Пятница
07.08.2020
03:09
 
FO+O MiR
 
Приветствую Вас Гость Главная страница | | Регистрация | Вход
Меню сайта
Мини-Чат
Наш опрос
Оцените мой сайт
Всего ответов: 205
Пожертвования
Помоги сайту.
ЯндексЯндекс. ДеньгиХочу такую же кнопку
 
Матрицы цифровых камер

Главный элемент цифровой фотокамеры - матрица, она же сенсор, она же массив светочувствительных элементов (профессионалы еще называют их ячейками, а любители - попросту пикселами, по аналогии с пикселами монитора). Собственно, как раз матрица и фиксирует изображение в цифровой камере.

От матрицы зависит и качество снимков, и цена цифрового фотоаппарата: обычно стоимость матрицы достигает половины стоимости самой камеры. Кстати, даже развитие цифровой фотографии в целом зависит от скорости разработки и качества производства новых, все более совершенных матриц-сенсоров .

Матрица по конструкции чем-то напоминает сетчатку человеческого глаза. Несмотря на высокую точность используемых в ее производстве технологий, каждаяматрица по-своему уникальна. Двух совершенно одинаковых матриц не бывает, а это значит, что не бывает и двух совершенно идентичных камер. Попрактиковавшись, вы постепенно изучите характер своей камеры и будете знать ее особенности гораздо лучше, чем разработчик с производителем вместе взятые.

Посмотрите, что говорится в технической характеристике вашей камеры о ее матрице. Аббревиатура CCD означает Charge Coupled Device - прибор с зарядовойсвязью (П3С). Из таких приборов (из П3С-элементов) состоят наиболее распространенные сегодня светочувствительные матрицы.

П3С-элемент (рис.1) - это полупроводниковый прибор с вмонтированными в него проводниками. Матрица ПЗС

Рис.1: Матрица ПЗС

Примечание

Одно время казалось, что засилью ПЗС-матриц на рынке скоро настанет конец и их сменят КМОП-матрицы - комплементарные металл-оксидные полупроводники (Соmрlеmепtагу Metal Oxide Sеmiсопduсtогs, CMOS), или матрицы из активных точечных сенсоров, то есть оптических транзисторов CMOS APS - Active Pixel Sепsог (рис.2). В матрицах ССО информация из ячеек считывается последовательно, поэтому сделать следующий снимок можно только после того, как предыдущий сформирован целиком. Из ячеек же матриц CMOS информация считывается индивидуально, поэтому ееможно использовать не только для фотосъемки, но и для экспонометриии работы автофокуса. Матрицы CMOS недорогие и потребляют меньшеэнергии
Матрица CMOS

Рис.2: Матрица CMOS

Многие считали, что революция матриц уже на пороге, так как производство CMOS-сенсоров весьма близко к технологии создания компьютерныхсхем. В отличие от ССD-матриц, которые выпускают небольшими партиями, производство СМОS-матриц позволяет применить технологии массового, поточного производства. Но революция так и не наступила, так как выяснилось, что производство ССD-матрицы проще и экономичнее, а принятый ею сигнал содержит гораздо меньше шумов и проще обрабатывается. К тому же компания Sопу вскоре выпустила недорогие ССD-матрицы, которые потеснили СМОS-технологии. С этих первых ССD-матриц и началсявсемирный бум мегапиксельных камер. Сенсоры CMOS сегодня при меняются лишь в веб-камерах для передачи изображения через Интернет, а такжев недорогих и примитивных фотоаппаратах.



Производство ССD-матриц развивается так стремительно, что изображение в миллион пикселов, еще совсем недавно казавшееся фантастикой, сегодня устраиваетразве что начинающих фотографов-любителей, да и то не всех. Профессионалы жеиспользуют камеры с разрешением 8-1 О млн пикселов - и это вовсе не предел, хотя современные цифровые фотоаппараты и без этого достигли почти фотографического качества.


