Популярная мобильность: Фото. Добро пожаловать в матрицу! Часть 3

Именно на матрицу попадает свет, проходя через объектив. Часть света при этом поглощается и рассеивается самим объективом, поэтому "на выходе" световой поток всегда слабее, чем на "входе". В зависимости от конструкции и типа объектива эти потери могут быть разными, поэтому у каждого объектива имеется своего рода аналог КПД, называемый светосилой. Если не окунаться с головой в дебри сложных формул (для глубокого изучения вопроса рекомендуем поступить в Институт точной механики и оптики и отучиться там 6 лет), то чем меньше значение знаменателя максимального относительного отверстия объектива, тем лучше. То есть, если вы видите обозначение f/1,5 – это лучше, чем f/3,5. У объективов с переменным фокусным расстоянием светосила уменьшается при переходе к телеположению, поэтому для них указывается диапазон значений светосилы, например, f/3,5-f/5,5. Это означает, что наилучшие значения светосилы достигаются только при широкоугольном положении. С практической точки зрения чем больше светосила, тем лучше фотоаппарат снимает в условиях недостаточной освещенности. При увеличении картинки за счет использования "зума" требования к освещенности всегда возрастают. Это важно запомнить: качество снимка будет лучше, если вы сами подойдете к объекту, а не будете использовать "зум".

Итак, свет прошел через объектив и попал на матрицу. Матрица представляет собой интегральную микросхему, состоящую из множества фотодиодов – элементов, реагирующих на свет. Каждый элемент соответствует одному пикселю растрового изображения, и чем больше этих элементов – тем из большего количества точек состоит получаемое изображение. Количество этих точек исчисляется несколькими миллионами, отсюда и понятие "мегапиксель".

Почему-то считается, что  чем больше мегапикселей – тем  лучше качество изображения. Эту  теорию активно поддерживают производители, которые, указав на количество мегапикселей, считают, что уже рассказали о своем фотоаппарате самое главное. Им это очень выгодно: дело в том, что микроэлектроника развивается стремительными темпами, и сделать новую матрицу с большим количеством мегапикселей не так сложно. А вот разработать новый объектив, который будет лучше старого и не будет стоить дороже – весьма проблематично. Ведь именно оптическая система влияет на качество изображения в первую очередь: грубо говоря, если объектив способен выдать только разноцветное пятно, то оно будет выглядеть разноцветным пятном что при 2, что при 20 мегапикселях, разница будет только в размере файла. Большое разрешение матрицы имеет эффект только при высокой четкости изображения, создаваемого объективом (у объективов тоже есть понятие разрешения).

Поэтому при выборе фотоаппарата смотреть нужно не на разрешение матрицы, а на ее физические размеры. Чем больше матрица – тем проще сформировать на ней четкую картинку. В качестве примера можно привести какой-нибудь сложный чертеж. Его можно начертить на большом листе ватмана, и тогда ни у кого не возникнет трудностей с его разглядыванием. А можно начертить его же на листике из блокнота: в этом случае все линии и надписи сольются в "кашу" и разобрать их будет трудно. То же самое происходит и с маленькой матрицей: при рассматривании фотографий в масштабе 1:1 становится понятно, что детали размыты, и границы между ними нечеткие – с таким же успехом можно было бы 2-мегапиксельную картинку "растянуть" на компьютере.

Максимальный размер матрицы  – 36х24 мм – такой же, как размер кадра на фотопленке – имеют дорогие профессиональные камеры. Идентичный размер позволяет получать тот же уровень детализации, что и при съемке на пленку. Кроме того, это позволяет использовать объективы от пленочных камер: они рассчитаны именно на такой размер, и если установить их на фотоаппарат с матрицей меньшего размера, то эта матрица будет захватывать лишь часть изображения, получаемого объективом. Такие матрицы называются "кропнутыми" (от английского crop – обрезать). "Кропнутые" матрицы используются в подавляющем большинстве цифровых камер, их размер обычно указывается в хитрых единицах - долях дюйма по диагонали. Например, 1/2,3". Однако это не значит, что физическая диагональ матрицы равна 25,4/2,3 = 11 мм. Хитрость в том, что 1/2,3" – это только "тип" матрицы, а ее физическая диагональ составляет примерно 2/3 от указанной в "типе", т.е. около 7,4 мм. Почему так? Эти обозначения происходят от стандартных обозначений размеров трубок телекамер в 1950-х годах. Они выражают не размер диагонали самой матрицы, а внешний размер колбы передающей трубки. Инженеры быстро установили, что по различным причинам диагональ полезной площади изображения составляет около двух третей диаметра трубки. Это определение стало устоявшимся (хотя и должно было быть давно отброшено). Не существует чёткой математической взаимосвязи между "типом" матрицы, выраженном в дюймах, и его фактической диагональю. Однако, в грубом приближении, можно считать, что диагональ составляет две трети типоразмера.

