Анатомия цифровой камеры: что унее внутри?
- Panasonic Lumix FZ1 В данной камере объединились цифровые разработки Panasonic и огромный опыт разработки оптических совокупностей Leica Camera AG. Объектив Leica DC VarioElmarit с 12-кратным зумом разрешает поддерживать светосилу F2.8 во всем диапазоне повышения. Неизменную четкость кадров снабжает встроенный оптический стабилизатор изображения. При всем наряду с этим вес камеры — всего 318 г
Коника KD-500Z Камера Коника KD-500Z делает снимки практически опытного качества.
- Секрет кроется в 5,23-мегапиксельной матрице, в первый раз примененной в камере для того чтобы формата. Превосходно трудится и электроника камеры: «шума» нет кроме того в светло синий канале, что совсем нетипично для камер для того чтобы класса. В общем, совершенная домашняя цифровая камера
Kodak DCS 14N Опытная камера со CMOS-матрицей, физический размер которой соответствует кадру 35-миллиметровой пленки, насчитывает 13,89 млн пикселей.
- Поднятый размер матрицы снимает необходимость пересчитывать несоответствие между полем зрения стандартных объективов, установленных на простой и цифровой камерах. Прекрасно подходит для портретной, свадебной и коммерческой фотографии
Сони DSC-U20 Миниатюрность всегда была коньком Сони.
- Разместив в корпусе размером с зажигалку полноценную цифровую камеру с разрешением 2 млн пикселей, японская компания мгновенно перевела фотоаппарат в разряд стильных аксессуаров — недаром алюминиевые корпуса малюток делаются различных цветов. Камера всецело автоматизирована, и исходя из этого съемка кадров либо мини-фильмов преобразовывается в одно наслаждение
- Canon EOS 10D Зеркальная камера Canon EOS 10D в корпусе из особо прочного магниевого сплава с 6,3-мегапиксельным направляться-сенсором и широкозонной 7-точечной автофокусировкой есть пределом мечтаний продвинутого фотолюбителя. Скорость работы процессора DIGIC разрешила довести число кадров в серии до 9 изображений полного формата при постоянной съемке со скоростью 3 кадра в секунду.
- В камере реализовано управление балансом белого, что вкупе с прочным магниевым корпусом делает камеру хорошим выбором и для специалистов
Nikon Coolpix SQ Цифровые камеры обязаны быть актуальными. Полностью этому утверждению соответствует Nikon Coolpix SQ, возможностью изменения напоминающий кубик Рубика. Не обращая внимания на забавный вид, Coolpix SQ — самый настоящий Nikon.
- Матрица в 3,1 млн действенных пикселей и трехкратный объектив Zoom Nikkor разрешают приобретать хорошие снимки в произвольных обстановках
Minolta Dimage Xi Не содержащая выступающих частей Dimage Xi, сохраняя компактные размеры, владеет оптикой, эквивалентной объективу с переменным фокусным расстоянием 37−111 мм для 35-миллиметровых фотокамер. 3,2 млн действенных пикселей разрешают делать прекрасные снимки.
- А очень эффектные прыжки со снежных карнизов возможно записать на видео — камера поддерживает 35-секундную видеозaпись
CMOS-сенсор
CCD
- Принципиальная схема работы цифровой камеры
Фундаментальный принцип работы фотокамеры не изменился со времен ее изобретения — лучи света, отраженные от фотографируемых объектов, фокусируются объективом камеры и создают уменьшенное изображение на плоской поверхности, расположенной на маленьком расстоянии от объектива. Но в случае если при классической камеры данной поверхностью выясняется кусок фотопленки, то в цифровой камере лучи падают на сенсор, задача которого — преобразовать поток фотонов (а им, фактически, и являются эти лучи света) в поток электронов, другими словами, попросту, в электрический ток.
После этого ток будет усилен, преобразован в комплект битов, обработан и, наконец, записан в память камеры. Сенсор разделен на так именуемые пиксели — ячейки размером в пара микрон, любая из которых несёт ответственность за регистрацию одной точки изображения. Традиционно пиксели имеют форму квадрата и собраны в «столбцы» и «строчки», так что сенсор обычно именуют «матрицей».
Главным материалом для того чтобы помогает краеугольный камень современной цивилизации, прячущийся в самых разнообразных предметов, от микросхем бытовой электроники до бюстов голливудских звезд, — кремний (он же силикон). Фотоны, падающие на поверхность сенсора, выбивают электроны с внешней орбиты атомов кремния, образуя несколько «электрон — дырка». Судьба неожиданно обретшего свободу электрона (его путь до усилителя) зависит от того, какой из двух распространенных на данный момент типов сенсора (CCD либо CMOS) употребляется в камере.
