Немного истории

Как ни удивительно, но до наших дней сохранилась первая фотография, изображающая городской пейзаж. Она была сделана французским изобретателем Ж. Н. Ньепсом в 1826 г. с помощью камеры-обскуры за 13 лет до официально признанного дня рождения фотографии. В качестве светочувствительного слоя Ж. Н. Ньепс использовал раствор асфальта в лавандовом масле, который наносил на оловянную, медную или посеребренную пластинку.

7 января 1839 г. на заседании парижской академии наук Л. Ж. М. Дагер сделал доклад об изобретении способа получения видимого изображения с помощью светочувствительного материала. Этот день и принято считать днем рождения фотографии.

В 1829 г. Ньепс и Дагер объединили свои усилия в поисках материалов и химических веществ для получения устойчивого изображения. В 1837 г. им удалось впервые сделать отпечаток, не чувствительный к воздействию света, или, выражаясь современным языком, закрепить снимок, что позволило сделать процесс получения фотографического изображения массовым. Рассвет дагеротипии и ее триумфальное шествие по миру пришлись на 1840–1860 гг.

Английский ученый В. Г. Ф. Талбот к фотографическим опытам приступил в 1834 году. Через год получил фотоизображения с помощью предложенного им ранее «фотогенического рисования», этот способ был назван талботипией. Сходство способов получения фотоизображения Дагером и Талботом ограничивалось в использовании йодистого серебра в качестве светочувствительного слоя. В остальном различия были принципиальны: в дагеротипии получалось сразу позитивное изображение, что упрощало процесс, но делало невозможным получения копий, а в талботипии изготовлялся негатив, с помощью которого можно было делать любое число отпечатков, реализовывалась двухступенчатая негативно-позитивная последовательность процесса – прототипа современной фотографии.

Дагеротипию и талботипию сменил мокрый коллодионный процесс, предложенный в 1851 году английским скульптором Ф. С. Арчером. Суть его в том, что на стеклянную пластинку непосредственно перед фотографированием наносился раствор коллодиона, содержащий йодид калия. Такая пластина могла быть использована только в мокром состоянии, что являлось существенным недостатком метода. Эксперименты с желатиновым бромидом привели к созданию сухих фотографических слоев, что способствовало получению фотоматериалов достаточно высокой чувствительности. При гелиографии выдержка составляла 6 часов, в дагеротипии – 30 мин, в талботипии – 3 мин, в мокром коллодионном процессе – 10 сек, а с применением бромосеребряной желатинной эмульсии выдержка уменьшилась до ¹/₁₀₀ секунды. Фотопленка была изобретена в 1887 году что привело к фундаментальному изменению фотопромышленности, сделало фотографию доступной массовому потребителю, как технически, так и экономически.

Через 100 лет, в 1969 г., Уиллард Боил и Джордж Смит сформулировали идею прибора с зарядовой связью (ПЗС) для регистрации изображения. Через 3 года, в 1972 г., компания Texas Instruments запатентовала устройство под названием «полностью электронное устройство для записи и последующего воспроизведения неподвижных изображений». В качестве чувствительного элемента использовалась ПЗС-матрица. Изображение хранилось на магнитной ленте и воспроизводилось посредством телевизора.

В 1973 г. компания Fairchild начала промышленное производство ПЗС-матриц. Черно-белое изображение, получаемое с их помощью, имело разрешение 100х100 пикселей.

В 1975 г. группа разработчиков компании Kodak под руководством Стива Сассона создала первую работающую фотокамеру с разрешением 100х100 пикселей (1 кадр записывался в течение 23 секунд). В 1981 г. компания Sony представила на рынок первую цифровую камеру Sony Mavica.

С этого момента начинается история современной цифровой фотографии. Mavica была полноценной зеркальной камерой со сменными объективами и имела разрешение 570х480 пикселей.

Ровно через 10 лет, в 1991 г., Kodak совместно с Nikon выпустили профессиональный зеркальный цифровой фотоаппарат Kodak DSC100 на основе пленочного фотоаппарата Nikon F3. Фотоизображение записывалось на жесткий диск, который находился в отдельном блоке (он весил около 5 кг).

