Сердце цифровой фотокамеры: ПЗС-матрица (часть пятая)

Марин Милчев, 

В завершающей части цикла статей о ПЗС-матрицах будут описаны попытки производителей сенсоров, направленные на повышение разрешения и расширение динамического диапазона.

Большинство мероприятий, предпринимаемых для улучшения качества изображения, представляют собой длительный, кропотливый и малопонятный для неискушённого наблюдателя процесс. Повышение чистоты материала, сокращение механических допусков при монтаже – всё это звучит скучно и не может использоваться для шумной рекламной кампании. А вот использование понятных для всех иллюстраций обязательно привлечёт живое внимание.

Ромб вместо квадрата

Истории любительской цифровой фототехники известны модели, у которых количество строк и столбцов матрицы меньше, чем горизонтальное и вертикальное разрешение файла со снимком. Дело в том, что при малом количестве элементов ПЗС-матрицы производители прибегают к рекламному трюку, указывая интерполированное разрешение. При этом изображение «растягивается» по вертикали и горизонтали, а недостающие точки рассчитываются при помощи математических алгоритмов. Разумеется, качество изображения при этом ниже, чем при съёмке матрицей с более высоким разрешением, кроме того, такое же «улучшение» снимка может быть достигнуто при обработке снимка на компьютере с помощью соответствующего программного обеспечения. Таким образом, необходимо проводить чёткую грань между разрешением ПЗС-матрицы и разрешением снимка. Настоящее качество обеспечивается только реальными столбцами и строками.

В 2000 году компанией FujiFilm была разработана SuperCCD – ПЗС-матрица, пиксели которой имели не стандартную прямоугольную, а восьмиугольную форму.

Расположение элементов в обычной ПЗС-матрице и в SuperCCD
Обычная ПЗС-матрица и SuperCCD

Расположение пикселей также было необычным: два зелёных, синий и красный элементы матрицы находились внутри повернутого на 45° квадрата. Количество столбцов задавалось пикселями в левом и правом углах, а количество строк – в верхнем и нижнем углах данного квадрата. При этом электроды переноса заряда в некотором роде «обтекали» светочувствительные области, позволяя сделать их более крупными и чувствительными к свету.

Разумеется, в цифровом изображении такое расположение точек невозможно, поэтому необходимо «повернуть» на 45° каждый из квадратов. По заявлениям FujiFilm, после выполненного программным обеспечением камеры «поворота» образуются «дополнительные» столбцы и строки. Правда, при этом замалчивалось, что образовывались они исключительно за счёт интерполяции, а сам факт преобразования преподносился как удвоение вертикального и горизонтального разрешения матрицы.

Единственная ситуация, при которой преимущество структуры SuperCCD бесспорно, возникает тогда, когда изображение, формируемое объективом, содержит строго горизонтальные либо вертикальные линии с шагом, меньшим, чем расстояние между строками либо столбцами «классической» матрицы. Впрочем, и в этом случае эти линии будут наполовину состоять из интерполированных точек.

Зато диагональные линии столь же частого шага «классическая» матрица обнаружит, а SuperCCD пропустит, хотя именно из них по большей части состоят реальные объекты. Однако тестовые таблицы содержат как раз горизонтальные и вертикальные сетки, да и человеческое зрение активнее реагирует именно на такие линии.

Чтобы определить, обеспечивает ли «хитрое» расположение пикселей SuperCCD двукратный рост разрешения, автором статьи при тестировании шестимегапиксельной фотокамеры FujiFilm FinePix S7000 Zoom был проведён простой эксперимент. Напротив объектива была расположена коробка со штрихкодом, при этом дистанция съёмки подбиралась таким образом, чтобы при «12-мегапиксельном» снимке полученное изображение было на пределе различения деталей. Затем при тех же самых параметрах съёмки разрешение кадра было изменено до «шестимегапиксельного», а полученная фотография была «растянута» в программе Adobe Photoshop до размеров «12-мегапиксельного» изображения. В результате выяснилось, что при всем желании о двукратном росте разрешения говорить нельзя.

Однако повышение чувствительности SuperCCD было очевидным при тестировании камер одинакового года выпуска. В этом случае при последовательном повышении эквивалентной чувствительности фотоаппараты FujiFilm неизменно начинали «шуметь» заметно позже, чем их конкуренты с классическими ПЗС-матрицами.

Следует отметить, что с 2005 года FujiFilm отказалась от использования интерполированного разрешения в камерах, оснащённых матрицей SuperCCD. В частности, появившаяся в феврале того года модель FinePix F10 оснащалась сенсором из 6,3 миллиона элементов, и максимальное разрешение снимков (2848x2136) полностью соответствовало количеству пикселей матрицы.

Тем не менее в 2006 году «дурному примеру» FujiFilm последовал крупнейший производитель ПЗС-матриц – концерн Sony. Новинка, КМОП-матрица под кодовым названием ClearVid, тоже имела диагональное расположение элементов, однако, в отличие от серии SuperCCD, пиксели были не октагональными, а ромбическими, в виде развёрнутого на 45° квадрата. Как и в случае с матрицами FujiFilm, маркетинговый отдел Sony прилагал все усилия, чтобы убедить потенциальных покупателей в «возросшем разрешении» нового сенсора.

Отличалась и «раскраска» новой матрицы – на каждую пару «синий пиксель + красный пиксель» приходилось не два, а шесть зелёных пикселей. Такой вариант «раскраски», по замыслу разработчиков, должен обеспечивать большую чувствительность матрицы. Памятуя о проблемах с восстановлением цвета, постигших разработчиков первой цифровой зеркалки Kodak DSC-100 (её соотношение цветов светофильтров было таким же), создатели ClearVid постарались более равномерно распределить синие и красные пиксели по зелёному фону.

Прошедший год показал, что КМОП-матрицы ClearVid используются только в видеотехнике Sony, а в цифровых фотоаппаратах этой фирмы продолжают применяться «классические» пиксели.


Автор
Марин Милчев

Комментарии