Анатомия цифрового фотоаппарата

Сенсор

До сих пор почти все камеры на рынке оценивались по количеству пикселей, которые может снять цифровой фотоаппарат (чем их больше, тем более детализированной будет фотография). Количество пикселей зависит от физического размера и концентрации элементов на сенсоре. Сенсор является сердцем цифровой камеры, и в качестве сенсора выступает ПЗС или КМОП чип. Сенсор состоит из множества светочувствительных элементов (photosites), содержащих фотодиоды. Элементы на чипе упорядочены и образуют матрицу. Таким образом, элементы матрицы можно сопоставить с пикселями (равно как и назвать). Элементы реагируют на свет и создают электрический заряд, величина которого пропорциональна количеству попавшего света. Количество пикселей сенсора можно измерять по числу строк и столбцов AxB (например, 640x480), а можно - по общему числу элементов (например, 1 000 000 пикселей). Миллион пикселей обычно называют Мегапикселем (1 MP). В любом случае пиксель является наименьшим элементом цифрового изображения. Поэтому этот термин используется также и при описании мониторов и сканеров.

Сенсор Kodak ColorVGA

Некоторые производители иногда дают в технической спецификации две пиксельные характеристики КМОП/ПЗС сенсора. Первая из них показывает общее число пикселей (например, 3 340 000 пикселей или 2,11 MP), а вторая - число активных пикселей, которые используются для получения изображения. Разница между этими числами обычно не превышает 5%.

Существует несколько причин такого расхождения. Во-первых, при производстве сенсора создаются "темные", дефектные пиксели (создание полностью исправного сенсора практически невозможно при существующих технологиях). Во-вторых, некоторые пиксели используются для других целей, например, для калибровки сигналов сенсора. Свет не попадает на часть пикселей, расположенных по краям. Эти пиксели помогают определить фоновый шум, который затем будет вычитаться из данных остальных пикселей. Также часть сенсора может не учитываться для создания изображения с требуемым форматом кадра (отношение количества точек по горизонтали к количеству точек по вертикали).

Кстати, зависимость размера фотографии от числа пикселей не линейная, а логарифмическая. Переход от 3 MP к 4 MP сенсору увеличивает размер изображения не на 25%, а на меньшее значение. По этой причине даже в новейших цифровых фотоаппаратах с увеличенной концентрацией пикселей на сенсоре размер изображения незначительно отличается от предыдущих моделей, что вряд ли так уж важно для большинства пользователей.

Ход светового пучка через линзы в фотоаппарате Minolta

Сейчас все цифровые камеры любительского уровня используют один КМОП или ПЗС сенсор. Некоторые high-end профессиональные аппараты (равно как и многие портативные видеокамеры) используют несколько сенсоров. В них входящий свет разделяется призмой на ряд пучков, каждый из которых попадает на свой сенсор. Такая технология позволяет предотвратить наложение цветов (когда границы красного, синего и зеленого цвета сдвинуты на изображении). Однако подобные камеры требуют более аккуратного процесса изготовления, а по причине наличия призмы они более массивны и менее выносливы. Также в них должна использоваться улучшенная оптика, так что общая цена такой камеры существенно выше.

Что интересно, использование нескольких сенсоров не приводит к линейному росту количества пикселей. В большинстве фотоаппаратов (равно как и в многосенсорных видеокамерах) используется три отдельных КПОМ/ПЗС сенсора для красного, зеленого и синего цвета. Каждый из них получает 1/3 цветовой информации. Таким образом, при использовании трех 3 MP сенсоров они будут работать как один 3 MP сенсор. Однако зачастую в цифровых фотоаппаратах механизм использования информации, полученной от сенсоров, отличается. Фактически он зависит от модели и от производителя.

В некоторых трех-сенсорных фотоаппаратах каждый сенсор захватывает 1/3 от разрешения полного изображения, а затем происходит интерполяция. Другие камеры используют какую-либо комбинацию главных цветов на каждом сенсоре и задействуют сложные алгоритмы для получения изображения. Например, теперь уже не выпускающаяся Minolta RD-175 была оснащена тремя ПЗС сенсорами, два из которых были зелеными, а третий был красно-синим. (Такое удвоение зеленого сенсора напоминает технологию Bayer Pattern, о которой будет рассказано ниже). Каждый из сенсоров RD-175 содержал меньше 1 MP, но благодаря дальнейшему математическому преобразованию получавшееся изображение состояло из 1,7 Мегапикселей.