Чем меньше размер матрицы  и чем больше количество пикселей, тем меньше площадь одного пикселя, а значит, тем меньше его светочувствительность. Кроме того, чем плотнее расположены  друг к другу светочувствительные  элементы, тем выше количество помех, которые они оказывают друг на друга. Что это значит? При съемке в условиях хорошей освещенности помехи практически незаметны, их видно только при большом увеличении, и проявляются они как цветные пятна на тех участках, где в действительности изображение имеет другой цвет (например, "узор" из розовых и зеленых точек на белом фоне). А вот при съемке в условиях недостаточной освещенности чувствительность фотоэлементов приходится увеличивать. Это и есть те самые "значения ISO", пришедшие из мира пленки. Только  у разных видов пленки светочувствительность разная из-за разного химического состава, а у матрицы элементы одни и те же, поэтому повышенную восприимчивость к свету (увеличенные значения ISO) получают, пропуская через них больший ток. При этом по всем законам физики напряженность электромагнитного поля вокруг датчиков растет, они сильнее влияют друг на друга, в результате чего получается знакомая картина: "мозаика" из разноцветных точек на фоне размытого изображения с отсутствием какого-либо намека на контрастность.

Поэтому чем меньше матрица и чем больше в ней мегапикселей – тем более качественное освещение  требуется фотоаппарату, чтобы сделать  хороший кадр. Отсюда следует вывод, что при прочих равных условиях нужно  выбирать камеру с большой матрицей и низким разрешением; если вы видите 8- и 12-мегапиксельный фотоаппараты с  матрицей 1/2,5 – лучше купить 8-мегапиксельный, а если 12мегапиксельный с 1/2,7 и 5-мегапиксельный с 1/1,8 – то второй будет однозначно лучше снимать. Правда, важно понимать, что чем больше размер матрицы, тем больше и размеры самого фотоаппарата. Поэтому если вы ищете компактную камеру, то будьте готовы к тому, что и матрица у нее будет небольшая. Про количество мегапикселей, напоминаем, можно сразу забыть: для просмотра фотографий на компьютере достаточно двух мегапикселей, для печати фотографий 15х22 – трех.

При выборе фотоаппарата важна не только диагональ матрицы, но и соотношение ее сторон. Здесь возможны различные варианты. Наиболее распространенный формат – это 4:3, соответствующий соотношению сторон стандартного телевизора или компьютерного монитора. Такое соотношение сторон идеально для просмотра фотографий на мониторе и только. Если вы захотите фотографию с соотношением сторон 4:3 распечатать на бумаге, то будете неприятно удивлены тем, что у листа бумаги соотношение сторон совсем другое! Поэтому при печати на полный лист вы или оставите белые поля по краям снимка, или же будете вынуждены обрезать часть кадра, чаще всего по вертикали.

Стандартный кадр на обычной пленке имеет размеры 36х24 мм, то есть, соотношение сторон равно 3:2. Несложно догадаться, что именно поэтому большинство зеркальных камер, особенно претендующих на близкий к профессиональному уровень, имеют матрицы с соотношением сторон 3:2. Кадр, полученный таким фотоаппаратом, например, идеально распечатается на листе фотобумаги формата 10х15 см.

В некоторых фотоаппаратах матрица имеет соотношение сторон 16:9 – радость для владельцев широкоформатных мониторов и телевизоров, а также любителей съемки видео. Однако на самом деле соотношение сторон 16:9 чаще всего не является физическим: матрица имеет все то же соотношение 4:3, просто в некоторых режимах съемки часть пикселей отключается.

