополучно доживают до кончины камеры...

Два других фильтра иногда применяются в пейзажной съёмке - это поляризационный и градиентный. Позволяют "затемнить" яркое небо, спасая его от "выбеливания". Поляризационным можно также "играть" с водными и стеклянными поверхностями. Тем не менее, в "бытовой" съёмке случаи их применения достаточно редки.

Цветные, "мягкие" и "эффектные" фильтры легко заменяются "фотошопом" и большого смысла в цифровой фотографии не имеют.

Насадки для компактных камер обычно бывают двух видов - "tele" и "wide". Позволяют "расширить" диапазон зума, однако ценой потери качества и иногда светосилы. Стоят зачастую неоправданно дорого.

Бленда (пластмассовый конус) очень полезна при съёмке почти против солнца - меньше бликов попадает в объектив. В остальных случаях не нужна. В "приличных" аппаратах часто входит в стандартный комплект.

Таким образом, возможность навинтить что-либо на объектив является некоторым плюсом, однако не слишком принципиальным в случае "бытового" применения.
Другие характеристики ЦФК. Заключение.

Разумеется, мы не в состоянии рассмотреть всё в рамках журнальной публикации. Те свойства и параметры ЦФК, что остались "за кадром" либо и так интуитивно понятны, либо малозначимы для "среднестатистического" пользователя.

Будем надеяться, что проведённый "ликбез" поможет более критично относиться к рекламным лозунгам производителей и не совершать по крайней мере грубых ошибок при выборе камеры.

Михаил Афанасенков, (С)2005

[MorivVV]

Сердце цифровой фотокамеры: ПЗС-матрица (часть первая)

21.05.2007
Марин Милчев, info@ferra.ru

Технику, как и людей, принято «встречать по одёжке» – по одному из параметров, принятому в качестве ключевого. Первое впечатление о фотоаппарате принято составлять по его объективу, и оценка эта по большей части будет справедлива даже после её проверки самым тщательным и комплексным тестированием камеры. Однако от характеристик ПЗС-матрицы зависит не только качество регистрации сгенерированного объективом кадра, но и сам процесс формирования изображения в оптическом тракте фотоаппарата.

Общеизвестно, что качество работы любого оптического прибора зависит от его объектива. Однако при использовании какого бы то ни было регистратора изображения, будь то плёнка кинокамеры, электронно-оптический преобразователь прибора ночного видения либо ПЗС-матрица цифрового фотоаппарата, не менее важную роль играют параметры этого устройства. При всех различиях между принципами действия регистраторов существует ряд характеристик, совершенно одинаковым образом влияющих на процесс съёмки. Среди них можно выделить габариты регистратора изображения, его чувствительность и динамический диапазон, точность цветопередачи, минимальный возможный интервал между экспозициями и многое другое. По общепринятому мнению, наибольшее значение для процесса съёмки имеют первые три параметра, причём в ПЗС-матрице все они неразрывно связаны друг с другом.

Size Does Matter

Название этой главы – «Размер имеет значение» – совершенно справедливо для регистратора изображения любого типа. В середине прошлого века любой из фотографов был вынужден искать компромиссное решение, выбирая между разными форматами фотоматериалов. Среднеформатные плёнки (размер кадра 6x4,5; 6x6; 6x7 и 6x9 см) и крупноформатные пластинки (9x12; 13x18 и 18x24 см) считались «выбором профессионала», так как обеспечивали широкий динамический диапазон (интервал между точно воспроизводимыми самым тёмным и самым светлым тоном формируемого объективом изображения) и высокую чёткость снимка. При этом малоформатная, то есть привычная всем 35-миллиметровая пленка, долгое время считалась пригодной только для любительской фотографии, а её профессиональное применение ограничивалось репортажной съёмкой. Однако со временем зернистость малоформатной плёнки становилась все меньше и меньше, обеспечивая постепенный рост разрешения снимка, одновременно расширялся динамический диапазон 35-миллиметрового кадра.

После того как разрешение 35-миллиметровой плёнки перешло определённый порог, малоформатная фототехника стала стремительно вытеснять среднеформатные камеры. Причиной тому стали не только заметно меньшие габариты 35-миллиметровых фотоаппаратов и сравнительная простота их эксплуатации, но и сопутствующая выгода от перехода на меньший размер кадра. Преимущества заключались, во-первых, в возможности сократить фокусное расстояние оптической системы (и уменьшить размеры и вес объектива), при этом величина объекта в кадре не изменялась. Во-вторых, при уменьшении габаритов кадра возрастает глубина резкости объектива (отрезок пространства перед объективом – все объекты, попавшие в этот отрезок, будут отображены на плоскости регистратора изображения с достаточной резкостью). Возросшая глубина резкости, в свою очередь, позволяет компенсировать ошибки фокусировки либо «приоткрыть» при съёмке диафрагму, в результате можно использовать более «короткую» выдержку и заметно снизить шанс «сдергивания» снимка. В-третьих, размер кадра прямо пропорционален минимальной дистанции съёмки, таким образом, малоформатные камеры имеют преимущество при макросъёмке (фотографировании мелких объектов со сверхмалой дистанции, от 50 см и менее).

Примерно так же обстоят дела с цифровой фототехникой, только вот габариты основных типов регистраторов изображения значительно меньше. В частности, ПЗС-матрицы, по размеру соответствующие кадру среднеформатной плёнки, тоже используются в цифровой технике, однако высокая стоимость обусловила слабую распространённость данного типа сенсоров. Фактически сегмент рынка цифровой техники «среднего формата» составляет лишь несколько процентов от той доли, которая приходилась в своё время на плёночные среднеформатные камеры, а основной парк цифровых фотоаппаратов состоит из профессиональных и любительских моделей.

Первые образцы профессиональных камер представляли собой 35-миллиметровые «зеркалки», у которых столик для плёнки был заменён ПЗС-матрицей. Профессиональные модели последних лет заметно отличаются от своих плёночных «собратьев», однако в целом их конструкция содержит ряд объединяющих черт:
байонетный разъём для сменных объективов;
подъёмное зеркало, направляющее в окуляр видоискателя изображение, сформированное объективом;
ПЗС-матрица размером от 36x24 до 18x13,5 мм.

