Его Величество мегапиксель

Сергей Аксенов, 

Что важно знать о цифровых фотосенсорах.

Цифровая техника развивается головокружительными темпами. Кажется, мы уже просто привыкли не замечать этого. Кто-то сказал, что если бы автомобили развивались с такой же скоростью, как компьютеры, то Роллс-Ройс стоил бы сегодня десять долларов, имел мотор размером со спичечный коробок и мог проехать тысячу километров на одном литре бензина. Перефразируя, можно сказать, что если бы плёночная фотография развивалась с той же скоростью, что и цифровая, то средняя фотоплёнка была бы уже шириной с шёлковую нитку и вмещала бы при этом тысячу кадров. Невозможно переоценить тот вклад, который «цифра» внесла в повседневную жизнь: достаточно вспомнить о том, что во многих современных мобильных телефонах встроена фотокамера, позволяющая получать вполне терпимого качества карточки формата 9×12.

Немного истории

Цифровые фотоаппараты родились из того же источника, что и телевидение. До сих пор в подавляющем большинстве цифровиков используется сенсор на основе CCD (Charged Coupled Device), он же ПЗС (прибор с зарядовой связью) — той же технологии, что использовалась в самых первых телевизионных чёрно-белых камерах. Собственно, первые бытовые цифровики представляли из себя по конструкции видеокамеру, изображение в которой ставилось «на паузу» и в аналоговом виде записывалось на дискету или мини-диск, а затем воспроизводилось на экране телевизора. Первый такой прибор производства фирмы Sony появился в 1981 году и назывался Sony Mavica (Magnetic Video Camera, видеокамера с магнитной записью). Mavica была полноценной зеркалкой со сменными объективами и имела разрешение 570×490 пикселей (0,28 Мп), запись велась на специальные 2-дюймовые дискеты (привычные для нас, хотя и уходящие потихоньку в историю 3,5-дюймовые дискеты были выведены на рынок все той же Sony несколько позже). Особого распространения Mavica не получила до 1986 года, когда аналогичные продукты были выпущены фирмами Canon и Nikon. Впрочем, цифровые изображения как класс появились много раньше: первые чисто цифровые снимки были получены при картографировании американскими астронавтами лунной поверхности и переданы на Землю ещё в середине 60-х. Также цифровыми были изображения, передаваемые с американских спутников-шпионов в 70-е годы прошлого столетия.

Первая видео-фотокамера Sony Mavica

Первая видео-фотокамера Sony Mavica

Тогда же, в 70-е, обширные разработки в области цифровой фотографии вела компания Kodak, получившая в результате целую серию продуктов для работы с цифровыми изображениями. Разработка стандарта Kodak Photo CD в 1990 году и запуск в производство в 1991 совместно с Nikon профессиональной зеркалки Nikon F3, оборудованной вместо механизма протяжки плёнки цифровым фотосенсором, завершила первый этап становления цифровой фотографии. Нельзя также не заметить, что именно Kodak ввёл в 1986 году в обиход термин «мегапиксель», создав промышленный образец CCD-сенсора с разрешением 1,4 Мп. Есть, кстати, определённый мрачный юмор в том, что эти технологии сегодня способствуют сокращению компанией Kodak рабочих мест и потере ей существенного сегмента рынка бытовой фотографии.

Право же первенства в производстве полноценной цифровой видео-фотокамеры принадлежит компании Fuji, выпустившей в 1988 году совместно с Toshiba камеру DS-1P, основанную на CCD-сенсоре с разрешением в 0,4 Мп. DS-1P также стала первой камерой, записывавшей изображение не на магнитный диск, а на сменную карту памяти SRAM (Static RAM) со встроенной для поддержания целостности данных батареей. В том же году Apple совместно с Kodak выпускает первую программу для обработки фотоизображений на компьютере — PhotoMac. Буквально годом позже компания Letraset выпускает намного более продвинутую программу Color Studio 1.0. В начале 90-х цифровая фотография развивалась в профессиональной сфере, и цена решений колебалась в пределах от пяти до пятнадцати тысяч долларов. Появились и первые цифровые задники для среднеформатных камер.