Заметим, что глаз человека даже на фотографии формата А5 различает всего около 3 млн пикселов. Но к полиграфическому изображению, а также к изображениям больших форматов предъявляются совсем иные требования, нежели к любительским фотографиям стандартных размеров.


Выбирая цифровую камеру, неплохо бы поинтересоваться и прочими техническими характеристиками светочувствительной матрицы, или сенсора. Скажем, физическим размером матрицы определяется качество камеры (этот размер принятоизмерять в дюймах по диагонали).


Чем сенсор больше, тем больше он содержит ПЗС-элементов, тем больше его разрешение и, следовательно, тем выше качество получаемых фотографий. Размерыматрицы принято обозначать в виде дроби: например, 1/3,2 дюйма или 1/2,7 дюйма. Не вдаваясь в подробности, скажем, что дюймы здесь не совсем обычные, и длясравнения размеров достаточно знать, что сенсор с диагональю 1/3,2 больше, чем сенсор с диагональю 1/1,8. Словом, чем больше знаменатель такой дроби, тем больше диагональ матрицы.


Примечание

Очень трудно понять, что эти размеры обозначают: длину какой-то стороны, длину диагонали матрицы или что-то еще. Подобный "зашифрованный" способ обозначения размеров светочувствительных матриц идетеще с 1950-х годов.


Чтобы перевести дюймовые единицы во всем понятные миллиметры, необходимы специальные таблицы. Но и этого мало. Следует учесть, чтоу матриц с разными длинами сторон длина диагонали бывает одна и та же. Так что точная информация о габаритах светочувствительного элемента известна лишь производителю, а также тем, кто интересуется специальной информацией с профессиональными целями.



Чем больше линейные размеры матрицы, тем она дороже. Сенсоры, которые устанавливаются в профессиональные камеры, даже при меньшем разрешении стоят дороже применяюшихся в любительских камерах. При этом некоторые производители при переходе в новой камере с трех- на четырехмегапиксельную матрицу оставляют ее линейные размеры прежними. Покупатели, разумеется, обращают вниманиена количество мегапикселов, а об уменьшении размера каждого из П3С-элементов обычно не знает никто (за исключением немногих специалистов). Возможно, поэтому многие производители в характеристиках любительских цифровых камер не указывают физических размеров светочувствительной матрицы.


С физическим размером матрицы связана ее важнейшая характеристика - разрешение. Разрешение матрицы цифровой камеры еще совсем недавно выражалив тысячах пикселов. Однако с распространением сенсоров высокого разрешениястало принято характеризовать разрешение матрицы количеством мегапикселов. Сегодня наиболее распространены двух- и трехмегапиксельные любительские камеры. Вне всякого сомнения, в ближайшем будущем их сменит еще более совершенная техника с матрицами большего размера и разрешения.


Сенсор с разрешением меньше 2 мегапикселов не позволяет делать снимки приемлемого качества в стандартном формате 10 х 15 см. Следовательно, тому, ктожелает заняться любительской фотографией (или сменить пленочный фотоаппарат на цифровой), лучше покупать камеру с разрешением не менее 2 мегапикселов.


Совет

Меньше - не имеет смысла, а вот больше весьма желательно. Например, снимок, сделанный пятимегапиксельной камерой, можно распечатать в формате АЗ без видимой потери качества. Выбирая камеру, учитывайте, чтолишних мегапикселов не бывает!



Чем значительнее размер матрицы в пикселах, тем лучше. Но имейте в виду, что с увеличением количества П3С-элементов матрицы стоимость камеры увеличивается значительно быстрее, чем ее линейные размеры. Это объясняется тем, чтопомимо размера матрицы в пикселах существует такая характеристика, как такназываемый эффективный размер, то есть количество элементов, непосредственно участвующих в регистрации изображения. Не вдаваясь в излишние технические подробности, скажем, что с увеличением размера матрицы отношение ееэффективного размера к общему постепенно уменьшается.


