14 лет назад 29 марта 2005 в 0:50 58

В традиционных камерах элементом, воспринимающим свет, является фотопленка. В цифровых ее заменяют матрицы, или сенсоры, достоинства которых очевидны – не нужно покупать фотоматериал, хранить его и проявлять. Но проблем, связанных с ориентацией в цифровом “многообразии видов”, у нас только прибавляется. При этом, в отличие от пленки, которую всякий раз можно заменить и попробовать другую, матрица нам достается вместе с выбранным фотоаппаратом. Именно поэтому, выбирая камеру, хорошо бы знать, какая матрица установлена у нее внутри.

ПЗС против КМОП
Основой цифрового фотоаппарата является его воспринимающий элемент – матрица, или сенсор. На сегодняшний день производится два типа этих устройств: CCD (charge-coupled device), или ПЗС (прибор с зарядовой связью), и CMOS (complementary metal-oxide-semiconductor), или КМОП (комплементарные структуры “металлоксид-полупроводник”). Изначально они были созданы для улучшения архитектуры полупроводниковых устройств компьютерной памяти.

Еще в начале 60-х годов XX века американская компания Bell Laboratories начала эксперименты с ПЗС как основой памяти последовательного доступа. Но через несколько лет выяснилось, что использование подобных структур в качестве хранилища информации малоперспективно. Одновременно особые возможности ПЗС по передаче электрического заряда подтолкнули инженеров к созданию на их основе элементов, воспринимающих изображение.

Первый образец светочувствительной матрицы на основе ПЗС был создан в 1973 году. В отличие от них КМОП-технологии стали применяться почти исключительно для создания микропроцессоров и элементов компьютерной памяти. Эта ситуация в корне изменилась чуть менее десятилетия тому назад.

ПЗС-матрицы – специализированные электронные устройства, которые выпускаются всего несколькими крупнейшими мировыми производителями микроэлектроники (Sony, Philips, Kodak, Matsushita, Fuji, Sharp). В то же время КМОП-микросхемы используются в огромном количестве разнообразных промышленных и бытовых устройств – от микроволновых печей до автомобилей. Такое широкое распространение и массовость производства определили их дешевизну.

Важным обстоятельством является и то, что КМОП конструктивно достаточно легко объединяются в одном общем корпусе с другими элементами микросхемотехники, что очень важно при нынешнем уровне интеграции электронных компонентов. Это позволяет не только добиться большей миниатюризации, но и снизить производственные затраты, а следовательно, и конечную цену изделий (сегодня можно создать КМОП-матрицу размером с половину ногтя мизинца).

Тем не менее до самого последнего времени в тех системах, где ключевым фактором является качество изображения, ПЗС-устройства оставались непревзойденными, поскольку у них более высокая светочувствительность, шире динамический диапазон и меньше уровень шумов. Они получили свое название благодаря характеру перемещения заряда между ловушками и их считывания с матрицы в целом – регистры перемещают заряд вниз целыми рядами (так в названии появился термин “зарядовая связь”). Благодаря тому, что ПЗС передает заряд, практически не испытывая влияния других электронных компонентов, матрицы на его основе дают сигнал с минимальным уровнем шума.

КМОП-структуры отличаются от ПЗС, прежде всего, тем, что в них светочувствительная матрица интегрирована с другими электронными компонентами (аналого-цифровым преобразователем и иногда даже процессором). Использовать их в цифровой фотографии поначалу было весьма трудно – первые камеры Sound Vision и Vivitar c КМОП-устройствами обладали недопустимо высоким уровнем шумов. С другой стороны, эти матрицы отличались меньшим энергопотреблением и были значительно дешевле.
В начале 90-х годов КМОП-матрицы начали всерьез конкурировать с ПЗС, причем произошло это благодаря общему прогрессу в микроэлектронике.

Достижения в области субмикронных технологий позволили сильно уменьшить толщину проводников, соединяющих микротранзисторы, а это, в свою очередь, привело к повышению светочувствительности воспринимающих элементов, так как их слои стали тоньше и прозрачнее. Одновременно с этим снизилось энергопотребление. Созданный компанией Canon цифровой зеркальный фотоаппарат D30 продемонстрировал действительно широкие возможности и реальную конкуренцию ПЗС со стороны КМОП. Следует ожидать, что в ближайшем будущем все большее количество моделей цифровых камер будут оснащаться именно такими воспринимающими элементами. Неслучайно даже японский гигант Nikon в своей последней разработке – профессиональной цифровой камере D2X – использовал именно КМОП-матрицу.