И только в 1994 г. на рынке появились первые флеш-карты формата Compact Flash и Smard Media с объемом памяти от 2 до 24 мегабайт.

Сегодня пленочную фотографию постепенно вытесняют из всех областей применения фотоизображения: производители пленочных камер сокращают количество выпускаемых моделей, а некоторые компании полностью прекратили выпуск пленочных камер, во много раз сократилось производство фотобумаги, пленки и химреактивов, – словом, наступает эра цифровой фотографии.

Низкая стоимость цифровых фотокамер, возможность сразу увидеть результат, простота в эксплуатации и относительно хорошее качество изображения сделали цифровую фотографию общедоступной и незаменимой. Особенно бурно цифровая фотография развивается в последние 10 лет. Каждый год ведущие производители цифровой фототехники выставляют на рынок свои новинки, конкуренция вынуждает разработчиков совершенствовать и улучшать технические характеристики выпускаемой фототехники. Сегодня компактные фотоаппараты по качеству изображения почти не уступают профессиональным зеркальным камерам 5-летней давности. 14-мегапиксельный рубеж преодолен – даже камеры, встроенные в сотовые телефоны, достигли разрешения 5 мегапикселей. Производители программного обеспечения для обработки изображений и производители устройств для переноса и хранения изображения (карт памяти) также совершенствуют свою продукцию. Словом, цифровая фотография уверенно движется вперед, и начало XXI столетия ознаменовалось бурным ее ростом.

Основы цифровой фотографии

Как уже отмечалось выше, бурному развитию цифровой фотографии способствовали три основных фактора: простота в управлении, быстрота и автономность получения результата и невысокая стоимость фототехники любительского класса. Немаловажно и то, что эксплуатационные расходы тоже невелики. У многих начинающих фотолюбителей такие расходы отсутствуют вообще: они довольствуются тем, что могут посмотреть и показать своим друзьям снятое изображение с помощью жидкокристаллического (ЖК) монитора, сотового телефона или «мыльницы». Других вполне устраивает, что они могут выставить свои снимки в Интернете для всеобщего обозрения.

Чаще всего таких фотолюбителей не интересует, как устроен цифровой фотоаппарат, каким образом на крохотной пластинке размером с ноготь мизинца умещаются сотни и тысячи фотоизображений. А тех, кому это интересно, мы приглашаем внимательно ознакомиться со следующей главой.

Электронно-оптические преобразователи

В цифровых фотоаппаратах для регистрации изображения используется электронно-оптический преобразователь (ЭОП) – прибор, преобразующий световой поток в электрический сигнал. Его основные характеристики определяются количеством точек по вертикали и горизонтали (разрешением), соотношением сигнал/шум и светочувствительностью. В качестве ЭОП используют ПЗС (прибор с зарядовой связью) и КМОП-матрицы (комплиментарные металло-оксидные полупроводники).

ПЗС-матрица – светочувствительный сенсор – самое сложное и дорогое устройство в цифровом фотоаппарате. Аббревиатура ПЗС – свободный перевод английского сокращения CCD (Charge Coupled Device – электронно-оптические преобразователи). Этот прибор воспринимает отраженные от объекта съемки частицы света (фотоны) и преобразует их в электрический заряд, считывая который при помощи компьютера можно воссоздать изображение объекта. В цифровой камере ПЗС-матрица исполняет роль, аналогичную фотопленке в обычном фотоаппарате. Сравнивая фотопленку и ПЗС-матрицу – два абсолютно разных способа фиксации изображения, – отдать предпочтение одному из них пока сложно. И у ПЗС-матрицы, и у пленки есть свои достоинства и недостатки.

Известно, что фотоэмульсия пленки способна сохранять свою чувствительность к свету лишь короткое время в самом начале экспозиции и резко теряет ее при длительных выдержках. ПЗС-матрица, напротив, обладает чувствительностью, которая не меняется в течение всего времени экспозиции. Низкочувствительная фотопленка с разрешением 100 линий на миллиметр (лин/мм) эквивалентна матрице с размером пикселя 10 микрон. Современный уровень технологии позволяет выпускать матрицы с размером пикселя от 1,75 до 52 микрон. Фотопленки с высокой чувствительностью имеют увеличенное зерно (чем выше чувствительность, тем крупнее зерно), которое ведет к потере качества. У таких пленок разрешение не превышает 60–70 лин/мм.