Любительские модели появились одновременно с профессиональными камерами, и их основные отличительные особенности тоже сохранились неизменными:
постоянный объектив;
ПЗС-матрица размером от 8,6x6,5 до 5,2x3,9 мм.

Оттенками синего отмечены ПЗС-матрицы профессиональных камер, оттенками красного – сенсоры любительской техники


На иллюстрации со сравнительными габаритами ПЗС-матриц использован термин «формфактор», требующий дополнительного объяснения. Матрицы любительских фотоаппаратов с момента их появления принято характеризовать числом, указывающим на диагональ сенсора в долях дюйма (1/2,5, 1/1,8, 2/3 и так далее). Данное число, именуемое формфактором, не соответствует реальной диагонали матрицы, составляющей примерно 2/3 от формфактора. Например, ПЗС-матрица с формфактором 1/1,8 имеет диагональ 9 мм. Несовпадение это вызвано тем, что термин формфактор, описывающий размер регистрирующего элемента, перекочевал в цифровую фотографию из телетехники. В телекамерах для регистрации изображения использовались электронно-лучевые трубки, у которых из всей фронтальной площади колбы использовалась прямоугольная область с соотношением сторон 4:3, диагональ которой составляла примерно 2/3 от диаметра колбы. Именно этот виртуальный «диаметр колбы» и используется в качестве параметра, описывающего физический размер ПЗС-матрицы любительских фотоаппаратов.

Как видно из приведённых данных, пропорция между габаритами сенсоров, используемых в профессиональной и любительской технике, примерно соответствует соотношению кадров среднеформатной и 35-миллиметровой плёнки. В свою очередь, процентное отношение рынков профессиональных и любительских цифровых камер практически такое же, какое было у сегментов среднеформатной и 35-миллиметровой техники, ну а плюсы малогабаритных регистраторов изображения в цифровой фототехнике выражены даже более наглядно, чем в классической фотографии:
были разработаны сверхкомпактные любительские модели с объективом «перископной» схемы, полностью спрятанным внутри корпуса. Благодаря такому решению удалось создать пылевлагозащищённые камеры, выдерживающие получасовое пребывание под водой на глубине полтора метра;
у «дальнобойных» любительских камер вариообъективы с фантастическим диапазоном фокусного расстояния (с кратностью 14х) и системой оптической стабилизации по своим габаритам не превышают 35-миллиметровую оптику стандартного диапазона (с кратностью 3х). В результате любознательный турист вместо крупногабаритного кофра обходится компактным чехлом;
при макросъёмке минимальная дистанция фотографирования большинства любительских моделей не превышает нескольких сантиметров. В сочетании с высоким разрешением ПЗС-матриц это обеспечивает высочайшую детализацию самых миниатюрных объектов съёмки.

Однако плата за все эти «удовольствия» чрезвычайно высока.

Отличие «химии» от «физики»

В отличие от фотоплёнки, у которой чёткость регистрируемого изображения зависит только от технологических возможностей наносящего светочувствительную эмульсию оборудования, ПЗС-матрица имеет значительно больше ограничений по росту разрешения. Вызвано это тем, что регистрирующие свет элементы матрицы, именуемые пикселями, работают не так, как светочувствительный слой плёнки. Фотоны, падающие на поверхность плёнки, вызывают модификацию химического состава светочувствительных зёрен без каких-либо дополнительных устройств, а изменение прозрачности и цвета с эмульсии обеспечивается дальнейшей обработкой специальными реактивами.

В пикселе преобразование света в электрический заряд невозможно без так называемой обвязки – совокупности электронных компонентов, обеспечивающих хранение и считывание накопленного пикселем заряда, сброс избыточного заряда, а также ряд других необходимых функций. В зависимости от типа ПЗС-матрицы на долю обвязки может приходиться от 30 до 70% всей площади пикселя. Из-за этого сокращается как светочувствительная область пикселя, так и его способность аккумулировать электрический заряд. Первое приводит к уменьшению чувствительности (восприимчивости регистратора изображения к световому излучению), второе – к сужению динамического диапазона. Разумеется, совершенствование технологий позволяет компенсировать потери чувствительности и динамического диапазона, обусловленные обвязкой. Однако при увеличении разрешения матрицы с сохранением её габаритов площадь каждого пикселя уменьшается – с соответствующими для чувствительности и динамического диапазона последствиями. Если при этом ещё и размер обвязки остаётся прежним, то доля светочувствительной области пикселя уменьшается ещё сильнее, усугубляя негативный эффект.

Матрица с более высоким разрешением (справа) отличается меньшей относительной площадью светочувствительных областей пикселей


Именно поэтому каждый скачок разрешения ПЗС-матриц любительских фотокамер сопровождается упорной борьбой разработчиков за сохранение чувствительности и динамического диапазона. В профессиональной фототехнике размер каждого пикселя в несколько раз больше, поэтому динамический диапазон и чувствительность этих камер выгодно отличает их от любительских моделей. Это обстоятельство обусловило высокую популярность профессиональных моделей начального уровня – предложенные рынку несколько лет назад камеры ценой до тысячи долларов с самого своего появления пользовались повышенным спросом, а постоянно снижающаяся цена на эти фотоаппараты привела к исчезновению сразу нескольких типов любительской фототехники.

«Меньше» — не всегда «хуже»

В 2002 году появилась спецификация стандарта Four Thirds, использующего ПЗС-матрицу в два раза меньшей площади, чем 35-миллиметровый кадр, а также соответствующих габаритов сменную оптику. Согласно утверждениям разработчиков стандарта, такое решение должно было обеспечить объективам Four Thirds уменьшение массогабаритных характеристик в два раза. За прошедшее время появился достаточно богатый ассортимент оптики данного стандарта, поэтому можно констатировать, что предположение создателей Four Thirds полностью оправдалось.