Середина 90-х ознаменовалась выходом сразу целой серии цифровых фотокамер потребительского уровня. Первые бытовые цифровики дешевле тысячи долларов появились в 1993 году, но настоящий маркетинговый прорыв совершила в феврале 1994 уже тогда державшая нос строго по ветру компания Apple с продуктом Apple QuickTake 100. Фотокамера была выпущена в корпусе, напоминавшем бинокль (популярная в те годы форма для видео-фотокамер) и позволяла хранить во внутренней Flash-памяти восемь снимков размером 640×480 (0,3 Мп) или тридцать два снимка с половинным разрешением 320×200. Подключалась камера к компьютеру с помощью последовательного порта, питалась от трёх батареек формата AA и стоила меньше восьмисот долларов. Продукт основывался на большом количестве патентов Kodak. Вслед за Apple подтянулись ближайшие конкуренты: собственная разработка Kodak DC 40 (март 1995), Casio QV-11 (конец 1995, первая цифровая фотокамера с LCD-дисплеем и первая же — с поворотным объективом), и, наконец, разработка от Sony — первая в линейке камера, называвшаяся просто Cyber-Shot, без букв и индексов (1996). Также в 1994 году появились первые карты памяти формата Compact Flash и SmartMedia, объёмом от 2 до 24 Мбайт.

Первая массовая цифровая фотокамера Apple QuickTake 100

Первая массовая цифровая фотокамера Apple QuickTake 100

Все 90-е годы Kodak продолжал работать маркетинговым локомотивом, рождая к жизни всё новые продукты, в том числе совместные — цифровые киоски, записывающие изображения на Photo CD совместно с Kinko и Microsoft, систему обмена цифровыми фотографиями в Интернете совместно с IBM, первый цветной фотопринтер совместно с Hewlett-Packard. Именно конец XX века стал этапом взрывного развития цифровой фотографии, когда за какие-то 10 лет цифровая фотокамера превратилась из дорогостоящего профессионального устройства в потребительскую игрушку, доступную всем и каждому. Произошло это благодаря развитию и выходу на промышленные объёмы технологий изготовления цифровых фотосенсоров.

Сенсоры, их размеры и типы

Представьте себе большой спортзал со старой и дырявой крышей. Для того, чтобы выяснить, какие фрагменты крыши находятся в самом аварийном состоянии, а какие пока с ремонтом могут подождать, мы расставили по всему залу пустые вёдра, выровненные по квадратной сетке, и ждём дождя. После окончания дождя мы замеряем, сколько воды скопилось в каждом ведре, и на основании этого делаем выводы о состоянии крыши в целом. Примерно так работают все цифровые фотосенсоры: после открытия затвора чувствительные элементы, на которых фокусируется изображение, накапливают заряд, пропорциональный уровню освещённости. После закрытия затвора вспомогательная схема считывает сигнал с каждого элемента, усиливает его и преобразует в цифровую форму.

Небольшая нестыковочка: поскольку каждый светочувствительный элемент измеряет только уровень освещённости, описанная схема обладает лишь чёрно-белым зрением. Раньше в дорогих фотоаппаратах (и до сих пор в качественных видеокамерах) ставились три сенсора, по одному для каждого из основных цветов. Начиная с определённого момента, когда стоимость конечного продукта стала критическим параметром, эта схема была заменена так называемым цветовым массивом Байера. В этом массиве половина пикселей, расположенных в шахматном порядке, отвечает за зелёный цвет, к которому человеческий глаз наиболее чувствителен, а ещё по 25% пикселей считывают соответственно красный и синий цвета. Значения двух других цветов в каждой точке изображения интерполируются.

схема была заменена так называемым цветовым массивом Байера

Это важно понимать: каждый второй пиксель в полученной на максимальном разрешении сенсора фотографии имеет значение красного и синего каналов, рассчитанное по методу бикубической интерполяции, и на картинке нет ни одной точки, для которой измерены значения хотя бы двух из трёх каналов. Добавьте сюда неизбежные погрешности оцифровки — и в результате на итоговом изображении могут появляться различные артефакты, о которых будет много сказано ниже. Правда, математика не стоит на месте, и в последнее время начали применяться более комплексные алгоритмы интерполяции. Также совсем недавно фирма Sony представила новую цветовую схему RGBE, где E означает «emerald», то есть изумрудный цвет. В этой схеме два «зелёных» пикселя немного отличаются друг от друга по цвету, позволяя, таким образом, увеличить цветовой охват сенсора (но не исправляя ситуации с артефактами интерполяции). Также нельзя не упомянуть здесь новаторскую технологию SuperCCD от Fuji, в которой восьмиугольные пиксели расположены в шахматном порядке, что хоть и усложняет интерполяцию, но зато позволяет эффективно избавляться от артефактов.