CCD
CCD (ChargeCoupled Device, он же прибор с зарядовой связью, ПЗС) сейчас есть самый распространенным типом сенсора. Как и соперничающая разработка (CMOS), он был создан Bell Laboratories в конце 60-x и изначально предназначался для применения в качестве компьютерной памяти. Но уже в начале 70-х показались первые коммерческие CCD-матрицы с разрешением, пригодным для применения в телевизионных камерах.
Принцип действия CCD основан на накоплении электронов, высвобожденных в следствии фотоэлектрического процесса, конкретно в пикселях матрицы (в так называемых «потенциальных ямах»), позже построчного перемещения зарядов, накопленных в этих ямах, на соседние строки (из этого и наименование разработки), а после этого — и на край матрицы. Строке, появлявшуюся с краю, подобным образом попиксельно сдвигают в один из углов, где заряды попадают на вход усилителя и преобразуются в электрический ток.
Как же устроены «потенциальные ямы» и как именно происходит сдвиг зарядов из ямы в яму? На поверхность кремниевой пластины сенсора наносится узкий слой окисла кремния, служащего диэлектриком, а за ним — слой металла (электрод), на что на протяжении «экспозиции» матрицы подается хороший потенциал. В следствии в прилегающем полупроводнике появляется электрическое поле, отталкивающее дырки и притягивающее свободные электроны.
Чем продолжительнее экспонировалась матрица и чем больше фотонов попало на отдельный пиксель сенсора, тем больше электронов скапливается в потенциальной яме этого пикселя. В случае если на электрод соседней строки матрицы будет подан больший потенциал, заряд переместится в соседнюю, «более глубокую» потенциальную яму. Так на протяжении считывания осуществляется перенос зарядов к краю матрицы и в сторону усилителя.
Усиленный сигнал попадает на вход аналогово-цифрового преобразователя (АЦП), а после этого уже подвергается цифровой обработке.
CMOS
Второй набирающей популярность разработкой изготовления сенсоров цифровых камер есть CMOS (Complimentary Metal-Oxide-Semiconductor, либо Комплиментарная Метал-Окисел-Полупроводник [схема], КМОП). В отличие от CCD, CMOS делает преобразование заряда в напряжение (другими словами усиление) конкретно в самом пикселе, а после этого снабжает прямой доступ к содержимому произвольного пикселя подобно тому, как это происходит в памяти компьютера.
Произвольный доступ к элементам изображения разрешает расширить скорость камеры при предварительном считывании, а за счет применения для того чтобы разработки, обширно используемой при производстве многих цифровых микросхем, CMOSсенсоры смогут быть интегрированы с другими компонентами цифровой камеры — АЦП а также процессором, делающим обработку изображения. К преимуществам CMOS возможно отнести намного более скромное энергопотребление, и компактность и дешевизну всей конструкции камеры, поскольку усилитель и АЦП как отдельные компоненты уже не необходимы.
Но до недавнего времени CMOS употреблялся лишь в самых недорогих камерах, потому, что он не имел возможности соперничать с CCD по качеству изображения: благодаря тому, что любой пиксель пользуется собственным усилителем, в результирующей картине был заметен изрядный разнобой. Да и с чувствительностью матрицы появлялись неприятности, поскольку за счет обилия электроники на матрице оставалось не так уж и много места для фактически светочувствительных элементов.
Но возросшее уровень качества производства кремниевых пластин, улучшенная схема усилителя и продвинутые разработки подавления шумов в наше время разрешают CMOS-сенсорам в полной мере удачно соперничать по качеству с CCD. Так что кроме того Canon пара лет назад отважился производить цифровые «зеркалки» опытного уровня (D-30, а сейчас D-60 и D-10) на базе CMOS-сенсоров.
Как легко представить, чем больше расстояние от центра кадра, тем меньше угол, под которым лучи света падают на поверхность сенсора, а под прямым углом лучи попадают на сенсор только в центре кадра. Простая фотопленка не особенно чувствительна к углу падения света, а вот при сенсора это критично. Так что производителям некоторых матриц и тут приходится идти на изрядные ухищрения, располагая над каждым из пикселей микроскопическую линзочку, фокусирующую луч света в необходимое место и под верным углом.
Появляется цвет
Любой из обрисованных выше сенсоров сам по себе — устройство монохромное. Чтобы сделать матрицу чувствительной к цвету, на поверхность пикселей наносятся миниатюрные светофильтры из «главных» цветов. Самый распространен шаблон Байера, в котором расставленные в шахматном порядке зеленые пиксели чередуются с светло синий и красными (см. рис.).