Тем не менее в стандарте Four Thirds технику производят всего две фирмы – Olympus и Panasonic. Все остальные производители при разработке цифровых «зеркалок» ориентируются на 35-миллиметровую оптику, полагая при этом, что заметно более широкий ассортимент «классических» объективов должен компенсировать проигрыш по массогабаритным характеристикам. Однако большинство ПЗС-матриц, используемых в профессиональной технике, меньше стандартного кадра 35-миллиметровой плёнки. Практически все сенсоры выполнены в габаритах кадра плёнки APS (Advanced Photo System) – подававшего большие надежды, но так и не принятого рынком стандарта. Размер этого кадра составляет порядка 25,1x16,7 мм, при этом используемые некоторыми производителями сенсоры могут быть чуть меньше либо чуть больше. Применение 35-миллиметровой оптики приводит к тому, что часть формируемого объективом изображения оказывается в буквальном смысле «за кадром». В итоге снимки получаются такими, как если бы их делали объективом с большей длиной фокусного расстояния. Таким образом, вариообъектив 28-50 мм, используемый в профессиональной камере с ПЗС-матрицей, в полтора раза меньшей 35-миллиметрового кадра, приобретает диапазон фокусного расстояния 42-75 мм.

При регистрации центральной области кадра получается эффект длиннофокусного объектива


Условное «увеличение» фокусного расстояния зависит от размеров матрицы и выражается с помощью величины, именуемой коэффициентом фокусного расстояния (в англоязычной литературе используется термин crop-factor). В ранних профессиональных камерах, оснащённых совсем уж маленькими матрицами, этот коэффициент достигал 2,5. При использовании ПЗС-матрицы «формата APS» коэффициент равен 1,5. Большинство профессиональных камер фирмы Canon оснащены сенсором чуть меньших габаритов (22,2x14,8 мм), поэтому имеют коэффициент 1,6, однако среди моделей высшего уровня имеется серия с матрицей стандарта APS-H, то есть APS-High Definition. Размер этого сенсора составляет 28,7x19,1 мм, а коэффициент фокусного расстояния равен 1,3.

То, что часть светового изображения остаётся «за кадром», имеет как плюсы, так и минусы. Например, уменьшается угловое поле объектива, поэтому тяжелее вести широкоугольную съёмку. Следует учесть также, что короткофокусная оптика стоит немалых денег – и чем меньше фокусное расстояние, тем объектив дороже. Однако объективы для телесъёмки тоже недёшевы, и чем больше их фокусное расстояние, тем, как правило, меньше максимальное относительное отверстие и светосила. При коэффициенте фокусного расстояния 1,5 недорогой «телевик» 200 мм f/4,5 превращается в 300-миллиметровый объектив. В то же время у большинства «настоящих» 300-миллиметровых «телевиков» диафрагму можно раскрыть максимум на f/5,6, тогда как у «конвертированного» 200-миллиметрового объектива она остаётся прежней – f/4,5.

Практически каждый объектив в той или иной степени страдает от геометрических аберраций, искажающих очертания объектов съёмки, причём особенно сильно их присутствие выражено у краёв снимка. Если коэффициент фокусного расстояния больше единицы, то при регистрации ПЗС-матрицей изображения, сформированного объективом, его краевые области в снимок не попадут.

Следует отметить, что некоторые производители всё-таки выпускают оптику, адаптированную к сенсорам APS-габаритов. Например, фирма Nikon, используя свои наработки по производству объективов для APS-камер серии Pronea, анонсировала в 2002 году линейку оптики Nikkor DX, в которой линзы изначально подбирались с тем, чтобы световое изображение было в полтора раза меньше кадра 35-миллиметровой плёнки. Разумеется, в 35-миллиметровой «зеркалке» эти объективы использовать нельзя, но за счёт меньшего диаметра линз удалось снизить массогабариты изделий, кроме того, снизилась стоимость оптики, а это во все времена и для любого товара является едва ли не главным аргументом. Годом позже Canon вышла на рынок с серией EF-S. Отличие этих объективов от линейки EF заключается в более глубоком расположении их выходной линзы внутри корпуса фотоаппарата. Именно поэтому в названии присутствует буква S (short – «короткий»), ведь фокусное расстояние объектива при этом укорачивается, а изображение, формируемое оптикой, уменьшается. Объективы серии EF-S получаются дешевле и легче, чем обычная оптика, однако их можно использовать только в камерах Canon с коэффициентом фокусного расстояния не менее 1,6.
Продолжение следует

В данной статье было рассказано о том, как габариты ПЗС-матрицы влияют на формируемое ею изображение. В дальнейшем читатели смогут ознакомиться с тем, как на эффективность работы сенсора влияют его конструктивные особенности.

[MorivVV]

Сердце цифровой фотокамеры: ПЗС-матрица  (часть вторая)

14.06.2007
Марин Милчев, info@ferra.ru

В предыдущей части было рассказано об одном из главных параметров ПЗС-матрицы – ее размере. На этот раз речь пойдет о том, как свет, попадающий на поверхность матрицы, превращается в «электронный негатив», а также о факторах, влияющих на этот процесс.

После прочтения предыдущей части у нашего читателя могло сложиться впечатление, что ПЗС-матрица – это некий «чёрный ящик», выдающий «электронный негатив» после того, как на его регистрирующую поверхность было спроецировано созданное объективом световое изображение, и что на качество снимка влияет исключительно размер сенсора.

Той же точки зрения придерживаются продавцы цифровой фототехники, мягко, но настойчиво подталкивающие потенциального покупателя к приобретению модели с как можно более крупногабаритной матрицей, даже если объективных причин для такой покупки нет. Ещё чаще в качестве «наживки» для клиента выступают разного рода «уникальные разработки», использованные при создании матрицы, которые, как ни странно, никем из прочих производителей не применяются.

Начинающему фотолюбителю трудно отличить рекламные обещания от действительно эффективных инженерных находок. В настоящей статье будет сделана попытка «отделить зерна от плевел», однако для начала необходимо ознакомиться с базовыми определениями цифровой фотографии.