Sony RGBE

Fuji SuperCCD

Sony RGBE

Fuji SuperCCD

Ещё одна важная характеристика, до сих пор остающаяся бичом всех цифровых камер — это цифровой шум, а именно —  точечные помехи, особенно хорошо заметные в условиях низкой освещённости. Они имеют ту же природу, что и шум на фотоплёнке: когда на светоприёмник попадает мало света, то соотношение случайного разброса уровней отдельных пикселей в сенсоре (или отдельных кристаллов серебра в плёнке) к полезному сигналу становится выше. Удобно снова представить себе длинные ряды ведёр: когда дождик маленький — сложнее сказать, какое ведро из двух соседних наполнилось больше, чем после сильного ливня, где разница видна сразу. Цифровой шум — неотъёмлемая часть цифровой фотографии, и борьба с ним — одна из основных задач производителей сенсоров и программного обеспечения для камер.

Кстати, покупающие себе первый цифровик люди часто спрашивают: почему в характеристиках камеры часто указывают две цифры разрешения сенсора: общую и эффективную? Отвечаю: это сделано как раз для борьбы с шумами. Несколько (от 6 до 12) крайних рядов пикселей на сенсорах закрываются непроницаемым фильтром, и с их помощью происходит оценка среднего уровня шума, который потом вычитается из итоговой картинки. Особенно это эффективно для борьбы с «тёмными токами» — шумами, вызванными хаотическим тепловым движением электронов по сенсору в отсутствии освещения (при закрытом затворе).

Ещё один очевидный способ борьбы с шумом — это увеличение площади сенсора. Действительно, чем больше она, тем больше площадь каждого светочувствительного элемента, он, в свою очередь, регистрирует больше света, и погрешность измерения становится меньше. Однако всё не так просто: цена сенсоров, особенно построенных на технологии CCD, растёт непропорционально быстро с ростом их площади. Кроме того, чем меньше сенсор, тем меньше предъявляемые им требования к геометрии оптики, тем дешевле объектив и тем больше у него может быть диапазон фокусных расстояний (или, проще говоря, зум).

Вы, наверное, уже не раз встречали обозначения размеров сенсоров вида 1/1.8", 1/2.7", 2/3" и т.п., и хотели бы узнать, что они означают на самом деле. Огорчу вас: эти цифры имеют весьма отдалённое отношение к реальным размерам сенсоров и обозначают не реальные, а так называемые «видиконовые» дюймы. Манера обозначать так размеры пошла со времен зарождения телевидения, когда приёмным элементом в телекамере служила электронная трубка («видикон»), а размер обозначал её диаметр (в который должен был вписываться с запасом снимаемый кадр). Для грубых прикидок можно считать, что «видиконовые» и реальные дюймы относятся как 3 к 2. Ниже в табличке я свёл типичные размеры сенсоров в миллиметрах:

Тип сенсора

Ширина (мм.)

Высота (мм.)

Кроп-фактор

1/3,6"

4

3

8,6

1/3,2"

4,54

3,42

7,6

1/3"

4,8

3,6

7,2

1/2,7"

5,37

4,04

6,4

1/2,5"

5,76

4,29

6

1/2"

6,4

4,8

5,4

1/1,8"

7,18

5,32

4,8

2/3"

8,8

6,6

3,9

1"

12,8

9,6

2,7

4/3"

18

13,5

1,9

APS-C

22

15

1,6

Кадр 35мм.

36

24

1

Обратите внимание, что большинство сенсоров имеют соотношение сторон 3:4, характерные для телевизионных экранов, тогда как пропорции «классического» 35-мм кадра составляют 2:3. У некоторых камер даже есть специальный режим съёмки, имитирующий эти пропорции, в том числе для удобства печати на фотобумаге размера 10×15.

Термином «кроп-фактор» принято обозначать соотношение диагонали сенсора и полноразмерного 35 мм кадра. Реальное значение он имеет только применительно к цифровым зеркалкам, расчитанным на установку стандартных объективов: во столько раз при том же рабочем отрезке якобы «увеличивается» их фокусное расстояние (что, само собой, является лукавством — не фокусное расстояние увеличивается, а угол зрения уменьшается за счет кадрирования картинки). Однако значение это довольно показательно с другой точки зрения: кроп-фактор является условным индикатором физического размера одного пикселя на сенсорах разных типоразмеров (при одинаковом разрешении, разумеется). Ведь чем больше пиксель — тем меньше шум, тем выше качество передачи светотеней. С увеличением размера матрицы качество и детальность картинки повышаются «драматически», как любят писать в англоязычных обзорах.