КРЕМНИЕВЫЕ ОРУДИЯ КОМПЬЮТЕРНОЙ ЭРЫ
Матрицы – специализированные микросхемы на основе сверхчистого кремния, которые способны воспринимать свет, преобразуя его в электрические заряды. Главной характеристикой светочувствительной матрицы является число точек, которое она в состоянии воспроизвести. Эти точки называют пикселями (англ. pixel – picture element, элемент изображения). Пиксели на плоскости матрицы организованы в “строки” и “столбцы” наподобие таблицы.

Светочувствительная область пикселя воспринимает свет – фотодетектор накапливает заряд в виде освобожденных фотонами электронов, который запасается в особой ловушке, или зарядовой “яме”, отграниченной полупроводниковым затвором.

Величина заряда зависит от света, воздействовавшего на поверхность фотодетектора. Таким образом, каждый пиксель хрант минимальное количество информации об изображении, пропорциональном количеству воздействовавшего света. В традиционных светочувствительных материалах (фотопленка и фотобумага) кристаллы галоидов серебра реагируют на свет вне зависимости от угла, под которым он падает на них. Иное дело – матрицы цифровых камер, пиксели которых прямо-таки требуют, чтобы падающий свет имел минимальное отклонение от идеального перпендикуляра.

Для того чтобы немного улучшить положение, перед каждым пикселем устанавливается специальная микролинза. Это позволяет уменьшить высокие требования воспринимающих элементов к углу падения лучей и тем самым повысить светочувствительность и снизить влияние возможных помех. К сожалению, иногда оказывается, что затраты на установку таких линз вдвое превышают цену самой матрицы, но и выигрыш за счет них достигается весьма существенный – появляется возможность установки на цифровую камеру более миниатюрного (а значит и более дешевого) объектива.

ЦВЕТОСОЗИДАНИЕ
С точки зрения своего принципиального устройства и характера функционирования любая матрица может фиксировать только монохромное (черно-белое) изображение, поскольку запасание заряда в ловушках никак не отражает спектральный состав упавшего на них света.

Для получения информации о цвете необходимо разделить изображение, образующееся на матрице, на три базовые составляющие – красный, зеленый и синий – и представить кадр как созданный из трех слоев базовых цветов, которые при сложении путем смешения яркостей создадут цветной кадр.

Чтобы разделить цвета еще до их воздействия на матрицу, ячейки фотодетекторов покрываются специальными светофильтрами, столь же малыми, как и расположенные перед ними микролинзы. При этом в воспринимающую ячейку попадает только свет нужной длины волны (синий, зеленый или красный), а все прочие поглощаются.

Фильтруй ч/б!
Расположение светофильтров, регистрирующих цвет, может изменяться в зависимости от конструкции матрицы, но наиболее распространенным на сегодняшний день является так называемый байеровский тип, разработанный компанией “Кодак” еще в 70-х годах минувшего века. В нем использован принцип пространственного умножения цветовых точек, при котором зеленых точек оказывается вдвое больше, чем красных или синих.

Это компенсирует в исходном изображении особенность человеческого глаза воспринимать зеленый свет как наиболее яркий, определяющий контурную резкость объектов. Другой важной особенностью такого способа является то, что он позволяет одинаково правильно воспроизводить изображения в фотокамере вне зависимости от того, снимаете ли вы кадр в вертикальном или горизонтальном формате.

ТОЧКА, ТОЧКА, ДВА КРЮЧОЧКА

Число пикселей (разрешение матрицы) имеет непосредственное отношение к размеру получаемого изображения. На сегодняшний день в цифровые фото– и видеокамеры устанавливаются матрицы следующих типов:

– 1/1,8″;
– 2/3″;
– 4/3″;
– APS-C (около 1/1,5 – 1/1,7 диагонального размера полного пленочного кадра 36х24 мм);
– полнокадровые (36х24 мм).

Помимо этих есть еще малораспространенные матрицы формата 645, устанавливаемые в составе цифровых кассет на среднеформатные аппараты, а также специализированные устройства еще большей площади для научных исследований.

Разумеется, чем больше пикселей (обычно говорят о миллионах, то есть “мегапикселях”), тем более крупный по объему файл мы получим. К примеру, матрица мобильного телефона (640х480, 0,3 Мпикс) создаст изображение размером 900 кб в несжатом виде: 307200 х 2 байта (красный, синий, зеленый) = 921600 байт.