Как фотон становится электроном

В приборах с зарядовой связью преобразование фотона в электрон производится в результате внутреннего фотоэффекта: поглощения светового кванта кристаллической решёткой полупроводника с выделением носителей заряда. Это может быть либо пара «электрон + дырка», либо единичный носитель заряда – последнее происходит при использовании донорных либо акцепторных примесей в полупроводнике. Очевидно, что образовавшиеся носители заряда до момента считывания необходимо как-то сохранить.

Для этого основной материал ПЗС-матрицы – кремниевая подложка p-типа – оснащается каналами из полупроводника n-типа, над которыми из поликристаллического кремния изготавливаются прозрачные для фотонов электроды. После подачи на такой электрод электрического потенциала в обеднённой зоне под каналом n-типа создаётся потенциальная яма, назначение которой – хранить заряд, «добываемый» посредством внутреннего фотоэффекта. Чем больше фотонов упадёт на ПЗС-элемент (пиксель) и превратится в электроны, тем выше будет заряд, накопленный ямой.

Сечение пикселя ПЗС-матрицы


Чтобы получить «электронный негатив», необходимо считать заряд каждой потенциальной ямы матрицы. Данный заряд получил название фототок, его значение довольно мало и после считывания требует обязательного усиления.

Считывание заряда производится устройством, подключённым к самой крайней строке матрицы, которое называется последовательным регистром сдвига. Данный регистр представляет собой строку из ПЗС-элементов, заряды которой считываются поочерёдно. При считывании заряда используется способность ПЗС-элементов к перемещению зарядов потенциальных ям – собственно, именно поэтому данные устройства называются приборами с зарядовой связью. Для этого используются электроды переноса (transfer gate), расположенные в промежутке между ПСЗ-элементами. На эти электроды подаются потенциалы, «выманивающие» заряд из одной потенциальной ямы и передающие его в другую.

При синхронной подаче потенциала на электроды переноса обеспечивается одновременный перенос всех зарядов строки справа налево (или слева направо) за один рабочий цикл. Оказавшийся «лишним» заряд поступает на выход ПЗС-матрицы. Таким образом, последовательный регистр сдвига преобразовывает заряды, поступающие на его вход в виде параллельных «цепочек», в последовательность электрических импульсов разной величины на выходе. Чтобы подать эти параллельные «цепочки» на вход последовательного регистра, опять-таки используется регистр сдвига, но на этот раз параллельный.

Сечение пикселя ПЗС-матрицы


Фактически параллельным регистром является сама ПЗС-матрица, создающая посредством совокупности фототоков электронный «слепок» светового изображения. Матрица представляет собой множество последовательных регистров, называемых столбцами и синхронизированных между собой. В результате за рабочий цикл происходит синхронное «сползание» фототоков вниз, а оказавшиеся «лишними» заряды нижней строки матрицы поступают на вход последовательного регистра.

Как следует из вышесказанного, необходимо достаточно большое количество управляющих микросхем, синхронизирующих подачу потенциалов как на параллельный, так и на последовательный регистры сдвига. Очевидно, что последовательный регистр должен полностью освободиться от зарядов в промежутке между тактами параллельного регистра, поэтому требуется микросхема, синхронизирующая между собой оба регистра.

Из чего состоит пиксель

По указанной выше схеме работает так называемая полнокадровая ПЗС-матрица (full-frame CCD-matrix), её режим работы накладывает некоторое ограничение на конструкцию камеры: если в процессе считывания фототоков экспонирование не прекращается, «лишний» заряд, генерируемый попадающими на пиксели фотонами, «размазывается» по кадру. Поэтому необходим механический затвор, перекрывающий поступление света к сенсору на время, необходимое для считывания зарядов всех пикселей. Очевидно, что такая схема считывания фототоков не позволяет формировать видеопоток на выходе с матрицы, поэтому применяется она только в фототехнике.

Впрочем, избыточный заряд может накопиться в потенциальной яме и при фотосъёмке – например, при слишком «длинной» выдержке. «Лишние» электроны стремятся «растечься» по соседним пикселям, что на снимке отображается в виде белых пятен, размер которых связан с величиной переполнения. Данный эффект именуется блюмингом (от английского blooming – «размывание»). Борьба с блюмингом осуществляется посредством электронного дренажа (drain) – отвода из потенциальной ямы избыточного заряда. Существует два основных вида дренажа: вертикальный (Vertical Overflow Drain, VOD) и боковой (Lateral Overflow Drain, LOD).

Схема бокового дренажа


Для реализации вертикального дренажа на подложку ЭОП подаётся потенциал, который при переполнении глубины потенциальной ямы обеспечивает истечение избыточных электронов сквозь подложку. Основной минус такой схемы – уменьшение глубины потенциальной ямы, в результате чего сужается динамический диапазон. А в матрицах с обратной засветкой (в них фотоны проникают внутрь сенсора не сквозь электрод потенциальной ямы, а со стороны подложки) вертикальный дренаж вообще неприменим.

Боковой дренаж осуществляется при помощи специальных «дренажных канавок», в которые «стекают» избыточные электроны. Для формирования этих канавок прокладываются специальные электроды, на которые подаётся потенциал, формирующий дренажную систему. Другие электроды создают барьер, препятствующий преждевременному «бегству» электронов из потенциальной ямы.

Как следует из описания, при боковом дренаже глубина потенциальной ямы не уменьшается, однако при этом урезается площадь светочувствительной области пикселя. Тем не менее без дренажа обойтись нельзя, так как блюминг искажает снимок больше, чем все остальные виды помех. Поэтому производители вынуждены идти на усложнение конструкции матриц.

Таким образом, «обвязка» любого пикселя состоит как минимум из электродов переноса заряда и из компонентов дренажной системы. Однако большинство ПЗС-матриц отличается более сложной структурой своих элементов.

Оптика для пикселя

ПЗС-матрицы, используемые в видеокамерах и в большинстве любительских цифровых фотоаппаратов, обеспечивают непрерывный поток импульсов на своём выходе, при этом перекрытие оптического тракта не происходит. Чтобы при этом не происходило «смазывание» изображения, используются ПЗС-матрицы с буферизацией столбцов (interline CCD-matrix).