Следующая характеристика сенсора цифровой камеры - его динамический диапазон. Динамический диапазон светочувствительной матрицы - это ее -способностьвоспринимать градации каждого цвета. Проще говоря, динамический диапазонопределяет, какое количество ступеней разности контраста может .увидеть!> и зафиксировать матрица. Если идти от аналогии с фотографической пленкой, то можно сказать, что динамический диапазон сенсора соответствует показателю фотографической широты пленки.


Динамический диапазон измеряется в условных единицах, а для наглядности может быть определен как отношение сигнала к шуму. В качестве эталонного показателя динамического диапазона приняты градации нейтрального серого цвета. При сегодняшнем уровне цифровой фототехники динамический диапазон самого совершенного сенсора лишь приближается к динамическому диапазону фотопленки.Динамический диапазон связан с другим показателем - глубиной цвета, или его разрядностью. Глубиной цвета называется количество битов, описывающих цвет одного пиксела.


Еще одна характеристика светочувствительной матрицы - уровень шумов. Цветовой шум на снимке проявляется в виде цветных ореолов на границах резких переходов света к тени, беспорядочных цветных черточек или пятен в темных областях изображения и цветовых искажений. Матрица меньших размеров при том жеколичестве мегапикселов обычно дает более "шумные~ снимки. Дорогие, проФессиональные камеры снабжены большими и малошумными сенсорами, а дешевые маленькими и относительно шумными.


Примечание

Физический размер матрицы напрямую влияет на качество фотоснимков. Чем матрица меньше, тем меньшим количеством света будет сформировано изображение и тем менее натуральными будут его цвета. Особенноэта ненатуральность будет проявляться при плохом или искусственномосвещении. С шумами и с другими искажениями можно побороться с помощью графических редакторов. Но главный и неустранимый недостатокмаленьких матриц - неестественность цветов и так называемый сдвигбаланса белого, то есть потеря плавности и естественности переходовмежду оттенками.



в общем, как характеризуются матрицы, более или менее ясно. Теперь посмотрим, как матрица преобразует то, что подает на нее объектив, в нули и единицы цифрового файла.


Преобразование света в цвет, а цвета - в цифру



Поговорка "Темной ночью все кошки серы" появилась еще до того, как медицинестало известно устройство человеческого глаза. Сегодня биологи знают, что глазчеловека содержит два вида светочувствительных рецепторов - 'Колбочки и палочки. Колбочки отвечают за цветовое восприятие глаза, при этом часть из них реагирует на красно-оранжевые лучи, чаць - на зеленые, а часть - на синие. Палочекгораздо меньше, чем колбочек, и различать цвета они не могут. Зато они намноголучше воспринимают слабый свет и, таким образом, обеспечивают зрение в сумерках и ночью. Следовательно, ночью кошки серы оттого, что ночью колбочкамне хватает света и глаз хуже различает цвета.


Светочувствительная матрица цифровой камеры воспринимает мир черно-белым. Каждый ПЗС-элемент матрицы работает наподобие фотоэкспонометра (рис.3), причем электрический сигнал, вырабатываемый элементом, зависит только от интенсивности светового потока.


Стоение ПЗС элемента

Рис.3: Стоение ПЗС элемента.

Но как же этот единственный фактор позволяет создавать цветное изображение? А никак не позволяетl Состоящий из ПЗС-элементов сенсор воспринимает изображение только в черно-белом свете, подобно палочкам человеческого глаза, с той разницей, что для него 4все кошки серы. не только ночью, но и днем. А цвет изображений, сделанных с помощью цифровой камеры, появляется лишь благодаря цифровой обработке, которой процессор камеры подвергает зарегистрированный матрицей свет.


Вот, кстати, и еще одно отличие цифровой камеры от обычной: пленочные камеры только снимают изображение на пленку, а его обработка и хранение происходят в ином месте. Цифровая же камера получает и фиксирует изображение, обрабатывает его и хранит.


