Цифровой фотоаппарат

или баллончика
со сжатым воздухом. Отпечатки пальцев можно стереть
чистой мягкой тканью, а при более сильных загрязнениях
может потребоваться специальная жидкость
для чистки оптики.
Матрица

Световое изображение, формируемое объективом
фотоаппарата, попадает на регистрирующее устройство.
В цифровых камерах в этой роли выступает
электронно-оптический преобразователь (ЭОП),
представляющий собой матрицу ПЗС — прибор с
зарядовой связью.

ПЗС (прибор с зарядовой связью) — устройство,
которое при попадании на его светочувствительную
область фотонов генерирует и накапливает электрический
заряд. Величина заряда определяется чувствительностью
прибора, интенсивностью и продолжительностью
освещения. В англоязычной литературе
обозначается CCD (Couple-Charged Device).

Упрощенно процесс преобразования света в электрический
заряд сводится к следующему. После подачи
электрического потенциала создается потенциальная
яма, хранящая заряд, обеспечиваемый внутренним
фотоэффектом.

Чем ярче свет, тем больше фотонов упадет на
ПЗС-элемент, и тем больший заряд накапливается в
яме. Этот заряд называется фототок, его значение довольно
мало и после считывания требует обязательного
усиления.

Одной из основных характеристик цифровой фотокамеры
является разрешение матрицы. Указывается
в виде пары чисел (первое число — количество
столбцов матрицы, второе — количество ее строк).

Цифровое изображение состоит из крошечных точек,
называемых пикселами (от англ. picture elements).
Чем больше пикселов, тем четче разрешение фотографии,
качественнее снимок.


Цифровой фотоаппарат

Мегапиксел (МР, один миллион точек) является
характеристикой разрешающей способности матрицы.
Для определения разрешения в мегапикселах
следует разделить на миллион произведение количества
точек по вертикали и горизонтали. В частности,
при разрешении 1600x1200 матрица называется
двухмегапиксельной.

Современные цифровые фотоаппараты имеют разрешение
от менее одного до более 5 мегапикселов.
Чем больше разрешение, то есть мегапикселов, тем
больше деталей изображения будет схвачено, как результат
— больше объем фотографий, четче снимок
(хотя качество также зависит от типа линз и установок
увеличения, которые используются).

С помощью одномегапиксельных камер можно
получать хорошие фотографии размером 7,5><10 см, а
трехмегапиксельные камеры дают возможность получать
снимки размером уже 20^25 см, но при этом они
занимают в три раза больше места в памяти фотоаппарата
или на жестком диске компьютера. Более подробная
информация на эту тему представлена в таблице.


Размер фото, см

27,5x35
20x25
2,5x17,5

•

10x15

•

7,5x10

e-mail

IMP 2MP ЗМР 4MP 5MP Разрешение

Конечно, большое разрешение — это хорошо,
можно детально рассмотреть на снимке с помощью
компьютера мелкие объекты. Но если вам не нужно изготавливать
большие плакаты или снимки для рекламных
щитов, то не стоит брать фотоаппарат с разрешением
больше 4 мегапикселов. Для снимков 10x15 см
вполне хватило бы и 2 мегапикселов. Хотя сейчас двухмегапиксельные
фотоаппараты по своим возможностям
часто считаются уже «вчерашним днем».

Можно сказать, что разрешение матрицы хватает
всем «цифровикам», поэтому при выборе фотоаппарата
этот параметр должен уже отходить на задний
план, а значит, обычному пользователю нужно обращать
внимание на другие характеристики, не так часто
встречающихся в описаниях фотоаппаратов, но
не менее важных для получения качественных снимков.
Рассмотрим их подробнее.

Динамический диапазон матрицы — интервал между
точно воспроизводимым сенсором самым темным
и самым светлым тоном сформированного объективом
изображения. Ведь съемка может вестись как в
солнечный день на улице, так и пасмурным вечером
в комнате, поэтому любой кадр содержит как очень
светлые, так и очень темные участки. Значит, каждый
элемент матрицы должен сохранить как считанные
электроны, генерируемые при слабом освещении,
так и максимальный заряд, создаваемый ярким
светом. С расширением динамического диапазона
возрастает число градаций яркости и, следовательно,
плавность полутонов создаваемого изображения.

Светочувствительность матрицы — способность
реагировать на световое излучение. Чувствительность
ПЗС-элемента можно разделить на две составляющие.

А В

Рис. 2 Влияние динамического диапазона на. качество кадра:
А — широкий динамический диапазон;
Б — узкий динамический диапазон

Одна из них — интегральная чувствительность, другая
способность ПЗС-элемента фиксировать различные
цветовые оттенки — спектральная чувствительность.