Структура матрицы с буферизацией столбцов


В таких сенсорах рядом с каждым столбцом (который представляет собой последовательный регистр сдвига) располагается буферный столбец (тоже последовательный регистр сдвига), состоящий из ПЗС-элементов, покрытых непрозрачными полосками (чаще металлическими). Совокупность буферных столбцов составляет буферный параллельный регистр, причём столбцы данного регистра «перемешаны» с регистрирующими свет столбцами.

За один рабочий цикл светочувствительный параллельный регистр сдвига отдаёт все свои фототоки буферному параллельному регистру посредством «сдвига по горизонтали» зарядов, после чего светочувствительная часть снова готова к экспонированию. Затем идёт построчный «сдвиг по вертикали» зарядов буферного параллельного регистра, нижняя строка которого является входом последовательного регистра сдвига матрицы.

Очевидно, что перенос заряда матрицы в буферный параллельный регистр сдвига занимает малый интервал времени и перекрывать световой поток механическим затвором нет необходимости – ямы не успеют переполниться. С другой стороны, необходимое время экспонирования, как правило, сравнимо со временем считывания всего буферного параллельного регистра. За счёт этого интервал между экспонированием можно довести до минимума – в результате видеосигнал в современных видеокамерах формируется с частотой от 30 кадров в секунду и выше.

В свою очередь, сенсоры с буферизацией столбцов подразделяются на две категории. При считывании за один такт всех строк можно говорить о матрице с прогрессивной развёрткой (progressive scan). Когда за первый такт считываются нечётные строки, а за второй – чётные (или наоборот), речь идёт о матрице с чересстрочной развёрткой (interlace scan). Кстати, за счёт сходства звучания английских терминов «матрица с буферизацией столбцов» (interlined) и «чересстрочная матрица» (interlaced) в отечественной литературе сенсоры с буферизацией строк нередко ошибочно называют чересстрочными.

Как ни странно, «размазывание» заряда (smear) происходит и в матрицах с буферизацией столбцов. Вызвано это частичным перетеканием электронов из потенциальной ямы светочувствительного ПЗС-элемента в потенциальную яму расположенного рядом буферного элемента. Особенно часто это происходит при близких к максимальному уровнях фототока, вызванных очень высокой освещённостью пикселя. В результате на снимке вверх и вниз от этой яркой точки протягивается светлая полоса, которая портит кадр.

Для противодействия этому явлению увеличивают расстояние между светочувствительным и буферным ПЗС-элементами. В результате усложняется обмен зарядом и увеличивается затрачиваемое на это время, однако искажения кадра, вызываемые «размазыванием», всё же слишком заметны, чтобы ими пренебрегать.

Буферизация столбцов позволяет также реализовать электронный затвор, с помощью которого можно отказаться от механического перекрытия светового потока. С помощью электронного затвора можно получить сверхмалые (до 1/10000 секунды) значения выдержки, недостижимые для механического затвора. Эта возможность особенн;;о актуальна при фотографировании спортивных состязаний, природных явлений и т. п.

Для реализации электронного затвора обязательно необходим антиблюминговый дренаж. При очень коротких выдержках, которые по длительности меньше, чем время переноса заряда из потенциальной ямы светочувствительного ПЗС-элемента в потенциальную яму буферного, дренаж играет роль «отсечки». Эта «отсечка» предотвращает попадание в яму буферного ПЗС-элемента электронов, возникших в яме светочувствительного элемента по истечении времени выдержки.

Однако схема с буферизацией столбцов не лишена недостатков. Основной минус заключается в том, что буферные регистры сдвига «съедают» значительную часть площади матрицы, в результате каждому пикселю в качестве светочувствительной области достаётся лишь 30% от его общей поверхности. У пикселя полнокадровой матрицы эта область составляет 70%.

Для компенсации этого минуса производители используют микролинзы, располагающиеся над каждым элементом матрицы и фокусирующие весь достающийся пикселю световой поток на сравнительно малую светочувствительную область.

Структура пикселей – с микролинзой и обычного


Степень концентрации светового потока при прохождении сквозь микролинзу зависит от технологического уровня производителя матрицы. Встречаются довольно сложные конструкции, обеспечивающие максимальную эффективность этим миниатюрным устройствам.

Однако при использовании микролинз значительно сокращается вероятность того, что лучи света, падающие под большим углом к нормали, проникнут в светочувствительную область. А при большом отверстии диафрагмы процент таких лучей довольно велик. Таким образом, уменьшается интенсивность воздействия светового потока на матрицу, то есть основной эффект, ради которого открывают диафрагму.

Впрочем, вреда от таких лучей ничуть не меньше, чем пользы. Дело в том, что, проникая в кремний под большим углом, фотон может войти в матрицу на поверхности одного пикселя, а выбить электрон в теле другого. Это приводит к искажению изображения. Поэтому, чтобы ослабить влияние таких «бронебойных» фотонов, поверхность матрицы, за исключением светочувствительных областей, покрывается непрозрачной маской (чаще металлической), что дополнительно усложняет конструкцию матриц.

Кроме того, микролинзы вносят определённые искажения в регистрируемое изображение, размывая края линий, толщина которых на грани разрешения сенсора. Но и данный негативный эффект может оказаться частично полезным. Такие тончайшие линии могут привести к ступенчатости (aliasing) изображения, возникающей от присвоения пикселю определённого цвета вне зависимости от того, закрыт ли он деталью изображения целиком или только его часть. Ступенчатость приводит к появлению в изображении рваных линий с «зазубринами» по краям.

Именно из-за ступенчатости камеры с крупногабаритными полнокадровыми матрицами оснащаются фильтрами защиты от наложения спектров (anti-aliasing filter), и цена этих устройств довольно высока. Ну а матрицам с микролинзами этот фильтр не нужен.