Сейчас я озвучу уже очевидную, но почему-то редко упоминающуюся истину. В погоне за маркетинговой привлекательностью производители постоянно наращивают разрешение своих сенсоров, убедив большинство потребителей в том, что в отрасли царит Его Величество Мегапиксель. Тут нас и подстерегает ловушка: из всего вышесказанного совершенно очевидно, что при одинаковом размере сенсора больше будет шуметь тот, у которого больше мегапикселей. Это нам, кстати,  со всей очевидностью показала Konica Minolta A2, отличная во всех прочих отношениях камера. Поэтому при выборе между двумя фотокамерами одной линейки (например, Panasonic Lumix FZ10 и FZ20) подумайте, так ли вам нужны все эти бессчётные мегапиксели, которые будут с раблезианской скоростью поедать ваши карты памяти, тогда как печатать свои снимки на размеры больше 15×20 вы всё равно не собираетесь? Кстати, выяснить требуемый размер снимка для печати на заданный формат очень легко: для идеального качества отпечатка в фотолаборатории нужное разрешение составляет около 230 точек на дюйм (dots per inch или dpi) или 90 точек на сантиметр. Для печати на принтере цифра может быть чуть больше, до 300 dpi включительно, поскольку  алгоритм растрирования принтера может использовать дополнительную информацию для печати промежуточными (светло-пурпурной и светло-голубой) красками, а также для построения сложного растра. Тем не менее, вполне приемлемым будет разрешение в 150 dpi или 60 точек на сантиметр. Таким образом, для распространённого формата печати 10×15 будет более-менее достаточно разрешения 900×600, максимальное же разрешение для этого формата составит 1800×1200, или чуть более 2 мегапикселоей (sic!). Для формата 15×20 рекомендуемым разрешением итоговой картинки будет 3, максимальным — 4 мегапикселя. Сенсор с более высоким разрешением, конечно, улучшит качество съёмки, но уже исключительно за счёт более мелких деталей, которые всё равно сгладятся на печати, и тут уже первую скрипку начинает играть скорее оптика. Плюс, конечно, надо иметь запас для кадрирования и увеличения, ну и потери при сжатии в JPEG менее заметны на больших картинках. В общем, как ни крути, а для бытовых надобностей сенсор с разрешением более 4 Мп не очень-то и нужен. При равном же количестве мегапикселей выбирать надо ту камеру, у которой больше размер сенсора.

Замечу попутно, что многое зависит и от объектива. Не буду углубляться в эту тематику, поскольку она не имеет прямого отношения к предмету статьи, а на разъяснение, что такое модуляционная передаточная функция (Modulation Transfer Function, MTF) и с чем её едят, уйдёт не одна страница. К сожалению, большинство производителей цифровых фотокамер даже среднего ценового диапазона не прилагают графиков MFT своих объективов, а жаль, поскольку при прямом её измерении очень часто выясняется, что находящиеся внутри камеры огромные мегапиксели попросту не имеют смысла, поскольку объектив элементарно неспособен обеспечить картинку такого качества.

Также маркетинговой атаке подверглась ещё одна характеристика сенсоров: их чувствительность, или ISO speed. Все мы знаем, что фотоплёнка выпускается для съёмок в условиях разной освещённости и отличается цифрой на коробке – обычно это 100, 200 или 400 ISO (кто постарше — должны помнить и разноцветные коробочки производства Шосткинского объединения «Свема», промаркированные цифрами 32, 64, 125 и 250). Чувствительность сенсора фотокамеры по сути задаётся коэффициентом на усилителе аналогового сигнала, снимаемого со светочувствительных элементов, и может варьироваться в очень широких пределах: от 50 до 3200 (!) единиц в ISO-эквиваленте. Надо лишь помнить, что с увеличением чувствительности пропорционально растёт и уровень шума. Понятно, что чем больше диапазон чувствительностей у сенсора, тем привлекательнее камера для покупателя, потому всё те же деятели, что ставят перед восьмимегапиксельным сенсором объектив размером с булавочную головку, часто завышают чувствительность ISO, как явно (и тогда снимки на такой камере с заданными параметрами выходят просто темнее, чем на "честном" аппарате), так и на программном уровне, когда увеличение яркости на две ступени происходит при обработке изображения микропроцессором камеры (кстати, точно также работает и режим 3200 ISO Boost в полупрофессиональных зеркалках Canon 10D/20D, но у них в инструкции об этом чётко говорится). Тем не менее, здесь мы можем видеть одно из наиболее очевидных преимуществ «цифры»: возможность съёмки в разных условиях освещённости без смены плёнки на более или менее чувствительную и всех связанных с этим камланий: записать номер кадра, смотать плёнку в кассету, вытянуть обратно язычок, потом снова отмотать её на нужную точку.

