Введение
- Какова роль сенсора в цифровой камере?
- Гарантирует ли большое количество пикселей сенсора высокое качество изображения?
- Действительно ли КМОП-сенсор лучше ПЗС-сенсора? Или хуже?
- Каковы причины неоднородности изображения, получаемого цифровой камерой?
В этой статье вы получите ответы на приведённые вопросы. Мы рассмотрим главный орган “зрения” цифровой камеры – сенсор, и разберём его на составляющие элементы.
В цифровой камере сенсор располагается точно там же, где плёнка у традиционных фотоаппаратов. Но сенсор – не единственный фактор, определяющий качество цифровой камеры. Немаловажными критериями являются оптика и программное обеспечение. К примеру, если используется качественный сенсор, но оптика или прошивка (специальное программное обеспечение) ему не соответствуют, то пострадает качество изображения.
Не только сенсор
В цифровой камере по сравнению с её предшественником, плёночным фотоаппаратом, изменилось немногое, по крайней мере, если рассматривать процесс получения изображения. Все фотоаппараты используют объектив (систему линз), затвор (он регулирует выдержку) и диафрагму (она регулирует свет, проходящий через объектив).
Различие появляется только тогда, когда мы будем рассматривать процессы, происходящие за объективом. Цветная негативная плёнка состоит из трёх слоёв, позволяющих вывести различные оттенки. Чтобы сенсор тоже смог воспроизводить оттенки цвета, ему приходится полагаться на различные решения.
Наиболее часто в камерах используется фильтр Байера (Bayer filter). Он состоит из мозаики прозрачных микролинз. Эти миниатюрные элементы имеют зелёную, красную или голубую окраску. В результате сенсор может выдавать многоцветное изображение.
Одновременно были разработаны и другие технологии. К примеру, американская компания Foveon разработала новый тип сенсора, который работает аналогично фотоплёнке, поскольку он тоже состоит из трёх слоёв, каждый из который чувствителен к своему цвету.
Камера Sygma SD9 использует именно такое решение Foveon, состоящее из трёх КМОП-сенсоров, с тремя миллионами наложенных друг на друга пикселей. Эта комбинация даёт хороший эффект при некоторых распространённых дефектах цифровых камер, таких, например, как расплывание изображения (blooming).
После сенсора
Сенсор состоит из миллионов крошечных элементов, которые принято называть пикселями. Впрочем, этот термин наводит путаницу. Изначально, до появления цифровых камер, пикселем называли одну точку в цифровом изображении. Если вы откроете фотографию в любом редакторе и сделаете сильное увеличение, то увидите, что изображение состоит из маленьких квадратиков того или иного цвета, – это и есть пиксели. Если после печати на фотографии заметны подобные маленькие квадратики, то этот дефект называют “пикселизацией”. Чем больше пикселей содержится в фотографии, тем больше можно увеличивать изображение до появления эффекта “пикселизации”, заметного невооружённого взгляда.
Но мы всё же будем называть крошечные светочувствительные элементы фотосайтами (photosites или microcells). Они предназначены для накопления определённого электрического заряда, зависящего от количества полученного света. Затем эти электрические заряды передаются, используя различные методы в зависимости от типа сенсора, на электрическую схему, которая усиливает их и преобразует в цифровые данные. Наконец, информация воссоздаётся в виде изображения и записывается на карточку памяти (Compact Flash, Memory stick, xD Card и т.д.). Обратите внимание, что определённое количество фотосайтов остаётся неактивным. Это количество зависит от числа фотосайтов на сенсоре. Возьмём, к примеру, сенсор, состоящий из 1,3 миллиона фотосайтов. Он выдаст изображение, состоящее из 1,2 миллиона пикселей. По сути, 100 000 фотосайтов остаются за чёрной маской и служат эталоном для других. Такова разница между реальным числом “пикселей” и эффективным их количеством.
После того, как нажат затвор фотоаппарата, фотосайты сенсора передают информацию на электрическую схему. Данные в той или иной степени усиливаются, в зависимости от реальной чувствительности сенсора и чувствительности, выбранной пользователем (100, 200, 400 ISO или больше). Чем большую чувствительность выбирает пользователь, тем сильнее усиливается сигнал. В свою очередь, это усиление негативно сказывается на изображении. Оно создаёт помехи, которые часто называют “шумом”. Помехи проявляются в виде наличия пикселей ошибочных цветов в тёмных областях изображения.
Затем информация от усилителя преобразуется в цифровой вид. Именно на этом этапе производители пытаются компенсировать дефекты, связанные с усилением сигнала, с помощью программных решений.
Различные типы сенсоров: ПЗС, КМОП и т.д.
ПЗС (CCD)
Сенсоры типа ПЗС (прибор с зарядовой связью) встречаются в большинстве цифровых камер. Информация в таких сенсорах передаётся с помощью последовательного перехода заряда от одного фотосайта к другому. Для корректной работы подобного сенсора должен использоваться внешний электронный таймер. Сенсоры ПЗС дают великолепное качество, однако производить их очень дорого.