Вследствие различных требований к качеству изображения матрицы с буферизацией столбцов применяются в основном в любительской технике, тогда как полнокадровые сенсоры обосновались в профессиональных и студийных камерах.
Продолжение следует

Настоящая статья даёт описание, если можно так сказать, геометрии пикселя. Более подробно о  процессах, происходящих при регистрации, хранении и считывании заряда, будет рассказано в следующей статье.

[MorivVV]

Сердце цифровой фотокамеры: ПЗС-матрица (часть третья)

18.06.2007
Марин Милчев, info@ferra.ru

Вторая часть статьи, посвящённой ПЗС-матрицам, описывала конструкцию как отдельного пикселя, так и всего устройства в целом. Данный текст содержит сведения о том, какое влияние на процесс съёмки оказывают материалы и технологии, использованные при производстве сенсора.

Итак, читатель ознакомился со структурой прибора с зарядовой связью и регистрирующего устройства (то есть ПЗС-матрицы), построенного из массива таких приборов. Ему понятно, что при прочих равных условиях полнокадровая матрица должна иметь более высокую чувствительность, чем устройство с буферизацией столбцов. Так же очевидно, что при повышении разрешения должен сужаться динамический диапазон и снижаться чувствительность.

Однако в действительности оба эти правила выполняются далеко не всегда. Чтобы разобраться в причине этого явления, необходимо более детально ознакомиться с процессами, протекающими внутри пикселей.

Какой бывает чувствительность?

Большинство фотолюбителей в ответ на такой вопрос лишь пожмут плечами – в их понимании данный параметр однозначно характеризует реакцию регистрирующего устройства на оптическое излучение в обратной пропорциональности (то есть чем меньшее количество световой энергии необходимо для реакции, тем выше светочувствительность регистрирующего устройства). Фотограф-профессионал отметит также, что чувствительность фотоплёнки может зависеть от спектра воздействующего излучения (то есть регистрировать видимый свет или инфракрасные, ультрафиолетовые либо рентгеновские лучи) и влиять на чёткость формируемого негатива: чем выше чувствительность, тем крупнее «зерно» плёнки, огрубляющее тонкие детали снимка. Для измерения светочувствительности плёнки используется светочувствительное число, которое указывается в единицах ISO (International Standards Organization – Международная организация стандартов), например, «ISO 100» либо «ISO 800».

В полупроводниковых приборах, к которым относится ПЗС-матрица, для описания светочувствительности устройства используются несколько другие параметры, отображающие особенности его конструкции. В частности, матрица представляет собой не кусок целлулоида с однородно реагирующим на свет участком эмульсии, а совокупность ПЗС-элементов, каждый из которых регистрирует фотоны по-своему.

Чувствительность собственно ПЗС-элемента можно разделить на две составляющие. Первая – интегральная чувствительность, представляющая собой отношение величины фототока (в миллиамперах) к световому потоку (в люменах), обеспечиваемому источником излучения. При этом спектральный состав излучения, используемого при измерении интегральной чувствительности, такой же, как и у вольфрамовой лампы накаливания, а сам параметр служит для оценки суммарной (по всему спектру видимого света) чувствительности пикселя. Второй характеристикой способности ПЗС-элемента реагировать на свет является монохроматическая чувствительность, представляющая собой отношение величины фототока (в миллиамперах) к величине световой энергии излучения (в миллиэлектронвольтах), имеющего строго определённую длину волны. Функция, описывающая зависимость чувствительности от длины волны, то есть способность пикселя фиксировать различные цветовые оттенки, именуется спектральной чувствительностью и представляет собой совокупность всех значений монохроматической чувствительности для данной области спектра.

Таким образом, как интегральная, так и спектральная чувствительность определяется фототоком ПЗС-элемента, то есть зарядом, накопленным потенциальной ямой. Характеристика, описывающая ёмкость ямы, называется глубиной потенциальной ямы (well depth), и именно ею определяется динамический диапазон ПЗС-матрицы. Величина же накопленного заряда зависит от целого ряда параметров.

Например, чем больше площадь светочувствительной области (fill factor) ПЗС-элемента, тем выше доля фотонов, которые могут быть поглощены с созданием носителей заряда. Именно поэтому при росте разрешения матрицы одной из основных задач для разработчиков является обеспечение максимально возможной площади светочувствительной области. Для этого размеры обвязки (электродов переноса, дренажа и буферных столбцов) должны уменьшаться пропорционально росту числа пикселей.

Однако далеко не все фотоны, попавшие на светочувствительную область, преобразуются в носители заряда. Параметр, определяющий эффективность регистрации светового излучения ПЗС-элементом, называется квантовой эффективностью (quantum efficiency) и характеризует отношение количества зарегистрированных носителей заряда к количеству попавших на поверхность светочувствительной области фотонов. Иногда квантовую эффективность путают с квантовым выходом (quantum yield), который на самом деле является общим количеством носителей заряда, создаваемых внутренним фотоэффектом при поглощении определённого числа фотонов. Поскольку далеко не все носители заряда попадают в потенциальную яму, квантовая эффективность более точно характеризует чувствительность пикселя.

Квантовая эффективность зависит от других параметров. В частности, некоторые фотоны отражаются от поверхности светочувствительной области и не могут быть поглощены ПЗС-элементом, для отображения доли таких фотонов используется коэффициент отражения. Среди тех фотонов, что не были отражены поверхностью сенсора, некоторые будут поглощены слишком глубоко, а другие – у самой поверхности. Заряды, полученные в результате внутреннего фотоэффекта этих фотонов, не попадут в потенциальную яму. Поэтому при разработке сенсора следует учитывать коэффициент поглощения, который определяется как материалом матрицы, так и длиной волны регистрируемого света: чем она больше, тем выше проникающая способность фотонов. Очевидно, что коэффициент поглощения должен обеспечивать выбивание носителей заряда вблизи от потенциальной ямы, причем выбивание это должно осуществляться фотонами с длиной волны, попадающей в интервал, соответствующий требуемому спектру излучения. Таким образом, материал ПЗС-матрицы должен отвечать целому ряду требований – иметь минимальный коэффициент отражения и максимальный коэффициент поглощения по отношению к фотонам с требуемой длиной волны и в то же время отражать и не поглощать фотоны из других областей спектра. Поскольку данная задача требует взаимоисключающих решений, отсекание «неугодных» фотонов осуществляется при помощи инфракрасного фильтра, устанавливаемого перед ПЗС-матрицей (стекло, используемое в линзах объектива, непроницаемо для ультрафиолетового излучения).