На практике при выборе цифровой камеры потребителей более всего интересует реальное разрешение фотоаппарата, то есть количество точек, которое воспроизводит матрица. Первый “крючочек” состоит в том, что около 5% ячеек остаются незадействованными (либо вследствие дефектности, либо по причине из использования в других целях). Часто они используются для калибровки уровня шума по его “теневой” составляющей, то есть при отсутствии падающего света, а в других случаях позволяют изменить пропорции изображения для его соответствия стандартному соотношению длины и ширины (например, 3:2, как в стандартном пленочном кадре).

Для того чтобы не вводить пользователя в заблуждение, производители в параметрах камер указывают два значения: общее число пикселей и их эффективное (то есть такое, которое действительно формирует изображение) количество.

Помимо уже известных нам обычных “двухмерных” матриц (не важно, ПЗС это или КМОП) компания Foveon несколько лет назад разработала принципиально иную, слоистую матрицу, особенность которой состоит в том, что цветовые составляющие изображения в ней детектируются не отдельными точками в одном слое, а всеми точками в трех разных слоях.

Пока подобные устройства устанавливаются в цифровые зеркальные камеры компании Sigma (www.sigma-photo.co.jp/english/camera/digital/sd_10.htm) и новые фотоаппараты Polaroid. Их особенность заключается не в специфике микроэлектронной начинки, а в том, что они представляют собой три матрицы, каждая из которых чувствительна лишь к одному из трех базовых цветов.
По словам производителя, такой тип матрицы отличается более высокой детализацией изображения, улучшенной резкостью, более естественным воспроизведением цветов.

Оппоненты, наоборот, заявляют о том, что трехслойность воспринимающей структуры не позволяет добиться адекватной фокусировки и что разрешение ее недостаточно, чтобы конкурировать с топ-моделями профессиональных цифровых камер. “Неслучайно ее не избрал для себя никто из лидеров в производстве фотокамер”, – говорят противники Foveon. Мы же подождем как с одобрениями, так и с осуждениями подобных устройств, памятуя о том, что все может быстро измениться.

Лишний изумруд
Матрицы продолжают совершенствоваться. Корпорация Sony, например, посчитала, что байеровский тип расположения микросветофильтров себя уже изжил, и предложила новую систему распределения фильтрующих элементов – RGBE. Первые три буквы этой аббревиатуры нам знакомы (R – красный, G – зеленый, B – синий). Специалисты компании предложили заменить некоторые из зеленых точек массива фильтров голубыми, которые они почему-то назвали E (emerald – изумрудные).

Это было сделано для того, чтобы усовершенствовать цветопередачу матрицы, но надо отметить, что каких-то серьезных улучшений, увы, не произошло.
Конец врезки

РАБОТА НАД ОШИБКАМИ
Казалось бы, система распознавания изображения в электронных матрицах достаточно надежна. Почему же тогда при использовании цифровых камер даже при безупречной технике съемки мы обнаруживаем множество досадных дефектов, иногда сильно портящих кадры? Ответы на этот вопрос следует искать в самой структуре матрицы, точнее, в фотоэлектронных механизмах регистрации изображения.

Начнем с того, что ситуация с фотоэффектом в матрицах далека от идеальной. Электроны, освободившиеся в результате фотонной бомбардировки, вовсе не движутся непременно в сторону ловушек, а разлетаются в разных направлениях, то есть сам факт возникновения свободного заряда еще не означает, что он будет запасен. Электрон может быть поглощен кремниевым слоем или, наоборот, попадет в соседнюю ячейку, где он не должен оказаться.

Такая ситуация часто возникает при падении лучей под большим углом к плоскости матрицы, когда они, проходя через нужный светофильтр, оказывают воздействие в соседнем фотодетекторе, увеличивая заряд в рядом лежащих ловушках. Это явление носит название перекрестного взаимодействия, и возникающие вследствие него ошибки нельзя исправить никакой обработкой сигналов с матрицы, но можно блокировать на электронном уровне, установив барьеры между ячейками.

Другие артефакты возникают при переполнении ловушек или воздействии на фотодетекторы световых лучей высокой энергии. В подобных случаях заряд в ловушках оказывается избыточным и начинает порождать возбуждение в соседней ячейке.