С точки зрения технологии производства матрицы делятся на несколько типов: CCD, CMOS и Live-MOS. Долго и нудно рассказывать, как устроена каждая матрица, мы не будем (иначе придется заполнить “Популярной мобильностью” весь номер журнала – опишем лишь преимущества и недостатки каждого из видов).

 

Матрицы типа CCD (Charge-Coupled Device, прибор с зарядовой связью, ПЗС) меньше «шумят», обладают лучшей светочувствительностью и более качественной цветопередачей, однако стоят дороже и работают медленнее: у камер, построенных на базе таких матриц, время задержки между нажатием на спусковую кнопку и реальным моментом съемки выше, чем у фотоаппаратов, использующих другие виды матриц. Также матрицы CCD имеют высокое энергопотребление. Разновидностью матриц CCD являются SuperCCD, используемые компанией Fuji. В них некоторые пиксели имеют увеличенный размер по сравнению с другими, что позволяет увеличить светочувствительность при съемке в условиях плохой освещенности.

Матрицы типа CMOS (Complementary metal-oxide semiconductor, комплементарый полупроводник на основе окиси металла, КМОП) работают значительно быстрее (до 500 раз), при этом данные с них можно считывать не последовательно, как с ПЗС-матриц, а из произвольных ячеек. Энергопотребление КМОП-матриц в несколько десятков раз ниже, чем у ПЗС, а стоят они значительно дешевле. Однако и светочуствительность, и качество цветопередачи у таких матриц хуже, чем у ПЗС, высок и уровень шумов, поэтому они применяются в основном в устройствах начального уровня. Сама матрица может быть объединена в одну микросхему с процессором, что позволяет делать фотоаппараты миниатюрными (КМОП-матрицы используются во всех камерофонах).

Матрицы типа Live-MOS – это дальнейшее развитие технологии CMOS – ее разработчики попытались сохранить все преимущества КМОП-матриц и избавиться от их недостатков. Отчасти это получилось: «шумность» таких матриц ниже, а светочувствительность выше, впрочем, до уровня ПЗС они пока  все же не дотягивают.

Каждый датчик на матрице улавливает только степень освещенности, то есть, «видит» или свет, или тень. Как же получить цветное изображение? Очень просто – достаточно заставить каждый пиксель определять интенсивность только какого-то одного из трех основных цветов – синего, зеленого и красного, за счет смешения которых получаются все остальные. Проще всего снабдить каждый пиксель светофильтром нужного цвета, объединяя пиксели в группы по три: в этом случае каждый из них будет фиксировать интенсивность только одного цвета, а на выходе при помощи интерполяции достаточно «додумать» каждому пикселю истинный цвет на основе данных о цвете соседних пикселей. Взаимное расположение цветных пикселей на матрице может меняться, при этом всегда проявляется обратная зависимость качества цветопередачи от светочувствительности. Грубо говоря, чем лучше фотоаппарат снимает в темноте, тем хуже он передает цвета. Конечно же, любая интерполяция – это гарантия того, что цвет будет хоть немного, но искажен, поэтому для профессиональных целей используют трехматричные системы, в которых световой поток при помощи призм разделяется на три части – красную, зеленую и синюю – и фиксируется тремя матрицами, каждая из которых отвечает за свой цвет. Этим достигаются максимально естественные краски. Подобные схемы используются лишь в очень продвинутых фотоаппаратах, чаще их можно встретить в дорогих видеокамерах.

В матрицу цифрового фотоаппарата обычно встроен и затвор, представляющий собой электронную «шторку» из жидких кристаллов, которые на время съемки «открываются», то есть, становятся прозрачными. В более дорогих камерах (обычно в зеркальных) используется механический затвор – такой же, как на пленочных. Он лучше перекрывает световой поток, чем жидкие кристаллы, что позволяет избавиться от дефектов изображения, возникающих при съемке в условиях яркого освещения.

В общем-то, это все, что нужно рассказать о матрицах. В следующей части «Популярной мобильности» мы перейдем к процессорам, видоискателям , вспышкам и прочим частям фотоаппарата. До встречи! 

Текст: Илья Шатилин