Что же дальше? Простая в обращении, цифровая камера имеет очень сложное внутреннее устройство. Сенсоры, как уже говорилось, воспринимают окружающий мир черно-белым. Как же лишенное цветов изображение преобразуется в цветное? Вот здесь-то и начинаются сложности.


Мы уже знаем, что ССD-матрица - это массив светочувствительных ПЗС-элементов. А каждый элемент матрицы - это группа полупроводниковых, точнее, фотодиодных датчиков. Вспомним, что такой датчик создает одну точку получаемого изображения (пиксел), и посмотрим, какая информация формирует его. Датчик преобразует оптический сигнал в электрический и ПО крыт красным, синимлибо зеленым светофильтром. Светофильтры заставляют конкретный датчик настроиться на определенный цвет.


Все элементы, или датчики, сгруппированы по три или по четыре штуки. Причем в группе из четырех один датчик всегда оказывается с красным светофильтром, один с синим и два с зеленым. Так сделано потому, что человеческий глаз наиболее чувствителен именно к зеленому цвету. Эта схема расположения датчиков соответствует так называемому шаблону Байера и называется моделью RGB (от англ. Red, Green, Blue - красный, зеленый, синий) (рис.4).


CCD-матрица с использованием шаблона Байера
Рис.4: ССD-матрица с использованием шаблона Байера

Каждый датчик ССD-матрицы про пускает на ПЗС-элемент собственную цветовую составляюшую. При этом ячейка получает информацию о яркости, а ее позиция говорит о цвете пиксела (точечного элемента изображения).


Итак, светочувствительная матрица получила от ячеек информацию в виде электрических сигналов. Следующий этап - преобразование электрического сигнала в цифровые значения, а затем сохранение массива этих значений в памяти. Таким образом, информацию об уровне освешенности элементов матрицы фотокамера храниткак последовательность чисел, каждое из которых отражает состояние одногоПЗС-элемента. Именно потому электронная фотография называется цифровой.


Процесс преобразования массива значений матрицы в графический файл идет следующим образом.


1. Сначала сигнал каждого ПЗС-элемента преобразуется в 24-битное "слово", передающее две степени, или около 16 млн oттeнков. Это так называемое nсевдоцветное изображение.


2. Затем, чтобы получить цветное изображение, производится интерполяция, в ходе которой по определенному алгоритму рассчитывается цветовое значение каждого пиксела. Для этого программное обеспечение камеры анализирует все три массива цветовой информации, сопоставляя значения смежных элементов и рассчитывая их "настоящий., итоговый цвет.


З. Компьютер вычисляет цвет пиксела, который должен появиться между теми смежными с ним, данные о которых уже имеются. Этот процесс называется цветовой интерполяцией. Качество изображения тем выше, чем выше точность интерполяции.


4. В конце концов, формируется сжатый математический образ всего кадра в формате )PEG. Этот формат поддерживают практически все любительские камеры, так как он эффективнее всех сжимает снимки в маленькие файлы (в общем случае - до 6 Мбайт). Алгоритм записи изображения в другом форматепринципиально не отличается от описанного, но его количественные характеристики могут отличаться от приведенной.


Примечание

В упрощенном виде схему интерполяции цвета можно описать следующим образом. Предположим, в группе имеется синий пиксел, окруженный четырьмя зелеными и четырьмя красными. Программа вычисляет среднеезначение зеленых пикселов: верхнего и нижнего, левого и правого. По этимдвум средним значениям вычисляется третье, которое и присваиваетсясинему пикселу как его зеленая составляющая. Эта же последовательность повторяется с красными пикселами, окружающими синий. В результате синий пиксел становится полноцветным.



Цвета на снимках, полученных с матриц большего физического размера, обычно чище, а переходы между ними выглядят естественнее. Но полученные при естественном освещении любительские Фотографии, отпечатанные в формате 1 О х 15 мм, тоже обладают очень неплохим качеством, даже если они сделаны недорогой двухмегапиксельной камерой.