Формирование цифрового изображения также зависит от размера пикселя, который влияет на качество снимка. Чем больше размер пикселя, тем больше электронов он может накопить до полного насыщения. Например, 10-микронный пиксель способен накопить 50 000 электронов, пиксель размером 25 микронов – до 400 000 электронов. И хотя крупный размер пикселей и ухудшает разрешающую способность матрицы, он позволяет получить больший диапазон воспроизводимых яркостей, что эквивалентно большой фотографической широте. ПЗС-матрица способна реагировать на свет в диапазоне от рентгеновского до инфракрасного излучения. Однако у нее есть свои недостатки: в процессе приема и обработки сигнала в матрице возникают различного рода помехи – так называемые шумы. Одна из наиболее проблемных помех – шум темнового тока (Dark Current) – результат генерации пикселями термоэлектронов. Эти шумы возникают при длительной выдержке и нагревании матрицы. Темновым шум называется потому что он формируется из электронов, попавших в потенциальную яму при полном отсутствии светового потока.

Тепловой шум (Thermal Hoise) вызван хаотичным движением носителей зарядов внутри ПЗС-матрицы, даже при отсутствии потенциала на электродах. Зачастую на фотографии хорошо заметны хаотично разбросанные по всему кадру пиксели постороннего цвета, называемые шумом фиксированного распределения (Fixed Pattern Hoise).

Потребность в ПЗС-матрицах с каждым днем все увеличивается: все больше компаний нуждается в качественных сенсорах (производители сотовых телефонов, видеокамер, фототехники, охранных систем). ПЗС-матрицы широко применяются в аэрокосмической съемке и компьютерном производстве. Изготовление ПЗС-матриц – наукоемкое, технологически сложное производство. Оно под силу только тем компаниям, которые ведут постоянные научные разработки по усовершенствованию и модернизации ПЗС-матриц с учетом потребностей рынка. Мировые лидеры в производстве ПЗС-матриц: Texas Instruments, Thompson, Sony, Panasonic, Samsung, Philips, Hitachi, Kodak, Loral Fairchild и др.

Световой поток, отраженный от объекта съемки, пройдя сквозь оптическую систему, попадает на регистрирующий элемент (ЭОП) и преобразовывается в электрический заряд. В формировании изображения принимает участие не весь поток фотонов: часть из них отражается от поверхности, другая поглощается на определенной глубине, третья проходит навылет Чем больше количество поглощенных фотонов, тем больше образуется электронов, тем лучше качество изображения. Отраженные от поверхности и прошедшие насквозь фотоны не принимают участие в формировании изображения.

Поглощенные фотоны преобразуются в электроны накапливаются и хранятся в потенциальной яме; далее считываются значения заряда, именуемого фототоком. Для считывания фототоков пикселей используется устройство, называемое последовательный регистр сдвига, а полученная последовательность зарядов перемещается по ходу усилителя на аналогово-цифровой преобразователь (АЦП). Вот в общих чертах процесс формирования изображения не ПЗС-матрицах.

CMOS-матрица

Качество современного цифрового фотоаппарата определяется прежде всего техническим уровнем установленного в нем сенсора. Сенсор – это кремниевый полупроводник, предназначенный для регистрации фотонов света и трансформации их в электроны. Сенсоры являются важнейшей частью цифровой камеры. Сегодня на рынке цифровой техники лидирует технология CCD (ПЗС – прибор с зарядовой связью). CCD-сенсоры, более трудоемкие в производстве, технологически более сложные и, соответственно, дорогостоящие, тем не менее установлены в подавляющем большинстве цифровых фотокамер любительского и профессионального класса.