То, что зеленых пикселей вдвое больше каждого из остальных двух цветов, разъясняется повышенной чувствительностью людской глаза к зеленому цвету, и тем фактом, что зеленый самый значительно влияет на субъективную резкость картины. Так, в 3мегапиксельной камере матрица насчитывает 1,5 млн зеленых пикселей и по 750 тыс. светло синий и красных. Как же камере удается обеспечить на выходе картину, в которой 3 млн полноцветных пикселей?
Процессор камеры применяет интерполяцию, чтобы по интенсивности соседних пикселей другого цвета вычислить нехватающую цветовую данные для каждой точки картины.
Кое-какие камеры в состоянии выдавать картины с разрешением, превышающим настоящее разрешение сенсора. Откуда берутся лишние пиксели, вы, возможно, уже начали догадываться. Как и при с цветами, они получаются в следствии интерполяции. Многие не без оснований считают, что таковой подход увеличивает не уровень качества картины, а размер файла.
Так как дополнительной информации от этого не появляется, а расширить количество пикселей в картине вы имеете возможность и сами, вашим любимым графическим редактором.
Еще одна занятная неоднозначность, которую вы довольно часто имеете возможность подметить в технических чертях камеры, — это маленькое расхождение между «номинальным» и «рабочим» числом пикселей сенсора. В большинстве случаев, отличие не превышает 5%, так что чуть ли значительна на практике, но обычно не дает спокойствия любопытству. Обстоятельств тому, что не все пиксели матрицы выясняются рабочими, пара. Во-первых, при изготовлении сенсора неизбежны микроскопические недостатки.
Также, часть пространства матрицы камера применяет для служебных целей — к примеру, для определения величины «чёрных токов».
Все не так легко
Принято вычислять, что уровень качества картины «цифровика» в первую очередь зависит от количества пикселей на сенсоре. Этот параметр изготовитель гордо пишет на лицевой панели камеры, да и в разнообразные сравнениях и обзорах эту цифру вычисляют определяющей класс камеры. Частично такое вывод оправдано, поскольку чем на большее количество пикселей разбит кадр, тем больше подробностей он передает и тем более быстро смотрится снимок.
Но «» сенсор на большее количество пикселей — это отнюдь не решение проблемы качества, поскольку при одном и том же размере матрицы чем больше на ней пикселей, тем меньше любой из них. А с уменьшением размера пикселя падает и его чувствительность, поскольку и света на него попадает меньше.
Так, сигнал придется еще больше усиливать, а при усилении вместе с нужным знаком усилятся и вредные шумы, появляющиеся в матрице по бессчётным обстоятельствам, — это и без того именуемые «чёрные токи», другими словами заряд, снимаемый с матрицы кроме того при отсутствии освещения, и тепловые помехи от греющихся на протяжении работы камеры микросхем, и электроны, залетевшие на соседний пиксель на протяжении экспозиции либо «заблудившиеся» при считывании. Исходя из этого одним из самые существенных формальных показателей, определяющих уровень качества цифровой камеры, есть динамический диапазон, выражающийся в децибелах и подсчитывающийся как 20 х log10 х (большой уровень сигнала / уровень шумов). Определенные выводы возможно сделать и из размера матрицы. К примеру, уровень качества снимков уже упомянутого 3-мегапиксельного Canon D-30 заметно превосходит многие современные 5-мегапиксельные мыльницы, и это не обращая внимания на CMOS-сенсор! (Справедливости для нужно подчернуть, что D-30 и стоит недешево.)
Мозг
Обсудив столь детально «сердце» камеры, ее сенсор, давайте сейчас перейдем к «мозгу», другими словами к процессору. Его роль сводится к тому, дабы сделать из информации об интенсивности отдельных пикселей, выходящей из аналогово-цифрового преобразователя, прекрасную картину. В первую очередь, для этого нужно вернуть данные о цвете и, в некоторых случаях, повысить разрешение картины за счет интерполяции.
Предстоящая обработка может включать коррекцию баланса белого, контраста и яркости, и разные зрительные эффекты — к примеру, тонирование изображения либо кроме того исправление недостатков оптики за счет программного повышения резкости. Завершающей стадией обработки есть сжатие картины — очевидно, чтобы в память камеры помещалось больше снимков. От объёма процессора и быстродействия камеры буферной памяти зависит «скорострельность» камеры, другими словами то, как скоро вы имеете возможность снять серию снимков и какое количество кадров камера успеет снять перед тем, как прочно задумается.
