IT ExpertМир технологийНаука и техника

Как устроена матрица фотокамеры

Андрей Виноградов | 28.05.2014

ВКонтакт Facebook Google Plus Одноклассники Twitter Livejournal Liveinternet Mail.Ru

Как устроена матрица фотокамеры

Откуда берется цвет

Какие есть типы матриц

Сколько мегапикселей достаточно


Светочувствительные матрицы используются во многих устройствах. Самое известное из них – фотокамера. Цифровые сенсоры заменили собой пленку, сделав съемку существенно проще и дешевле, открыв для масс возможность делать тысячи снимков, платя лишь раз – при покупке фотоаппарата.

Откуда берется цвет

Матрица фотоаппарата весьма непростое устройство, хотя на первый взгляд представляет собой просто ряды светочувствительных фотодиодов. Ее основная задача заключается в преобразовании полученных импульсов в электрический ток. Причем сделать это нужно так, чтобы в итоге получилось цветное изображение с высокой детализацией.

Когда фотографы спорят о том, матрица чьего фотоаппарата более точно и глубоко передает цвет, они даже не задумываются, что каждый из пикселей – монохромный. Цвет появляется благодаря хитрым системам. Таким, как мозаичные фильтры. Это самая распространенная технология получения цветного изображения.

img

Матрица накрыта тончайшим фильтром, который делит сенсор на субпиксели. Каждому из них присваивается свой цвет, в дальнейшем таким образом формируется общая картинка. Существует целый ряд подтипов, наиболее известным из которых является фильтр Байера, названный в честь сотрудника компании Kodak, доктора Брайса Э. Байера (Bryce Bayer), создавшего эту технологию в 1976 году.

img

Данный светофильтр делит каждый пиксель на два зеленых, красный и синий субпиксели. Таким образом изображение делится на точки, но метод не лишен недостатков. Главный из них – потеря четкости, так как недостающую информацию приходится интерполировать, то есть вычислять, дорисовывать. Тем не менее сегодня проблема потеряла остроту, поскольку пиксели стали настолько маленькими, что увидеть потерю резкости крайне сложно.  

Впрочем, существуют и альтернативные системы получения цветного изображения. Например, матрица Foveon, которую использует в своих фотокамерах компания Sigma. Foveon X3 по сути состоит из трех матриц (не путать с трехматричными системами 3CCD!), расположенных друг над другом, но не пропускает свет определенного спектра.

img

Поэтому нет необходимости применять интерполяцию – то, что попало на матрицу, записывается в файл. Но и эта система не идеальна: главным образом Foveon X3 страдает из-за высоких шумов. Дело в том, что идеально распределить получаемый свет по слоям крайне непросто, и некоторая часть света поглощается «чужим» слоем. Разумеется, изображение от этого не улучшается.  

Система 3CCD используется в видеокамерах, скажу о ней кратко – специальная призма делит свет на три составляющие и каждая матрица формирует свое изображение, объединяющееся в одно силами процессора.

Какие есть типы матриц

Существует два основных типа: ПЗС (прибор с зарядовой связью – Charge-Coupled Device, CCD) и КМОП (комплементарная структура «металл-оксид-полупроводник» – Complementary Metal-Oxide-Semiconductor, CMOS). Вдаваться в технические подробности я не стану – принципиальная разница заключается в методе снятия заряда со светочувствительного элемента сенсора. На тематических форумах можно прочесть не одну сотню страниц, написанных пользователями, которые пытаются доказать, что ПЗС лучше КМОП и наоборот. Если же взглянуть на механизм формирования изображения, становится ясно, что на цветопередачу влияют многие параметры и способ передачи электрического сигнала от пикселя к процессору – далеко не главный. Вы наверняка замечали, что разные модели фотокамер имеют свою фирменную цветопередачу и даже уровень шумов. При этом производителей матриц немного. Безусловным лидером считается компания Sony, чьи матрицы используют также Nikon и Pentax. Взгляните на необработанные JPEG от Pentax K10D, Nikon D80 и Sony A100. Характерные особенности картинки хорошо видны, несмотря на то, что во всех трех стоит один и тот же ПЗС-сенсор разрешением 10 Мп.