Как интегральная, так и спектральная чувствительность
определяется фототоком ПЗС-элемента.

Порог чувствительности — величина минимального
светового сигнала, который может быть «опознан
» регистрирующим свет устройством. Чем меньше
«опознаваемый» сигнал, тем выше порог чувствительности.


Светочувствительность измеряется в эквиваленте
ISO и обычно имеет относительные значения от
100 до 800. Это относительное значение можно выставлять
в меню камеры.

Абсолютная чувствительность зависит от геометрического
размера матрицы. Чем меньше размер, тем
хуже (меньше) чувствительность. С ростом относительной
светочувствительности возрастает уровень
шумов матрицы. Шум — это множество точек на
изображении, цвет и яркость которых резко отличается
от усредненных на данном участке. Шум более заметен на однородных по цвету и яркости снимках.
Поэтому, если необходимо снимать плохо освещенный
объект, лучше делать это при минимальной для
данной камеры чувствительности с более продолжительной
выдержкой.

В отличие от пленочных фотоаппаратов в цифровых
светочувствительность матрицы можно для каждого
кадра задавать индивидуально — как автоматически,
так и вручную. Фактически повышение
чувствительности матрицы представляет собой обычное
усиление сигнала на выходе матрицы, что-то вроде
увеличения громкости радиоприемника. Повышение
эквивалентной чувствительности обеспечивает
нормальную экспозицию при ситуации, когда выдержка
либо диафрагма ограничены определенным диапазоном.
Однако при повышении эквивалентной
чувствительности резко усиливается уровень шумов.
Поэтому эту функцию следует считать вынужденной
мерой и стараться не прибегать к ней.

При покупке не стоит обращать особого внимания
на чувствительность матрицы. Лучше обратить
внимание на ее геометрический размер и светосилу,
так как заявленное производителем значение чувствительности
мало о чем говорит.

Геометрический размер матрицы определяется
длиной ее диагонали. Указывается простой дробью,
например 1/1,8 в дюймах. Понятно, что 1/2.7 меньше,
чем 1/1,6; 1/1,6 меньше, чем 2/3 и т.д. Размер
матрицы показывает, какую площадь имеет квадратик
в 1 пиксел на ней. Чем больше эта площадь, тем
больше информации получит один сенсор, а значит,
передача изображения будет более точной. Если увеличить
разрешение матрицы, оставив прежние размеры
(что часто можно наблюдать у различных моделей), то качество снимка никак не улучшится. Наоборот
— появится шум. Чем меньше размеры матрицы,
тем больше она «шумит».

Если матрица маленькая, а разрешение для нее
большое, то изображение начинает «замыливаться»,
то есть фотоаппарат превращается в дорогую «мыльницу».

Дело в том, что габариты сенсора должны соответствовать
размерам светового изображения. В некоторых
моделях цифровых камер световое изображение
было меньше габаритов матрицы, производитель крупными
цифрами указывал количество элементов матрицы
(пикселов) и мелкими — реальное разрешение кадра,
которое было меньше (часть сенсора оказывалась за
«кадром»). В камерах, созданных на базе 35-миллиметровых
«зеркалок», ситуация обратная — матрица меньше
кадра пленки.

Размер матрицы влияет на ее основные (после
разрешения) характеристики — чувствительность и
динамический диапазон. Основные поставщики матриц,
наращивая их разрешение, стремились максимально
сохранить совместимость с предыдущими
моделями — упрощался процесс перехода на новый
сенсор. Однако при этом не изменялся размер сенсора,
в результате чувствительность пиксела уменьшалась,
а следовательно, сужался динамический диапазон
матрицы.

В цифровых камерах, созданных на базе 35-миллиметровых
«зеркалок», матрицы отличаются большими
габаритами, их чувствительность уже давно
достигла значений порядка ISO 6400(1), для чего
необходим широкий динамический диапазон, однако
в большинстве камер предельное значение чувствительности
не превышает ISO 800.
Как видно, брать фотоаппарат с большим разрешением
и малыми размерами матрицы не имеет
смысла, даже несмотря на то, что этот размер матрицы
сильно влияет на цену фотоаппарата.

Устройства обработки
и хранения фотоснимков


Аналогово-цифровой преобразователь

После съемки образовавшиеся заряды переносятся
в аналогово-цифровой преобразователь (АЦП —
analog to digital converter, ADC) — преобразователь
аналогового сигнала в цифровую форму. Здесь происходит
их оцифровка — преобразование в цифровой
вид. Большим зарядам присваиваются большие числа,
а небольшим — маленькие. Если заряд в ячейке
отсутствует, ему присваивается значение 0, а вот максимальное
значение зависит от разрядности АЦП.