Зато у матриц малого физического размера есть одно преимущество перед большими - они обеспечивают большую глубину резкости (размер четко изображаемого пространства снимка "вглубъ" ). Это является отличным подспорьем при съемKe пейзажей и макросъемке, то есть фотографировании мелких предметов вблизиобъектива (обычно цветов или насекомых).


Профессионалы, занимающиеся студийной съемкой, считают большую глубину резкости недостатком. Но для любителя, !юторый делает "живые~ кадры реальной жизни без всяких манипуляций с фоном и освещением, большая глубина резкости является достоинством, значение которого трудно переоценить.


В настоящее время имеется тенденция к вытеснению матриц с однослойными сенсорами и делением цветов по принципу шаблона Байера матрицами с многослойными сенсорами. Элементы многослойных сенсоров образуют три уровня и воспринимают все требуемые для создания полноцветного изображения цвета красный, синий и зеленый) одновременно. Каждый пиксел такой матрицы (рис.5) воспринимает цветовые составляющие, поэтому матрица сканирует изображение толькоодин раз. Следовательно, времени для экспозиции требуется гораздо меньше, а интерполяция становится не нужна.


<Эта конструкция дает возможность точнее определить глубину проникновения цвета в сенсор, вследствие чего позволяет получать гораздо больше информации, чем датчики, сгруппированные по шаблону Байера. Следовательно, многослойная матрица при тех же физических размерах обеспечивает более высокое разрешение изображения.


Схема трёх слойной матрицы
Рис.5: Схема трёхслойной матрицы.

Постепенно выяснилось, что при одинаковом разрешении и равных габаритах матрицы, построенные по схеме Байера, обладают большей глубиной, чем 4слоеные "сенсоры". А это означает, что их динамический диапазон шире.

Человеческий глаз устроен таким образом, что яркость для него важнее, чем цвет. Вряд ли кто-нибудь назовет удачным снимок с идеальной цветопередачей, если его освещенные участки состоят из белых пятен, а затененные - из черных.

Примечание

И все же профессиональные фотографы и сегодня предпочитают пленку и фотобумагу, так как "традиционным" способом получаются изображения несравнимо более высокого качества. Даже самый миниатюрныйПЗС-элемент светочувствительной матрицы намного крупнее зерна самой крупнозернистой фотопленки. А в наиболее популярных моделях цифровых камер каждый элемент сенсора в свою очередь состоит из трехПЗС-элементов, каждый из которых отвечает за свой цвет. Получается, чтоэлемент матрицы втрое крупнее единичного элемента, и это еще большеувеличивает разницу в качестве "пленочного" И цифрового изображений. Кроме того, физический размер сенсоров меньше, чем стандартный кадр пленки размером 24 х 36 мм. Словом, если самые лучшие профессиональные цифровые камеры обеспечивают разрешение снимка до 1 О мегапикселов, то традиционные фотоаппараты выдают изображения с разрешением 100 мегапикселов. ДЛя изображений полиграфического качестваих разрешение имеет критическое значение.



У матрицы есть и другие пороки. Высокоточное и абсолютно чистое производство светочувствительных матриц до сих пор не в состоянии обеспечить стопроцентную работоспособность формирующих сенсор элементов. Дело тут не в дефектахтехнологии, а в том, что каждый элемент настолько мал, что на его качестве сказывается молекулярное строение - из-за этого его способны вывести из строя даженесколько случайных посторонних молекул.


Получается, что практически в каждой матрице есть несколько неработающих элементов. Этот неизбежный дефект называют битыми пи'Ксела.ми. Обнаружить битые пикселы практически невозможно (разве что если они случайно оказываютсяобъединены в группу).