Во многих цифровых камерах только часть пикселя реагирует на свет, поэтому важно направить как можно больше света на нужную область пикселя (это явление называется коэффициентом заполнения, fill factor). Для этого на сенсорах большинства фотоаппаратов любительского уровня используются микролинзы, располагающиеся непосредственно над каждым пикселем и направляющие фотоны напрямую на светочувствительную область (well). Фотоны преобразуются в электроны с помощью кремниевого фотодиода, располагающегося в верхней части светочувствительной области, а сама область работает как конденсатор, так как обладает возможностью сохранения электрического заряда.

Так как сенсоры по своей сути есть черно-белые устройства, не различающие цвет, в цифровых фотоаппаратах чаще всего используется массив цветных светофильтров (color filter array, CFA), располагающихся между микролинзой и светочувствительной областью пикселя. С помощью светофильтра каждому пикселю присваивается свой цвет. Производители цифровых камер используют различные архитектуры светофильтров, как правило, задействующие комбинацию основных цветов (красного, зеленого и синего) или дополнительных цветов (голубой, пурпурный и желтый). Но в любом случае принцип работы фильтра заключается в пропуске только нужного цвета (с определенной длиной волны). При этом требуется уменьшать проявления цветовых артефактов и избегать взаимного влияния соседних пикселей, в то же время сохраняя правильную цветопередачу. (Ниже мы рассмотрим, как процессор камеры создает изображение из отдельных битов цвета).

Чаще всего массив цветных светофильтров использует технологию Bayer Pattern, при которой красные, зеленые и синие фильтры располагаются в шахматном порядке, причем число зеленых фильтров в два раза больше чем красных или голубых. Это связано с тем, что человеческий глаз более чувствителен к свету с длиной волны в зеленом диапазоне, чем к синему или красному диапазонам. Соответственно удвоение числа зеленых пикселей должно обеспечивать лучшее восприятие яркости и более естественные цвета для человеческого глаза (что очень напоминает соотношение яркостей полного видеосигнала, где яркость (Y) = 0,59G + 0,30R + 0,11B).

Также в результате использования этой технологии получаются более резкие изображения. Проблема соответствия воспринимаемого цвета и фактического цвета решается несколькими способами. Различные производители используют всевозможные цветовые модели и алгоритмы для улучшения цветопередачи цифрового фотоаппарата.

Все цифровые камеры оснащены электронным эквивалентом затвора (он отличается от традиционного механического затвора в пленочных фотоаппаратах), который встроен в сенсор. Он нужен для точной регуляции времени приема света сенсором. Электронный затвор - это переключатель, который включает (или выключает) сенсор для приема приходящего светового потока. Некоторые цифровые камеры также используют и более дорогой механический затвор, но отнюдь не для избыточности, а для предотвращения попадания на сенсор света после окончания времени выдержки. Таким образом, предотвращаются артефакты типа появления ореола, затуманивания и смазывания.

Если вы нажимаете клавишу затвора наполовину, то в цифровом фотоаппарате фиксируются фокус и время выдержки в ожидании последующей съемки. Точно также все происходит и на обычной пленочной камере типа "навелся и снял" при нажатии клавиши затвора наполовину. Однако дальнейшие события в цифровом фотоаппарате принципиально отличаются от пленочного. При полном нажатии клавиши затвора в цифровой камере почти одновременно происходят следующие действия.