Следует помнить, что чем меньше длина волны света (и выше его частота), тем более выражен такой эффект. Он особенно заметен в горах, где в световом спектре содержится много ультрафиолета.
Одной из важных причин возникновения ошибок в матрице является размытие (blooming), которое происходит из-за того, что у каждой ловушки есть предел запасания заряда – фактор заполнения. Если происходит переполнение ловушек, то электроны начинают влиять на соседние пиксели. На цифровой фотографии это выглядит как сине-фиолетовые или красные ореолы, возникающие вокруг ярких деталей изображения.

Для предотвращения этого эффекта, называемого краевым, в конструкции матриц используются элементы, захватывающие избыточные электроны. К сожалению, подобные меры позволяют нивелировать только тридцатипроцентное переполнение ловушек и к тому же снижают светочувствительность.

А как относиться к явной избыточности зеленых точек в матрицах, использующих массив фильтров Байера, ведь в них на 25% больше этого цвета? Как мы уже упоминали, зеленый служит своего рода балансировщиком для остальных цветов, то есть позволяет калибровать изображение в соответствии с особенностями его восприятия глазом человека. Когда эта задача выполнена, он становится ненужным, и приходится прибегать к аппроксимации, то есть замещать утраченные точки при помощи специальных алгоритмов сравнения.

Такая операция тоже приводит к образованию артефактов хотя бы из-за того, что цветовая информация об изображении в этих точках восстанавливается за счет использования соседних. Это, пожалуй, последний большой минус светочувствительных матриц.

ЧТО ЗА ШУМ?
Помимо разрешающей способности важной характеристикой матриц является динамический диапазон (ДД), который отражает возможность ячеек воспроизводить детали в самых темных и самых светлых участках изображения. Можно сказать так: чем темнее воспроизводимые тени и светлее света, тем выше ДД. В этом аспекте крайне важно знать свойственное матрице соотношение уровней полезного и паразитного сигналов. Несколько упрощая, можно сказать, что судить о ДД можно только тогда, когда известен уровень шумов.

Шум возникает из-за конструктивного несовершенства самой матрицы, в том числе из-за смешивания зарядов в смежных ловушках. Кроме того, пиксели неодинаковы в своей реакции на свет и часто создают области большей или меньшей светочувствительности. Но главной причиной является так называемый теневой ток – паразитный сигнал, который производит матрица даже при полном отсутствии света. Его причинами является нечистота (неоднородность) кремниевого слоя, подведенный к матрице электрический потенциал и воздействие окружающих ее схемотехнических элементов.

Иногда нужно остыть
Разогрев матрицы приводит к увеличению уровня шума – при повышении температуры на каждые 6-8 градусов шум удваивается. Поэтому в профессиональном оборудовании для борьбы с этим эффектом используют особые конвекционные охладители, термоэлектрические элементы и вентиляторы. В матрицах, предназначенных для использования в научных исследованиях (например, в астрономии), иногда даже используется охлаждение жидким азотом.

Чем меньше размер пикселя, тем меньше ДД, так как меньше накапливаемый заряд. С другой стороны, увеличение размера пикселя (и зарядовой емкости ловушки) не приведет к повышению ДД, если не понизить уровень шума. Кроме того, больший размер пикселя создает предпосылки для появления других артефактов и источников помех. В общем случае это происходит из-за так называемого краевого эффекта, при котором электроны захватываются смежными ловушками. Повышение числа пикселей при неизменной площади матрицы приводит к увеличению ее “шумности” как раз из-за уменьшения расстояний между пикселями и нарастанию краевого эффекта. Поэтому увеличение числа ячеек имеет смысл лишь при увеличении площади восприятия изображения.

ПРОБЛЕМА ПИКСЕЛЕЙ
В среде потребителей распространено мнение о том, что самым важным в цифровой камере является число воспроизводимых ею точек (пикселей), то есть отдельных элементов изображения. Беда в том, что пресловутые “мегапиксели” не являются синонимом высокого класса цифровой фототехники, поскольку в оценке ее преимуществ имеют значение и другие, не столь явные для непосвященных параметры – например, размер матрицы, то есть площадь, на которой “живут” эти самые пиксели.
Сегодня количество типов и размеров матриц таково, что сложно воспринимать показатели их качества, не вдаваясь в важные детали. Постараемся показать, на каких из них стоит заострить внимание, обратившись к конкретным примерам.