Пиксель за пиксель
Как уже упоминалось, считается, что количество мегапикселей в камере определяет ее класс, а за ним и ценовую категорию. Исходя из этого при покупке вы, быть может, озадачитесь вопросом: «А какое количество мегапикселей необходимо для счастья?». Ответ на данный вопрос, непременно, зависит от того, что вы планируете делать со снимками.
В случае если ваша задача — их на веб либо отправить приятелям по email, вам, вероятнее, подойдет кроме того мегапиксельная камера. На мониторе все равно большое количество не рассмотришь, да и миллион пикселей — это приблизительно столько, сколько в большинстве случаев помещается на экране компьютера. Но привычный процесс рассматривания бумажных фотографий владеет какой-то особой притягательностью, так что не все готовы променять его на кликанье мышкой в браузере.
И, вероятнее, непременно вы захотите придать осязаемую форму своим цифровым творениям. Приличное уровень качества печати подразумевает разрешение 300 точек на дюйм, так что для простых отпечатков 10×15 потребуется изображение размером уже практически 1800×1200, другими словами приблизительно 2 мегапикселя. А вдруг учесть вероятность скадрировать разные погрешности и снимок при последующей компьютерной обработке, то 3 мегапикселя кажутся более уместными.
В случае если же вас греют мысли о возможности повесить на стену отпечаток громадного формата, то вам в пору призадуматься о покупке камеры с громадным разрешением, а вместе с этим, и о том, окупят ли удобства цифровой обработки отличие в цене между приличным «цифровиком» и хорошей пленочной камерой.
Объектив
С приближением качества и увеличением сенсора его разрешающей способности к пленке самый важным для получения хорошей фотографии компонентом камеры делается объектив. К счастью, довольно большая цена «цифровиков» разрешает практически всем изготовителей не экономить на оптике. К тому же, формат кадра у цифрового фотоаппарата в большинстве случаев намного меньше, чем у пленочного, так что и оптика требуется более скромных размеров, соответственно, и более недорогая.
Исходя из этого компактным цифровым камерам обычно достаются объективы с хорошей светосилой и приличным качеством. Многие именитые изготовители электроники, не имеющие собственного опыта разработки объективов, производят «цифровики» с оптикой известных компаний. К примеру, Panasonic ставит объективы от Leica, Сони — от Сarl Zeiss, Fuji — от Nikon, а Casio — от Canon. Одним из главных параметров объектива есть фокусное расстояние: от него зависит увеличение объектива и угол зрения.
С легкой руки компании Leitz, вот уже более чем полвека большая часть фотографов снимают на 35-миллиметровые камеры и в далеком прошлом уже привыкли к фокусным расстояниям объективов, рассчитанных на формат кадра 24×35. Так, объективы с фокусным расстоянием 50 мм имеют угол зрения как у людской глаза. 28−35 мм — хорошие широкоугольные объективы, удобные для съемки пейзажей, и устанавливаемые на большая часть «мыльниц». 85−135 мм — длиннофокусные объективы, самые подходящие для портретов.
300−500 мм — телевики, в большинстве случаев применяемые для удаленной съемки футбола, важных персон и диких животных. Как уже упоминалось, формат кадра цифровых камер намного меньше, исходя из этого и фокусные расстояния в том месте фигурируют совсем другие. Но дабы не создавать путаницы, изготовители довольно часто показывают аналог фокусного расстояния для 35-миллиметрового кадра.
К примеру, настоящее фокусное расстояние зума у Minolta Dimage 7 — от 7,2 до 50,8 мм, а подобный объектив для 35 мм имел бы фокусное расстояние от 28 до 200 мм (другими словами, по сравнению со стандартным объективом 50 мм, он снабжает четырехкратное повышение и практически двукратное уменьшение изображения). Многие изготовители встраивают в камеру функцию «цифрового зума» — попросту, возможность забрать кусок изображения из центра матрицы и «растянуть» его до размера всего кадра в ходе цифровой обработки.
Как и при интерполяционного повышения разрешения камеры, практическая полезность таковой функциональности очень мала, поскольку любой графический редактор справится с этим никак не хуже камеры. Опытные цифровые камеры допускают установку сменных объективов со собственных пленочных аналогов. Но сенсоры с размером полноценного пленочного кадра (24×35 мм) показались только сравнительно не так давно, да и стоят ощутимо дорого кроме того для опытной техники.