Технология CMOS-сенсоров, напротив, менее совершенна, а требования к допускам при массовом производстве ниже, чем при производстве CCD. Однако CMOS-сенсоры обладали существенными недостатками: высоким уровнем шума, большим током утечки и остаточным зарядом, – из-за которых они долго не применялись в профессиональных камерах. Существовало четкое разделение: CCD-матрицы обеспечивали лучшие показатели динамического диапазона и разрешения, поэтому их использовали в цифровых камерах с высоким качеством изображения, CMOS-сенсоры устанавливались только в недорогих фотоаппаратах любительского класса. И все же невысокая стоимость этих сенсоров привлекала производителей, а CMOS-технология представлялась им перспективной, поэтому многомиллионные инвестиции в научные исследования по усовершенствованию CMOS-технологии привели к положительным результатам: шумы удалось уменьшить с помощью дополнительных устройств, и в результате появились цифровые камеры с профессиональным качеством изображения.

Одним из основных достоинств новых сенсоров стало пониженное энергопотребление, что, в свою очередь, существенно повлияло на качество изображения: поскольку устройство потребляло меньше энергии, CMOS-сенсоры не нагревались и, следовательно, имели более низкий уровень тепловых шумов. После таких усовершенствований стоимость CCD-матриц и CMOS-сенсоров почти сравнялась. На ценообразование CCD-матриц существенно влияет ее размер, а на CMOS-сенсоров – стоимость дополнительных устройств, повышающих качество изображения.

CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) – комплиментарные металлооксидные полупроводники. На сегодняшний день CMOS-технология наиболее распространена в производстве полупроводниковых компонентов микроэлектроники.

Процесс преобразования фотонов в электроны происходит по той же схеме, что и в CCD-матрицах, за исключением того, что заряд в напряжение преобразуется посредством компонентов, называемых обвязкой пикселя, непосредственно в элементах матрицы. Для синхронизации применяются адресные шины столбцов и строк матрицы. При этом из-за возможности считывания всей матрицы, столбца, строки или одного элемента отпадает необходимость в регистрах сдвига и управляющих микросхемах. Наличие усилителя на каждом участке пикселя CMOS-датчика позволяет избегать ненужных операций по передаче заряда, что значительно повышает скорость передачи сигнала на процессор обработки изображения. Кроме того, усилители на каждом участке пикселя способствуют снижению температуры матрицы, вызывающей шумы изображения, что особенно заметно при увеличении чувствительности (ISO) и съемке на длинных выдержках. Для производства CMOS-датчиков используют кремниевые кристаллы квадратной формы, в одном кристалле кремния могут разместиться и сам датчик, и электронные устройства обработки сигналов. В некоторые CMOS-датчики внедряют даже аналогово-цифровой преобразователь, существенно уменьшая объем устройства и снижая уровень энергопотребления. К тому же CMOS-датчики обладают уникальной особенностью, упрощающей работу устройств формирования изображения.

Световой поток, попавший на кремневые кристаллы, образует заряд – напряжение в каждом элементе матрицы – пиксели, считывание изображения происходит внутри CMOS-сенсора с помощью транзисторов и усилителя.

Альтернативные матрицы

Компания Fuji Film в 2000 г представила новую матрицу – Super CCD. Вместо традиционного горизонтально-вертикального размещения прямоугольных пикселей их разместили под углом 45°, в виде пчелиных сот. Падающие на матрицу фотоны делятся на горизонтальные и вертикальные составляющие, а затем комбинируются. Благодаря этой технологии можно достичь большего разрешения по обеим осям. Кроме того, пиксели получаются не прямоугольные, как в обычных матрицах, а восьмиугольные, что существенно увеличивает динамический диапазон и резкость формируемого изображения. Такие матрицы устанавливаются на камерах серии FinPix.

Разработчиком матрицы Х3 является компания Foveon. Размеры CMOS-сенсора Foveon Х3 – 20,7х13,8 мм, разрешение – 2752х1768 пикселей на каждый канал RGB, суммарное разрешение – 14,1 мегапикселей (МП), в RAW-формате – 13,9 МП. В отличие от обычных матриц технология Х3 построена на поглощении цветовых волн светочувствительными слоями, расположенными друг над другом. Таким образом, на каждый канал изображения приходится по одному чувствительному слою (всего их 3) – к синим, зеленым и красным областям спектра, именно в такой последовательности расположены светочувствительные слои.