Некоторые современные цифровые камеры и их матрицы
Цифровая фотокамера Размер матрицы Тип матрицы Число эффективных мегапикселей
Canon PowerShot G6 1/1,8″ CCD RGB 7,1
Canon PowerShot Pro 1 2/3″ CCD RGB 8,0
Canon EOS 300D APS-C (22,7×15,1 мм) CMOS RGB 6,3
Minolta DiMAGE Z5 1/2,5″ CCD RGB 4,9
Minolta DiMAGE A2 2/3″ CCD RGB 8,0
Minolta Dynax 7D APS-C (23,5×15,7 мм) CCD RGB 6,3
Nikon CoolPix 4800 1/2,5″ CCD RGB 4,0
Nikon CoolPix 8800 2/3″ CCD RGB 8,0
Nikon D70 APS-C (23,7×15,5 мм) CCD RGB 6,0
Nikon D2X APS-C (23,7×15,7 мм) CMOS RGB 12,2
Olympus C770 UZ 1/2,5″ CCD RGB 3,9
Olympus C8080 2/3″ CCD RGB 8,0
Olympus E-1 4/3″ CCD RGB 4,9
Olympus Evolt E-300 4/3″ CCD RGB 8,0

Сравнивая Canon PowerShot G6 с PowerShot Pro 1, можно сказать, что у второй камеры качество изображения выше хотя бы потому, что при большем размере матрицы (2/3 против 1/1,8) число пикселей несущественно выше. А вот у Nikon CoolPix 4800 и Olympus C770 UZ изображение будет лучше, чем у Minolta Z5, потому что при одинаковых размерах однотипных матриц число пикселей у них меньше.

Такой подход, правда, вовсе не означает, что Olympus E-1 лучше Olympus Evolt E-300, хотя у него 4,9 Мпикс против 8,0. В данном случае компания использовала другую матрицу, у которой размер пикселей меньше, а расстояние между ними почти такое же, как у E-1, и это в корне меняет дело. Но для того, чтобы разобраться в подобных тонкостях, нужно внимательно следить за тем, какие сведения публикует компания-производитель.

Исходя из особенностей матриц, сложно оценивать цифровые зеркальные камеры разных компаний, в том числе Canon 300D и Nikon D2X, поскольку при одинаковых размерах матриц у них столь разительно отличается “мегапиксельность”. Пока у нас нет отзывов о качествах последней модели Nikon, но надеемся, что производитель приберег для нас сюрпризы, которые позволят новому изделию опередить массовую цифровую зеркальную камеру Canon.

ХОРОШЕЕ СТЕКЛО
Помнится, пираты использовали свой собственный язык, мало понятный окружающим. Например, подзорную трубу они удачно называли “хорошим стеклом” (good glass). Это определение приобретает особый смысл, когда мы говорим о цифровых камерах и объективах для них.

Как следует из рассмотренного выше, для получения высококачественного изображения свет должен падать на матрицу перпендикулярно. Это легко сформулировать, но не просто реализовать на практике – ни один объектив не может обеспечить выполнение данного условия хотя бы потому, что преломление лучей разных длин волн происходит по-разному.

К тому же и угол падения лучей на переднюю линзу меняет угол падения света на поверхность матрицы. Возможно, эти обстоятельства и породили миф о том, что чем меньшим фокусным расстоянием обладает объектив, то есть чем больше угол его обзора, тем хуже будет качество изображения на цифровой камере (из-за того, что сильно отклоненные от перпендикуляра лучи порождают в матрице разного рода артефакты).

Возникла потребность в “хорошем стекле”, то есть в объективах, имеющих особые свойства и адаптированных для использования в цифровых камерах. Проблема эта по понятной причине не коснулась владельцев компактных фотоаппаратов (называемых “мыльницами”) – в них есть единственный объектив и беспокоиться в этом смысле не о чем. А вот для тех, кто пользуется цифровыми зеркальными камерами, которые подразумевают применение сменной оптики, это превратилось в головоломку.

Вскоре откликнулись и производители объективов – корпорация Sigma начала выпуск специальных объективов DG (digital grade, то есть адаптированных для работы с цифровыми камерами), а компания Tamron – аналогичных с маркировкой Di (digital image), которые якобы обладали такими же достоинствами. Ведущие же производители оптики для зеркальных камер (Canon, Minolta, Nikon, Pentax) ничего подобного не сделали, но это вовсе не означает, что их объективы, “не приспособленные” для цифровых камер, демонстрируют на них более скверный результат.