Наряду с площадью светочувствительной области и квантовой эффективностью на способность пикселя регистрировать фотоны влияет порог чувствительности – величина минимального светового сигнала, который может быть зарегистрирован ПЗС-элементом (чем слабее сигнал, тем выше порог чувствительности). Негативное влияние на порог чувствительности оказывает темновой ток (dark current), возникающий в ПЗС-элементе в момент подачи потенциала на электрод, под которым создаётся потенциальная яма. Название «темновой» обусловлено тем, что данный паразитный заряд образуется «просочившимися» в яму электронами, созданными не внутренним фотоэффектом, а термоэлектронной эмиссией, и при его накоплении световые лучи не падали на поверхность сенсора. Если же интенсивность светового потока низкая, то генерируемый им фототок может оказаться слабее темнового тока.

При этом уровень темнового тока сильно зависит от температуры и возрастает вдвое при нагревании на 9 градусов по Цельсию. Чем теплее матрица, тем большее количество «паразитов» осядет в потенциальной яме. Для ослабления термоэлектронной эмиссии в студийной цифровой фототехнике применяют различные схемы теплоотвода, использующие в качестве теплообменника металлический корпус камеры, игольчатые радиаторы и даже элементы Пельтье. Разумеется, такой подход неприменим к компактным фотоаппаратам, ограниченным по размерам и весу.

Чтобы определить уровень темнового тока и исключить его величину при считывании фототоков пикселей, расположенные по краям столбцы и строки матрицы покрываются непрозрачным материалом. Составляющие их пиксели называются пикселями темнового тока (dark reference pixels), и, поскольку генерируемый ими заряд создан термоэлектронной эмиссией, он используется в качестве «отметки чёрного цвета» для остальных пикселей матрицы. При этом, поскольку при разных условиях (нагрев матрицы, ток питания и так далее) уровень темнового тока будет варьироваться, необходимо для каждого снимка заново считывать заряд пикселей темнового тока.

Не менее губительно, чем темновой ток, на порог чувствительности влияет тепловой шум (thermal noise). Данное явление обусловлено хаотичным движением носителей заряда в толще полупроводника, которое не прекращается и при отключении потенциала, подаваемого на электрод. Блуждая в материале матрицы, электроны либо дырки в конце концов притягиваются потенциальной ямой и оседают в ней. Поскольку перед началом экспонирования потенциальная яма «опустошается», количество захваченных ею в процессе съёмки «паразитов» тем больше, чем продолжительнее выдержка.

Из всего вышесказанного получается, что чувствительность ПЗС-матрицы – это интегральная характеристика, которая определяется чувствительностью каждого пикселя. Так как технологический процесс производства матрицы не может быть идеальным, ряд её элементов будет регистрировать свет хуже, чем остальные, и именно поэтому чувствительность матрицы в целом всегда меньше, чем чувствительность отдельно взятого пикселя.

В характеристиках цифрового фотоаппарата не указывается ни спектральная чувствительность, ни квантовая эффективность, ни порог чувствительности. Вместо этого производитель публикует так называемую эквивалентную чувствительность ПЗС-матрицы, указываемую в общепринятых единицах ISO в виде диапазона («ISO 100-800») либо набора значений («ISO 50, 100, 200, 400»). Вычисляется она каждым производителем по-своему (из-за чего нередко возникают недоразумения), но в основу расчётов положена пара стандартных формул для расчета экспозиционного числа: зная освещенность объекта съёмки, диафрагму и выдержку, можно с высокой долей достоверности определить эквивалентную чувствительность ПЗС-матрицы. Наиболее точно характеризует истинную чувствительность матрицы минимальное из ISO-чисел, так как остальные значения получаются в результате обычного усиления сигнала на выходе матрицы, что-то вроде увеличения громкости радиоприёмника. Чем выше громкость радиоприёмника, тем сильнее слышны помехи, точно так же при повышении чувствительности усиливается уровень шумов матрицы, значительно искажающих «электронный негатив».

Разновидности шумов

Изучая виды шумов в ПЗС-матрице, необходимо чётко различать собственно виды шумов и их визуальное проявление. В общем случае шумы представляют собой искажения фототоков пикселей.

Как уже было сказано, источниками «паразитных» носителей заряда в отдельном пикселе являются темновой ток и тепловой шум. С обоими явлениями борются в первую очередь технологически (путём использования максимально свободных от ненужных примесей материалов), а также конструкционными методами (теплоизоляцией матрицы, применением пикселей темнового тока и так далее). Однако реальный вред наносит не собственно паразитный заряд пикселя, а неповторимость его значения для каждого элемента матрицы. Кроме того, несовершенство технологического процесса при производстве матрицы приводит к индивидуальности каждого ПЗС-элемента по интенсивности генерации фототока.

На негативное влияние флуктуаций по паразитному заряду и фототоку накладываются ошибки при считывании с матрицы – как рассогласование по времени, так и разброс в значении потенциалов, подаваемых на электроды сенсора. Следствием всего этого являются всплески яркости пикселей, рассеянные по всему снимку. Данное явление именуется шумом фиксированного распределения (fixed pattern noise). Наиболее заметные пиксели называются «горячими» (hot pixels) – процесс накопления паразитного заряда в них слишком интенсивен, поэтому их яркость тем выше, чем длиннее выдержка. Единичные пиксели предельной яркости могут присутствовать на снимке и при короткой выдержке. Такие пиксели именуются «залипшими» (stuck pixels) и возникают в результате сочетания сразу нескольких неблагоприятных факторов, приводящего к лавинообразному потоку электронов, который при каждом цикле матрицы устремляется в потенциальную яму.