Да что там разные производители! Во времена сотрудничества Samsung и Pentax разница в изображении «клонов» была весьма значительной. Изображения, формируемые на 14-Мп матрице корейского производства более грамотно формировались в «родном» Samsung GX-20, нежели в Pentax K20D, поэтому и цветопередача была точнее, и шумы меньшими. Все это доказывает: гораздо важнее правильно обработать сигнал.

img

Последним доводом в пользу того, что ПЗС «круче» КМОП является то, что средний формат до последнего времени использовал только матрицы первого типа. Но это происходило скорее из-за того, что данный рынок развивается медленнее, ведь спрос на дорогущие и не универсальные среднеформатные камеры не исчисляется миллионами. А в нынешнем году КМОП пришел и в высший сегмент – именно эти матрицы установлены в Pentax 645Z, а также в цифровом заднике Phase One IQ250.

Сколько мегапикселей достаточно

Чем больше – тем лучше. В идеале, конечно. Ведь каждый пиксель – это дополнительная информация, которая повышает резкость, а в конечном итоге и детализацию. Но не все так просто.

Прежде всего, хочу разочаровать всех жаждущих заполучить фотокамеру с условными тремя мегапикселями и рабочими ISO 102400. Дело ведь не в том, что производители не хотят считаться с энтузиастами, которым не нужно сверхвысокое разрешение при отсутствии шумов. Такую матрицу сделать даже с современными технологиями непросто.

Но не надо расстраиваться! Прогресс не стоит на месте, и сегодняшние матрицы лучше прежних. Не верите? Хорошо, давайте рассмотрим вопрос во времени. Загляните на тематический форум, и вы найдете не один десяток сообщений, что, мол, новая 24-Мп камера – это уже слишком, вот есть же матрица с 14 Мп – на ней пиксели «жирные», а значит, лучше! Открываешь темы трех-пятилетней давности, где говорят: «Эх, наделали целых 14 Мп, куда столько? Лучше бы сделали новую 10-Мп, но с меньшими шумами». Восемь лет назад та же история наблюдалась при переходе от 6 Мп к 10 Мп. К чему это я? К тому, что, несмотря на рост разрешения, раньше камерой с матрицей формфактора APS-C можно было снимать на ISO 200–400, сегодня же я без опаски могу выставить и ISO 1600, а иногда и 3200. При этом следует учитывать, что, если снизить разрешение кадра с 24 до 6 Мп, шумы тоже снизятся, даже без применения дополнительных алгоритмов. Если добавить к этому возможность вырезать фрагменты кадра (если позволяет оптика) в значительно большей степени, нежели при низком разрешении, действительно получается, что чем больше пикселей, тем лучше. Главное, чтобы делали матрицы опытные инженеры, например, как в той же Sony.

Ключевые слова: цифровая фотокамера

Журнал IT-Expert № 05/2014    [ PDF ]    [ Подписка на журнал ]

Об авторах

Андрей Виноградов

Андрей Виноградов

Главный редактор журнала IT Expert. С 10 лет занимается фотографией, член жюри национальной премии «Продукт года». Любит путешествовать, бывать не только в излюбленных туристами районах, но и видеть жизнь обычных людей, впитывать дух этих мест.

Мероприятия

20.11.2018
Intel® Innovation Day – Осень 2018

Москва, Россия, г.Москва, Новинский бульвар, 8, стр.2 Лотте Отель Москва

20.11.2018
Oracle Cloud Day 2018

Москва, Технопарк «Сколково» Большой бульвар, д. 42, стр.1.

22.11.2018
Передача Audio, Video и KVM по IP: решения, опыт, истории успеха

Казань, пр. Фатыха Амирхана, 1A, комплекс «Казанская Ривьера».