Совет

При покупке цифровой камеры обязательно нужно проверить ее на битые пикселы. Это можно сделать следующим образом. Раз вы собрались покупать цифровую камеру, вам, скорее всего, придется приобрести к нейкарту памяти, так как производители комплектуют камеры минимальнымобъемом встроенного носителя информации. Попросите у продавца разрешение сделать несколько тестовых снимков с использованием вашейсобственной карты. Снимки лучше делать, закрыв объектив крышкой, если она есть. Если же конструкция камеры не предусматривает возможности закрывать объектив крышкой (это часто бывает с камерами-автоматами), то сфотографируйте какой-нибудь темный предмет. Снимать нужно с выдержкой, равной1 секунде (конечно, если камера в принципе позволяет устанавливать выдержку вручную). Лучше, если в помещении при этом будет темно. Запишите серийный номер камеры и попросите продавца отложить ее для вас. Сделанный снимок просмотрите в масштабе 1: 1 на компьютере (на собственном или у знакомых). То, что выглядит яркими точкамина темном фоне, и есть результат работы, или, точнее, бездеятельностибитых пикселов. Чем их меньше, тем лучше конкретный экземпляр матрицы. Если вы готовы мириться с двумя-тремя битыми пикселами, проявляющимися при большой выдержке и незаметными при меньших значениях выдержки, то все в порядке. Но если в кадре появились яркие точки дажепри выдержках 1/100 и короче, то от этой камеры лучше отказаться. Еслина снимках, сделанных уже купленной камерой при коротких выдержках, видны десятки стопроцентно ярких битых пикселов, то это веская причина вспомнить о гарантии на камеру.



Разумеется, производители матриц хоть сегодня могут ужесточить критерии контроля качества раз этак в 1 О - вот только конечная стоимость их продукции приэтом возрастет примерно во столько же раз.Мы уже говорили о том, что вы заплатили за матрицу примерно половину стоимости цифровой камеры. А сколько бы стоила камера с матрицей повышенного качества? Как минимум вдвое дороже.


Совет

Порой при чтении характеристик камеры можно обнаружить, что максимальное разрешение фотографий, которые она позволяет делать, выше количества пикселов в ее матрице. Эти заявления следует пони мать точно так же, как и все слова продавцов, расхваливающих свой товар. На самом деле повышенное разрешение достигается программной интерполяцией, при которой недостающая информация синтезируется на основезначений яркости соседних пикселов. Количество пикселов и, следовательно, разрешение таким образом увеличиваются, а вот качество изображения - нет, потому что добавленияинформации к той, что уже имеется, не происходит! Файл "разбухает", а снимок выглядит нерезким из-за размытых границ объектов. Поэтому если в камере имеется функция интерполяции, то лучше ее не использовать. Снимок от этого лучше не станет.



Светочувствительная матрица - не только самый сложный и дорогой элемент цифровой камеры, но и самый уязвимый. Из-за электрохимического износа матрица стареет и теряет светочувствительность. Тут уж ничего не поделаешь. Но срокжизни вашей камеры можно продлить, если уберечь ее "глаз" И ~cepдцe" от вредных внешних воздействий.


Больше всего матрица боится низких температур. Пленочная камера будет работать даже на 40-градусном морозе, а цифровая камера - нет. Даже при -10.С светочувствительность сенсора цифровой камеры может существенно уменьшиться. Кроме того, на морозе вы вряд ли сможете воспользоваться жидкокристаллическим экранчиком камеры как видоискателем: изображение на нем моментальностанет очень светлым и мало контрастным.


Могут пострадать от низких температур и аккумуляторы, так что защищать камеру от холода нужно. Проще всего - держать ее в тепле, под верхней одеждой, а сделав снимки на морозе, сразу же прятать обратно в тепло.


Если камера замерзла и, придя в теплое помещение, вы заметили, что она покрылась капельками влаги, то нужно сразу же достать из нее аккумуляторы и убратьаппарат в чехол. Пользоваться камерой снова станет можно не раньше, чем ее температура сравняется с температурой в помещении, иначе капли влаги, которыеобразовались на линзах и на поверхности сенсора, могут привести к серьезным, а иногда и к необратимым повреждениям.


Форма входа
Друзья сайта
Статистика
Новое фото
Кто ОН-ЛАЙН
Copyright MyCorp © 2006