Большой процент профессионалов, тем не менее, переходить даже на цифровые зеркалки не спешит и продолжает снимать на плёнку. Когда у них спрашивают о причинах, они произносят загадочное слово «динамический диапазон» или «фотоширота». Что это такое? Очень просто: фотоширота — это разница логарифмических оптических плотностей, которую плёнка способна передать без искажений. Её часто путают с динамическим диапазоном, который является скорее характеристикой сканеров. В англоязычной практике эти два термина идентичны.

Поскольку этот пункт всегда вызывает разночтения и споры — разъясню подробно. Формула оптической плотности выглядит как D=log(I0/I), где I0 — это интенсивность упавшего света, а I — прошедшего. То есть если плёнка задерживает половину света — то плотность её в этой точке равна 0,3 D, четверть — 0,6 D, 10% — 1 D, 1% — 2 D и так далее. Теперь если на нашей плёнке максимальная плотность равна 2,8D, а минимальная — 0,7 D (в случае негативной плёнки это будет плотность маски), то её фотоширота составляет 2,1 D — величина, как раз характерная для негативной плёнки. У слайдовой плёнки диапазон фиксируемых плотностей намного больше — около 3,5 D, но лишь небольшая часть этого диапазона — порядка 1,5 D-1,8 D — лежит внутри области, которую я выделил курсивом: «без искажений». Всё прочее и называется «вытягиванием» слайда, когда из тёмных участков пытаются достать недостающие детали.

Теперь о фотошироте цифровых камер. Теоретическую фотошироту, которой любят оперировать маркетологи, получить легко, зная всего лишь внутреннюю разрядность сенсора. У большинства камер она составляет 36 бит, или 12 бит на цвет, или 4096 градаций. Считаем log(4096) и получаем максимальную теоретически возможную фотошироту в 3,6 D. Ого! — скажете вы. Должен вас расстроить: линейная часть её (без искажений!) составляет намного меньший отрезок, и реальный показатель после вычитания шума составляет порядка 1,1 D-1,4 D, что, тем не менее, вплотную приближается к фотошироте слайдовой плёнки. Не стоит также забывать, что большие потери в фотошироте происходят при записи картинки в формате JPEG, который от 12 бит оставляет в лучшем случае 8, а на самом деле, и того меньше. Фотоширота также зависит от размера сенсора и его разрешения: чем пиксель больше, тем больше полутонов он успеет запечатлеть за время экспозиии.

Возвращаясь к аналогии с вёдрами: фотоширота — это просто объём одного ведра. В самом деле, если дождь слишком сильный (сюжет слишком яркий), то некоторые вёдра могут переполниться, и мы никогда не узнаем, какая именно интенсивность была в данной точке. Получится засветка, часть информации будет навсегда утеряна, и ни в какой программе обработки восстановить её не удастся — только заново нарисовать или взять с другого кадра. В свою очередь, при слишком контрастном сюжете автоматика камеры, ограниченная её динамическим диапазоном, может (дабы не потерять светлые детали) выставить короткую выдержку и/или маленькую диафрагму, и мы потеряем детали уже в тенях (некоторые вёдра останутся сухими). Таким образом, сняв достаточно сложный сюжет на плёнку, мы получим в кристаллах серебра множество информации — как в светах, так и в тенях, и при печати или сканировании сможем выбрать, что именно нам важнее «вытянуть», а чем мы можем пожертвовать. Цифровик нам такой возможности не даст — решение надо принимать на месте и в момент съёмки. Масла в огонь подливает процесс перевода картинки в 8 бит на цвет для сохранения в JPEG (в этом случае спасти ситуацию может сохранение картинки в формате RAW, но такая возможность имеется далеко не у всех цифровых камер). Динамический диапазон также, очевидно, зависит напрямую от размера сенсора: чем больше отдельный пиксель, тем больше света он может на себя принять и тем больше градаций серого он может дать на выходе.