Разрядность АЦП — объем дискретных степеней
сигнала, определяемых и кодируемых АЦП. Например,
разрядность 8 бит означает способность преобразователя
определить 28 уровней сигнала и закодировать
их в виде 256 дискретных значений.

Большая разрядность АЦП теоретически обозначает
большую глубину цвета (color depth) снимка.

Глубина цвета — разрядность обработки цвета,
описывающая максимальное количество цветовых
оттенков, которое можно воспроизвести. Обычно
выражается в битах, а количество оттенков вычисляется
так же, как и количество уровней сигнала АЦП.
К примеру, при 24-битной глубине цвета можно получить
16 777 216 оттенков цвета. Но при этом следует помнить, что разрядность должна быть адекватна
динамическому диапазону матрицы.

В недорогих цифровых камерах динамический
диапазон матриц таков, что для оцифровки достаточно
преобразователя с разрядностью 8 бит на каждый
из трех (красный, синий, зеленый) каналов, то есть
24-битных АЦП. В дорогих моделях используются
значительно более совершенные сенсоры — разрядность
АЦП составляет 12-16 бит на канал, то есть
36-48 бит. Зачем же нужен в два раза больший диапазон?
Ошибки в расчете экспозиции, даже в профессиональной
технике — совсем не редкость. «Лишние»
разряды позволяют «сдвинуть» кадр как в «темную»,
так и в «светлую» область, не теряя при этом важной
информации. К сожалению, у ряда моделей разрядность
преобразователя не более чем рекламный
трюк, и ничего, кроме лишнего занимаемого в памяти
места, «36-битные» кадры не содержат.

После того как световое изображение было зарегистрировано
матрицей и с помощью АЦП обрело
цифровую форму, оно поступает в распоряжение
микропроцессора, который обеспечивает интерполяцию
цвета, баланс белого, а также преобразование
снимка в один из общепринятых графических форматов.
А скорость считывания кадра с матрицы гораздо
выше скорости записи на любое долговременное
запоминающее устройство. Таким образом,
совершенно необходимым является устройство промежуточного
хранения и обработки данных.

Буферная память

Для хранения и обработки данных перед их записью
в долговременное запоминающее устройство используется буферная память. Она практически
полностью аналогична ОЗУ — оперативному запоминающему
устройству (англ. RAM, random access
memory), — которое применяется в компьютерах.

Это микросхема способна хранить информацию
только при наличии электрического питания. Если
камера внезапно выключится, вся информация (будущий
снимок) пропадет. Но этого не стоит опасаться!
Снимок находится в ОЗУ всего лишь доли секунды.
Здесь происходит его цифровая обработка — улучшается
тоно- и цветопередача, корректируется резкость,
яркость и контрастность изображения. Используемые
на этой стадии алгоритмы обработки
являются достоянием фирм-производителей фототехники.
Не секрет, что в цифровых камерах разных
фирм могут использоваться одинаковые светочувствительные
матрицы, а качество полученного изображения
будет существенно отличаться. Причина
этого кроется именно в различной цифровой обработке
полученного сигнала.

В камерах ранних моделей объема буферной памяти
хватало на обработку лишь одного снимка. Но по
мере увеличения емкости буферной памяти появилась
возможность сохранять несколько кадров и обрабатывать
их «в порядке живой очереди», а интервал между
экспозициями удалось заметно сократить.

Более того, при относительно больших объемах
буферной памяти появляется возможность реализовать
режим непрерывной съемки. Некоторые камеры
заполняют буфер «слепками» с матрицы, поэтому
при высокой скорости съемки протяженность
серии у них небольшая. Другие модели сначала полностью
обрабатывают кадр, затем помещают его в
очередь на запись в постоянную память. Такие фотоаппараты отличаются более продолжительными
сериями, но «скорострельность» у них ниже.

Форматы записи

Что представляет собой цифровое изображение,
записанное на карту памяти? Это последовательность
цифр, обозначающих яркость и цвет каждой
точки изображения. А что представляет собой текстовый
документ, записанный на диск? Это тоже
аналогичная последовательность цифр, только они
теперь обозначают не яркость, а разные буквы алфавита,
знаки препинания и т. д. Но каким образом
компьютер, а вместе с ним и вы можете сказать, что
представляет собой тот или иной файл, — возможно,
это текст, возможно, фотография, а может быть,
и видеофильм! Для того чтобы