До недавнего времени в большая часть зеркалок устанавливали матрицы размером 15×22 мм, так что фокусное расстояние простых объективов машинально возрастало в 1,6 раза. Что, с одной стороны, кроме того хорошо, потому как делало более дешёвыми дальнобойные телевики, но, иначе, фактически лишало фотографов «сверхширокоугольных» объективов.
Пленка не сдается
Не обращая внимания на бессчётные плюсы цифровой фотографии, пленка все еще не совсем сдала собственные позиции. время и Скорострельность реакции на спуск затвора кроме того у опытных цифровых камер не смогут сравняться с многими пленочными моделями любительского уровня. В некоторых условиях ветхие механические камеры оказываются единственным ответом, поскольку не требуют зарядки.
А если вы едете в путешествие с цифровой камерой, вам нужно будет подумать не только о том, где и от чего ее заряжать, но и о ноутбуке либо хорошем запасе недешевых цифровых носителей, дабы было где складировать отснятые кадры. Если вы продвинутый фотолюбитель, то цифровая техника снабжает для вас далеко не лучшее отношение «цена — уровень качества».
Беря кроме того хорошую цифровую камеру (около $1000), вы вынуждены ограничиваться серьёзными неудобствами и несменным объективом ручной фокусировки. Тогда как за те же деньги имели возможность бы приобрести очень важную пленочную «зеркалку» с парой хороших объективов.
И все же непременно «цифра» победит — победят оперативность получения снимков, отсутствие затрат на пленку и неудобств, которые связаны с ее проявкой, надёжность и компактность камеры (так как возможно обойтись без механического затвора и прыгающего зеркала). А основное — победит возможность обрабатывать и печатать собственные снимки самому, без всех неудобств, которые связаны с фотохимическим процессом, и не прибегая для этого к помощи «минилабов».
Fuji SuperCCD
Еще одно занимательное отклонение от классических схем построения сенсора представляет собой разработка Fuji SuperCCD. В отличие от простых матриц, SuperCCD складывается из 8-угольных пикселей, расположенных в порядке, напоминающем пчелиные соты.
Таковой подход разрешает, за счет повышения диагонального расстояния между пикселями, сократить вертикальное и горизонтальное расстояния, соответственно, делать более действенную интерполяцию при преобразовании в стандартные графические форматы файлов, поскольку в них пиксели находятся в виде прямоугольной матрицы. Fujifilm заявляет, что для 3,3-мегапиксельной камеры интерполяционное разрешение образовывает аж 6 мегапикселей, другими словами возрастает практически в два раза.
Foveon
В конце прошлого года компания Sigma наконец выпустила объявленную еще недавно цифровую «зеркалку» SD-9 с матрицей компании Foveon. Размещение пикселей в матрице Foveon X3 разительно отличается от классической байеровской схемы и больше напоминает простую цветную пленку. Матрица складывается из трех слоев пикселей: сверху — светло синий, после этого — зеленые и наконец — красные.
Так что не обращая внимания на то, что горизонтальные размеры матрицы (2300×1500) соответствуют 3,4 мегапикселям, матрица содержит более 10 мегапикселей и снабжает заметно лучшее уровень качества, чем классические 6мегапиксельные сенсоры.
Баланс белого
- Так устроена хорошая байеровская матрица — больше всего зеленых, красных и светло синий поровну
Правильные цветовые характеристики замечаемых нами объектов зависят
не только от особенностей их поверхности, но и от спектрального состава света, что эти объекты отражают. А свет не редкость весьма и весьма различный: броское солнце в зените, багряное солнце на закате, лампы накаливания и люминесцентные лампы — все эти источники порождают свет различной «цветовой температуры».
Цветовая температура — это черта спектрального состава света, которая показывает, до какой температуры нужно нагреть полностью тёмное тело чтобы оно начало излучать свет с подобным спектром. К примеру, цветовая температура лампы накаливания — 3200 K, а дневного солнца — около 5500 K. Человеческий глаз скоро адаптируется к изменяющимся условиям освещения, и исходя из этого белый лист бумаги для нас останется белым фактически при любом освещении.
Но, в случае если вам случалось снимать на пленочную камеру без вспышки, но при неестественном освещении, вы, быть может, подмечали, что все предметы получаются на снимках желтоватыми либо зеленоватыми. Опытные фотографы в таких случаях вынуждены использовать особую пленку либо конверсионные светофильтры, а пользователям цифровых камер в большинстве случаев достаточно настроить баланс белого в камере, и тогда она сама выполнит поправку на освещение.
Статья размещена в издании «Популярная механика» (№8, июнь 2003).
<
h4>