1. Если фотоаппарат оснащен механическим затвором, то он закрывается. Далее сенсор немедленно освобождается от любых электрических зарядов. Это связано с постоянной активностью сенсора, что приводит к накоплению электрических зарядов в различных точках. (На некоторых усовершенствованных камерах сенсор должен находиться в режиме сна перед съемкой изображения для исключения влияния нагрева и увеличения соотношения сигнал/шум). Если камера не получает никаких инструкций, то сенсор будет непрерывно освобождаться от заряда примерно каждую 1/60 долю секунды. Таким образом, перед съемкой изображения весь электрический заряд должен быть сброшен.
   Что интересно, некоторые цифровые фотоаппараты (типа Olympus Camedia E-100RS) сохраняют последнее "удаленное" с сенсора изображение во временном буфере памяти. Они могут показать "удаленное" изображение после съемки, так что пользователь может выбрать лучший вариант из двух. Такой "предварительный" режим съемки оказывается полезен для получения фотографий детей или животных, которые зачастую моргают или двигаются при любом щелчке фотоаппарата.
2. Удаляет ли камера накопленный электрический заряд перед съемкой или преобразует ли его в изображение во временном буфере, в любом случае один из процессоров камеры использует эти данные для регуляции и выбора параметров будущей фотографии. Например, один из процессоров камеры, занимающийся регуляцией баланса белого (цветокоррекцией), может использовать полученные значения для определения, какие пиксели текущего изображения должны быть белыми. Он может попытаться отрегулировать все цвета для устранения смещения от "точки белого". Точно также на базе полученных данных выбирается фокус, необходимость вспышки и другие обязательные параметры (еще перед фактической съемкой изображения). Эти параметры сохраняются в буфере и могут быть использованы далее на фазе обработки изображения. Если для съемки используется ЖК видоискатель, то на него также поступят эти данные.
3. Как только электрические заряды будут сброшены с сенсора и необходимые параметры съемки будут выбраны, сенсор готов к принятию требуемого изображения (которое вы ожидаете получить при нажатии на клавишу затвора). Далее камера открывает механический затвор и активизирует электронный затвор. Оба из них остаются открытыми на время выдержки (определенное ранее). По окончании времени выдержки механический затвор закрывается.
4. Пока камера занимает обработкой, затвор вновь открывается. Он будет закрыт только при последующем нажатии на клавишу затвора (когда будет начат процесс сброса заряда для подготовки к получению следующего изображения). Если процессор (или фотограф) решит использовать электронную вспышку для получения фотографии сцены (обычно применяется встроенный в камеру стробоскопический источник света), то вспышка будет освещать сцену до тех пор, пока отдельный световой сенсор не решит, что вспышка достаточно осветила сцену для данного времени выдержки и не выключит вспышку.

Примечание: Olympus представляет себе процесс получения цифрового изображения в следующем виде.

Процесс получения цифрового изображения с точки зрения Olympus

Так как для сброса заряда сенсора требуется некоторое время (равно как и для чтения информации и установки параметров), всегда существует некоторая неизбежная задержка между полным нажатием на клавишу затвора и временем съемки изображения. На рядовой любительской цифровой камере эта задержка начинается от 60 миллисекунд (этот промежуток настолько мал, что вы вряд ли его заметите) до 1 секунды.

Использование больших буферов памяти и скоростных процессоров может уменьшить задержку, по этой причине дорогие фотоаппараты снимают быстрее своих дешевых собратьев. Среди самых дорогих профессиональных камер можно выделить новый Nikon DH1 с 128 Мб буфером. Другие камеры типа Kodak DCS 520, 620 и Fuji S1 оснащены 64 Мб буфером. Очень небольшое количество профессиональных и high-end любительских камер оснащено буферами размером 16 Мб или 32 Мб.

Кроме того, ряд сенсоров (особенно КМОП) являются многофункциональными чипами с некоторым встроенным интеллектом, что помогает им уменьшать время, затрачиваемое на передачу и на обработку полученной информации. Подобно любой другой цифровой системе, цифровая камера работает тем быстрее, чем выше ее внутренняя пропускная способность.

Когда сенсор преобразует попавшие на него фотоны в электроны, то он работает с аналоговыми данными. Следующим шагом является снятие сохраненных электрических сигналов из пикселей и дальнейшее их преобразование в электрический ток посредством встроенного выходного усилителя. Ток посылается на внешний или встроенный аналого-цифровой преобразователь (АЦП).

Одним из главных отличий между КМОП и ПЗС сенсорами является то, что в КМОП сенсоре АЦП интегрирован, а при использовании ПЗС сенсора он находится на внешнем чипе. Но по этой же причине КМОП сенсор более зашумлен. АЦП преобразует различные уровни напряжения в двоичные цифровые данные. Цифровые данные подвергаются дальнейшей обработке и организуются в соответствии с битовой глубиной цвета для красного, зеленого и синего каналов, что выражается в интенсивности данного цвета для выбранного пикселя.