На этом кадре хорошо проработалось небо, но очень плохо — передний план
Увеличить (691 Кбайт)

На этом кадре хорошо проработалось небо, но очень плохо — передний план

...а на этом — наоборот
Увеличить (804 Кбайт)

...а на этом — наоборот

И последняя характеристика, имеющая непосредственное отношение к шуму — это покрытие площади сенсора светочувствительными элементами. В CCD-сенсорах конструктивно возможно достичь 100% заполненности, тогда как в CMOS этот параметр редко достигает 70%. Стоит, однако, уже расшифровать эти за две загадочные аббревиатуры.

CCD

Как я уже говорил, первые цифровые фотокамеры были построены на CCD-сенсорах. Технология CCD была разработана в конце 60-х в Bell Labs, и изначально предполагалась для использования в запоминающих устройствах. Принцип действия на первый взгляд несложен: сенсор состоит из массива прямоугольных элементов-конденсаторов, накапливающих падающий на них свет в виде электрического заряда. После того, как затвор камеры закрывается — массив строчка за строчкой последовательно «сливается» в специальную считывающую строку, из которой усиленные и переведенные в цифровой формат данные по одному пикселю переносятся в память фотокамеры. В процессе перетекания заряда CCD-сенсор «очищается», так что к моменту окончания цикла считывания он готов к следующему снимку. Именно возможность построчного считывания и отсутствие необходимости в дополнительной «очистке» сенсора и сделала в конечном итоге технологию CCD ведущей в использовании в телевизионных камерах. Ещё одно преимущество такого подхода — возможность достижения уже упомянутого 100% уровня покрытия поверхности сенсора светочувствительными элементами-пикселями, сведя к минимуму искажения при последующей интерполяции. Существует и альтернативная схема, при которой рядом с каждой «рабочей» строкой сенсора расположена считывающая строка: это позволяет многократно ускорить процесс считывания данных, но уменьшает процент покрытия сенсора и влечёт за собой необходимость в увеличении его площади при том же разрешении. Также за технологией CCD со 100% покрытием замечена такая неприятная особенность, как «перетекание» заряда с чрезмерно освещённых пикселей на менее освещённые соседние, получившее название blooming (расплывание), и вызванное теми же причинами, что и «тёмные токи».

«перетекание» заряда с чрезмерно освещённых пикселей на менее освещённые соседние, получившее название blooming (расплывание)

До последнего времени все качественные сенсоры с большим разрешением были построены на технологии CCD. В целом, эта технология имеет за плечами обширную историю, что компенсирует её многочисленные недостатки, как то: сложный и годный только для производства CCD технологический процесс, невозможность считывания фрагмента изображения, необходимость в обильной «обвязке» дополнительными микросхемами и высокое энергопотребление, что, в свою очередь, ведёт к существенному удорожанию конечного продукта.

CMOS

Использование технологии CCD в запоминающих устройствах оказалось нерентабельным, в том числе и по вышеперечисленным причинам. Её место было занято (и занято до сих пор) более дешёвой и простой в производстве технологией CMOS — Сomplementary Мetal Оxide Semiconductor, или по-русски КМОП — комплементарная структура «металл-оксид-полупроводник». CMOS-схема представляет собой многослойную «вафлю», в которой слои металла и полупроводника разделяются диэлектриком, в роли которого ранее выступал оксид кремния, отсюда и название. На этой «вафле» методом последовательной фотолитографии протравливается необходимая логическая схема, в которой изолирующий слой отделяет металлические контакты от полупроводниковой схемы, создавая, таким образом, массивы полевых транзисторов. Это исключительно дешёвый в производстве метод создания интегральных микросхем применяется уже несколько десятилетий, постоянно улучшаясь и совершенствуясь. Сотни фабрик в мире «выпекают» CMOS-вафли и производят на их базе различные электронные компоненты. Неудивительно, что однажды кому-то пришла в голову мысль использовать технологию CMOS для производства сенсоров для цифровых фотоаппаратов (любознательным сообщаю: это была фирма UMAX и произошло это в 1997 году).