Визуальные эффекты, сопровождающие шум фиксированного распределения, часто путают с собственно явлением. Именно поэтому в обзорах камер зачастую фигурируют цветовой шум (color noise) и яркостной шум (luminance noise). Цветовой шум, называемый также хроматическим, выражается в появлении пикселей постороннего цвета в однотонных областях снимка, причём чаще всего разноцветные крапинки возникают в теневых участках кадра. Яркостной шум не так заметен и представляет собой не изменение цвета, а резкие скачки яркости рядом расположенных пикселей, которые опять-таки искажают исходное изображение.

Шум фиксированного распределения ослабляется при переходе на короткие выдержки и уменьшении нагрева камеры. Однако такие идеальные условия мало достижимы, поэтому полезным оказывается ключевая особенность шума фиксированного распределения – его повторяемость при одинаковых условиях. Если при каждой экспозиции температура матрицы и длительность выдержки будут одними и теми же, паразитный ток и фототок каждого пикселя тоже будут повторяться. Таким образом, если сразу после фотографирования объекта снять так называемый тёмный кадр (dark frame) с закрытым крышкой объективом, то в результате образуется «маска» из раскиданных на чёрном фоне пикселей различной яркости. Эта маска затем используется для изъятия шума фиксированного распределения из снятого кадра. Данный метод оказался настолько эффективным, что послужил базой для системы шумоподавления с помощью тёмного кадра (dark frame noise reduction). Такой системой оснащается большинство современных любительских камер. При её использовании фотоаппарат сначала делает обычный снимок, а затем при закрытом затворе считывает маску, полученную с той же выдержкой.

В большинстве реализаций данной системы шумоподавления при слишком высоком уровне паразитного заряда конкретного пикселя камера считает недостоверным значение его фототока и исключает его из процесса формирования кадра. «Выбитые» таким образом элементы матрицы заменяются интерполированными значениями соседних пикселей, поэтому при избыточном количестве «горячих» пикселей изображение становится «акварельным» – слишком много в нём появляется размытых деталей.

Ещё более «размытым» становится изображение, в котором шум подавляется без использования «тёмного кадра», – программное обеспечение фотоаппарата производит «сглаживание» яркости пикселей, слишком отличающихся от «соседей». Очевидно, что при таком подходе не могут не пострадать мелкие контрастные участки светового изображения, от которых в первую очередь зависит чёткость снимка.

Причиной шума, помимо конструкции ПЗС-элемента, является также способ регистрации цвета, используемый в большинстве цифровых фотокамер. Поскольку ПЗС-элемент может зарегистрировать яркость точки изображения, сформированного объективом, но не его цвет, каждый пиксель снабжается индивидуальным светофильтром (красным, синим либо зелёным) и регистрирует только один из основных цветов. После считывания фототоков для каждого пикселя производится интерполяция двух остальных основных цветов, результатом чего является полноцветное изображение (подробнее об этом будет рассказано в следующей части).

Из-за особенностей восстановления полноцветного изображения в снимке нередко появляется так называемый жёлтый шум. От обычного цветового шума он отличается не хаотичным, а регулярным расположением крапинок жёлтого цвета, при этом шумоподавление с помощью тёмного кадра не помогает избавиться от него. Дело в том, что жёлтый шум возникает при специфических условиях освещения – при использовании светильников, излучение которых имеет смещённый спектральный состав. Например, в спектре ламп накаливания «синие» фотоны представлены крайне скромно. Если в краевых областях видимого участка спектра чувствительность ПЗС-матрицы понижена, то покрытые синими светофильтрами пиксели матрицы (и без того недостаточно качественно регистрирующие фотоны с требуемой длиной волны) при освещении лампами накаливания просто не в состоянии накопить заряд, адекватно описывающий яркость соответствующей точки светового изображения.

В итоге при расчёте полноцветного изображения в точках, соответствующих «синим» пикселям, имеется избыток красной и зелёной составляющих и недостаток синей. Следствием этого является пожелтение восстанавливаемого цвета в указанных точках, и чем ближе данный цвет к нейтральному (белый либо оттенки серого), тем заметнее будет искажение. Поскольку восстановить синюю составляющую из ничего невозможно, единственным способом борьбы с жёлтым шумом является улучшение спектральной чувствительности ПЗС-матрицы.

Немного о техническом прогрессе

Вернёмся к тезисам, упомянутым в начале статьи: всегда ли повышение разрешения неизбежно ведёт к сужению динамического диапазона и снижению чувствительности? Если сравнить снимки, сделанные двухмегапиксельной камерой образца 1999 года (с ПЗС-матрицей формфактора «1/2 дюйма»), с фотографиями, снятыми семимегапиксельным фотоаппаратом 2004 года (с ПЗС-матрицей формфактора «1/1,8 дюйма»), то результат будет отнюдь не в пользу «ветерана». Кадры, отснятые более новой моделью, будут выгодно отличаться не только более детальным (из-за возросшего разрешения) изображением, но и меньшим уровнем цветового, яркостного и жёлтого шума, а также более широким динамическим диапазоном.

Вызвано это тем же, чем и постоянный рост производительности процессоров при сохранении ими прежних габаритов, то есть регулярным переходом на новую технологию производства. В процессорах используются все более миниатюрные транзисторы, что требует повышения чистоты используемых материалов и уменьшения потребляемых токов. В ПЗС-матрицах это ведёт к уменьшению элементов обвязки и снижению уровня паразитных зарядов.

Однако далеко не всегда повышение разрешения сопровождается переходом на новый уровень технологий. В этом случае все перечисленные в данном тексте негативные эффекты многократно усиливаются, значительно искажая «электронный негатив». Более того, нередко производители ПЗС-матриц, вместо того чтобы кропотливо улучшать технологию, начинают полностью менять конструкцию сенсора. В большинстве случаев это сопровождается шумной рекламной кампанией и, к сожалению, практически никогда не ведёт к реальному улучшению параметров изображения. Более подробно об этом будет рассказано в следующих частях.