Технология Х3 трехслойной конструкции увеличила полезную площадь каждого фотодиода – в связи с этим отпала необходимость в интерполяции по соседним фотодиодам и, наконец, позволила отказаться от использования фильтра пространственной частоты (Low Pass Filter), микролинз и цветных фильтров. По утверждению разработчиков сенсора Foveon Х3, все это должно привести к повышению резкости изображения, увеличению чувствительности, снижению шумов и улучшению цветопередачи. Сенсоры Foveon Х3 установлены в цифровых фотокамерах Sigma SD14.

Пиксели

Разрешение цифрового фотоаппарата принято выражать в пикселях.

Pixel – сокращение от английского Picture's element (элемент изображения).

Чем меньше размер пикселя, тем больше их можно разместить на ограниченном размере матрицы, тем выше разрешение камеры. Произведение количества пикселей по горизонтали и вертикали, поделенное на миллион, дает величину разрешения в мегапикселях (мегапиксель (МП) – миллион пикселей). Например, если ПЗС-матрица, установленная в цифровой камере, имеет разрешение по горизонтали 4000 пикселей, а по вертикали – 3000 пикселей, то разрешение фотокамеры будет равно 12 МП. Эта величина – одна из важнейших характеристик цифрового фотоаппарата: чем выше разрешение матрицы, тем больше точек и информации об объекте съемки способен передать цифровой фотоаппарат, а значит, тем выше качество и тем больше формат изображения.

Основная деталь ПЗС-матрицы – приемник света – двухмерная матрица, состоящая из очень маленьких кремниевых детекторов света прямоугольной формы, также называется пикселем. Размер пикселя, как уже отмечалось выше, колеблется от 1,75 до 52 микрон. Каждый пиксель работает как приемник фотонов и хранилище электронов. Кремниевые пиксели реагируют на свет только в том случае, если его поток падает на них под прямым углом. Для обеспечения захвата большего потока света над каждым пикселем помещают выпуклую микролинзу. Именно таким образом корректируют угол падения света и увеличивают светочувствительность сенсора.

Так называют пиксели, сильно отличающиеся по цвету и яркости от окружающих точек. Они возникают независимо от длины выдержки, в отличие от шума фиксированного распределения, который образуется в потенциальной яме (Stuck Pixels), и крайне отрицательно влияют на качество изображения. В большинстве цифровых фотокамер для нейтрализации залипших пикселей используют специальное программное обеспечение – для анализа, поиска и занесения их координат в оперативную память аппарата. В дальнейшем эти пиксели исключаются из процесса формирования изображения, а вместо них подставляется усредненное значение заряда в соседних точках.

«Горячие» пиксели (Hotpixels) – дефект, при котором выходящие электроны не соответствуют значению входящих фотонов, это происходит при температурных отклонениях или под воздействием соседних пикселей.

«Битые», или дефектные, пиксели (Defective Pixels) – производственный брак электронного устройства, не что иное, как вышедший из строя элемент светочувствительной матрицы. В CCD-матрицах 3-4-летней давности такого рода дефекты встречались довольно часто. По утверждению производителей, 2–4 битых пикселя при миллионе нормально работающих на качество изображения существенно не влияют и браком не считаются.

С этим утверждением трудно согласиться, 24 битых пикселя на 6-мегапиксельной матрице или 48 на 12-мегапиксельной на качество изображения влияют очень сильно. Я как потребитель не хотел бы, чтобы на матрице моей цифровой камеры были битые пиксели, даже несмотря на то, что в большинстве фотоаппаратов установлено программное обеспечение, маскирующее битые пиксели путем интерполяции. Если дефектные пиксели расположены близко друг к другу они образуют пятно, что считается браком, и такой аппарат подлежит замене.

При покупке фотоаппарата необходимо сделать два тест-кадра: один с закрытой крышкой, а другой – направленный на белую поверхность. А затем при максимальном увеличении изображения проверить наличие битых пикселей – белые или черные прямоугольники. При их обнаружении попросите продавца заменить фотоаппарат Они эту фотокамеру все равно продадут но этим покупателем будете не вы, иначе зачем вы читаете эту книгу.

Размеры матрицы

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

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

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

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

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

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

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

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

Цветные фильтры

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

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

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

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

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

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

Чувствительность

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

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

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

Интерполяция

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

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

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

Динамический диапазон

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

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

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

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

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

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

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

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