Идея, лежащая в основе функционирования CMOS-сенсоров, ещё проще, чем у CCD. Каждый элемент активного (были ещё пассивные, но они давно не используются) CMOS-сенсора состоит из фотодиода и расположенных рядом с ним трёх транзисторов, вытравленных как единое целое. Первый транзистор представляет собой «персональный» усилитель сигнала данного пикселя (из-за него сенсор и называется активным). Второй транзистор работает как ключ, подключая пиксель к координатной сетке считывающих проводников. Третий транзистор подключён к проводнику, передающему команду «сброс», очищающую сенсор. Таким образом, обрабатывающий каскад может получить доступ к любому пикселю (или группе пикселей) в матрице, а считывание сигнала происходит практически мгновенно, что позволяет, во-первых «на лету» изменять разрешение сенсора, просто объединяя соседние пиксели в единое целое, и, во-вторых, также моментально переключаться с режима фотографии в режим записи видео, поскольку цикл «очистки» CMOS-матрицы представляет собой подачу на короткий срок  импульса на проводник «сброс». Нельзя также не отметить сверхнизкое энергопотребление CMOS-микросхем (а значит, меньше нагрев схемы, вызывающий увеличение шума). Ещё один огромный плюс технологии CMOS — это возможность разместить на том же кристалле все дополнительные схемы и элементы, а в идеале — и процессор для обработки сигнала, и заодно интерфейсные блоки, что превращает CMOS-сенсор в самодостаточный элемент электронной схемы. Именно CMOS-сенсоры используются в основном в мобильных телефонах.

Однако, несмотря на дешевизну и удобство производства сенсоров, также простоту построения продуктов на их базе, до недавнего времени качество получаемого при их помощи изображения было неудовлетворительным. В первую очередь, в силу конструктивных особенностей: поскольку каждому светочувствительному фотодиоду на сенсоре соответствует три дополнительных элемента плюс управляющие проводники, то их площадь (от 30% до 60% от суммарной) вычитается из общей площади пикселя, результатом чего становится недостаточное покрытие площади сенсора, а следовательно — неприемлемо низкая чувствительность и высокое значение цифрового шума (вспомните снова наш пример с вёдрами: при одинаковой силе дождя вёдра меньшего размера дадут более высокую погрешность измерения). Также большую проблему представляли собой высокие значения «тёмных токов» (см. выше) и геометрический шум CMOS-сенсоров, связанный с невозможностью в достаточной степени выдержать идентичность размеров всех пикселей на матрице.

Однако, около пяти лет назад развитие CMOS-технологии стало принимать лавинообразный характер. Были изобретены и внедрены новые технологии, призванные бороться с перечисленными проблемами, а именно: для борьбы со статическим и  геометрическим шумом, а также с «тёмными токами», стали применять технологию вычитания из картинки пустого кадра, а проблему недостаточного покрытия поверхности и отчасти «тёмных токов» решили, ещё уменьшив размер пикселей и поместив над ними слой микролинз, фокусирующих свет в центр пикселей. Это, в свою очередь, позволило создавать вместо трёхтранзисторных более сложные элементы, а  в недалёкой перспективе — начать размещение внутри пикселей индивидуальных аналого-цифровых преобразователей. Результаты не заставили себя ждать: лучшие на сегодняшний день по качеству картинки сенсоры в зеркалках Canon выполнены именно на технологии CMOS, и у них определённо есть куда совершенствоваться дальше. Специалисты считают, что будущее цифровой фотографии — именно за CMOS-технологией.

Foveon X3

Когда в 2002-м году компания Foveon, дочерняя структура National Semiconductor, объявила о создании новой технологии производства сенсоров на базе технологии CMOS, им поначалу никто не поверил: на дворе был бум доткомов и стартапов, и наблюдатели решили, что нам пытаются продать очередное vapourware — фиктивную технологию, направленную на освоение инвестиционных средств. Виданное ли дело: Foveon обещал отказаться от цветовых массивов вообще, а вместо этого разбить сенсор на три слоя, каждый из который отвечал бы за свой цвет. Утверждалось, что подобного эффекта можно добиться за счёт известной способности световых волн разной длины проникать на разную глубину внутрь полупроводника. Предполагалось, что эта технология поможет раз и навсегда избавиться от артефактов и искажений, вызванных интерполяцией цветов. Технология обзавелась приставкой X3, означавшей, что число мегапикселей надо умножать на три.

Сразу нашлись теоретики, с цифрами в руках «доказавшие» несостоятельность этой технологии: дескать, шум у этой матрицы будет в разы больше, чем у основанных на цветовом массиве Байера аналогов конкурентов. Однако, не прошло и года, как камеры на основе Foveon X3 с разрешением 4,5 Мп поступили в продажу. Сегодня в свет выходят камеры на основе нового сенсора Foveon, на этот раз с разрешением 10,2 Мп, и предлагающего такие функции, как прямой доступ к фрагментам изображения, группировка пикселей (переменный размер пикселей) и FillLight (осветление изображения без потери фотошироты). Всё говорит о том, что уже в ближайшем будущем Foveon сможет составить серьёзную конкуренцию традиционным сенсорам.

Всё говорит о том, что уже в ближайшем будущем Foveon сможет составить серьёзную конкуренцию традиционным сенсорам

Артефакты и искажения

Конечно, цифровые технологии пока далеки от идеала. Часто при цифровой фотосъёмке на снимках появляются детали, которых там быть не должно. Они называются артефактами и делятся на две основные категории: первичные, обусловленные цифровой природой сенсоров, и вторичные, вызванные последствиями борьбы с первичными артефактами.

Муар

Из первичных артефактов мы подробно рассмотрели шум и упомянули «расплывание», вызванное переэкспозицией. Следующий по неприятности эффект, муар, вызывается наложением друг на друга двух регулярных структур, одна из которых — пиксели сенсора, а другая — элемент изображения: сетка, черепица, решетчатый забор и т.п. За его отсутствие обычно отвечает устанавливаемый перед сенсором специальный фильтр, который немного размывает и смягчает картинку (иногда в качестве такого фильтра выступает последняя линза объектива), что, в свою очередь, может вызвать законное недовольство владельца, желающего получить чёткое изображение. Особенно неприятен цветной муар, являющийся комбинацией регулярного муара и вызванных им ошибок интерполяции цвета. В совсем запущенных случаях на муар может наложиться внутренний алгоритм повышения чёткости, результатом чего станет эффект типа «лабиринт».

муар

«Пилы»

Редко встречаемый в последнее время артефакт —цифровые процессоры продолжают развиваться. Если появляются, то являются, как правило, вторичным эффектом от работы алгоритма повышения чёткости: заострение контрастных границ цвета и яркости вызывает выпадение промежуточных пикселей, результатом чего становятся резкие «ступеньки».

«Нимбы»

Вторичный эффект, вызванный всё тем же повышением чёткости итоговой картинки. Повышение чёткости программным обеспечением камеры происходит по умолчанию практически всегда и тем вероятнее, чем менее «продвинутая» камера вам попалась (заставить процессор камеры прогонять по полученной картинке алгоритм повышения чёткости — намного дешевле, чем снабдить камеру высококачественным объективом). В результате на слегка размытых, но существенных перепадах светлых и тёмных областей могут появиться дополнительные границы — светлые на светлом поле и тёмные на тёмном. Избавиться от них практически невозможно. Единственный рецепт — безусловное отключение программного повышения чёткости, поскольку его всегда можно сделать самостоятельно при ручной обработке изображений.

Хроматические аберрации

Вообще не имеют отношения к цифровой фотографии и могут проявляться и на плёночных снимках тоже, но поскольку неопытный фотограф может их принять за «нимбы» — кратко остановимся и на них. Эти цветные ореолы, обычно синие или фиолетовые, возникают на резких границах яркого белого света и тени из-за неоднородных свойств материала линз, в результате чего разные цвета (длины волн) фокусируются в разных фокальных плоскостях или на разном расстоянии от оптической оси. Хроматические аберрации изредка могут быть вызваны использованием в сенсоре микролинз. Подавление их, особенно в широкоугольной конфигурации объектива — задача не всегда тривиальная, хотя часто помогает закрытие диафрагмы на пару делений.

Баланс белого

Сложно назвать этот эффект артефактом: по сути, это недоработка внутреннего алгоритма подбора оптимальной цветовой температуры сцены. Выражается это в неестественных цветах — чрезмерной желтизне в случае электрического освещения или синеватом или зеленоватом оттенке ламп дневного света. Как ни странно, но камеры с хорошим автоматическим балансом белого до сих пор являются редким случаем в цифровой фотографии. Хорошие камеры обычно имеют возможность ручной подгонки цветового баланса по белому бумажному листу. Поддаётся ручной корректировке только при условии съёмки в формате RAW.

Заключение

Надеюсь, этот небольшой экскурс в самое сердце цифровой фотокамеры поможет вам эффективнее пользоваться вашим фотоаппаратом и получать более качественные снимки, а также позволит избежать неприятных ошибок при выборе новой камеры в магазине. Впрочем, этому непростому процессу — выбору подходящей вам по задачам и цене цифровой фотокамеры — будет посвящена следующая серия статей моего коллеги Ильи Наумова. Не пропустите!


Автор
Сергей Аксенов

Комментарии