Super CCD
Весной 2000 года компания Fujifilm анонсировала первую цифровую камеру с сенсором Super CCD. Ею стала Fuji FinePix 4700 Zoom. Новый тип сенсора, разработанный эксклюзивно Fuji, казался революционным, поскольку он позволял получать фотографии с 4,3 миллиона пикселей, используя сенсор всего с 2,4 миллиона фотосайтов. Но в реальности Fuji просто осуществила следующее: структура сенсора была изменена, и информация трактовалась таким образом, что изображение подвергалось “инфляции”. В сенсоре Fuji интересна именно структура. На классическом ПЗС-сенсоре фотосайты состоят из крошечных квадратиков, расположенных рядом друг с другом, как на шахматной доске (см. фотографию выше). На сенсоре Super CCD форма фотосайтов изменилась – они стали уже не квадратными, а шестиугольными, и их расположение напоминает соты. Цепи передачи электрических сигналов также подверглись преобразованиям, чтобы оптимизировать скорость передачи от сенсора до чипа. Данный сенсор даёт хорошие результаты по вертикальному и горизонтальному разрешениям, к которым привык человеческий глаз.
КМОП
Сенсоры КМОП (комплементарный металло-оксидный полупроводник) работают по-иному, хотя базовый принцип не изменился. Фотосайты, как и на ПЗС-сенсоре, чувствительны к свету и получают определённый электрический заряд в зависимости от количества полученного света. Здесь отличий нет. Однако внутри каждого фотосайта заряд, образующийся при попадании света, преобразуется напрямую в ток. Более того, сенсоры КМОП производить дешевле, чем ПЗС. В начале цифровой эры КМОП-сенсоры использовались в цифровых камерах первых поколений или даже web-камерах. Однако сегодня, когда в этом направлении были проведены масштабные исследования, существуют коммерчески-доступные камеры, легко обходящие конкурентов с ПЗС-сенсорами. В качестве примера можно привести камеры Canon 10D или 300D, которые дают изображение ничуть не хуже, чем Nikon D100 или D70.
Влияет ли число фотосайтов на качество сенсора?
Производители постоянно привлекают внимание к своим цифровым камерам, подчёркивая число фотосайтов на сенсоре. Но является ли этот фактор самым важным при оценке качества сенсора?
Чем больше число фотосайтов, тем больший формат фотографии можно получить без появления эффекта пикселизации. Это сильный аргумент. Но он не единственный. На самом деле, существует и другой важный параметр – размер сенсора. Если сенсор крошечный, как бывает в компактных камерах, качество получившейся фотографии будет не таким хорошим, как картинка SLR-камеры с большим сенсором. Как и в традиционном фотоделе, чем больше площадь освещённой поверхности (будь то кадр плёнки или сенсор), тем больше деталей изображения можно получить. Чтобы лучше понять этот факт, давайте вернёмся в мир традиционных плёночных фотоаппаратов. Снимок, полученный с помощью камеры типа APS и напечатанный в формате 20×30 см, будет неизбежно менее детальным, чем фотография формата 6×6 см – если качество оптики будет неизменным.
Если перейти к сенсорам полупрофессиональных цифровых камер, занимающих промежуточное положение между SLR-камерами и компактными моделями, то от камеры Minolta Dimage 7 (2001) до Konica Minolta Dimage A2 (2004) размер сенсора не изменился (2/3″). В то же время число фотосайтов на поверхности увеличилось с 5,24 миллиона до 8 миллионов. То же самое относится и к другим производителям, поскольку они используют сенсоры, по большей части, производства Sony. Инфляция числа фотосайтов позволяет получать фотографии большего размера, однако фотосайты становятся всё меньше и меньше, поэтому и их светочувствительность тоже снижается. Как мы уже говорили, сигнал, полученный светочувствительным элементом, усиливается. По мере уменьшения светочувствительности фотосайтов это усиление начинает играть всё большую роль. Но чем больше усиление, тем больше “шума” появляется в тёмных областях. Поэтому вы должны понимать, что сенсор с большим числом фотосайтов необязательно даёт изображение лучшего качества, чем сенсор того же размера, но с меньшим числом фотосайтов.
Размер сенсора
Ниже мы, в качестве примера, привели размеры всех распространённых сенсоров, рядом с которыми мы указали некоторые модели, использующие их.
1 – сенсоры 1/2,7″ или 1/2,5″
- Размер: Ш x В = 0,527 x 0,396 см
- Число фотосайтов: 3,3 или 4,1 миллиона
Эти сенсоры действительно крошечные, они используются в 3-мегапиксельных камерах типа Ricoh Caplio RX, Fuji Finepix F420 и Nikon Coolpix 3200. Камера Nikon Coolpix 4100, к примеру, имеет 4 миллиона пикселей. Данные сенсоры предназначены для камер начального уровня.
2 – сенсоры 1/1,8″
- Размер: Ш x В = 0,718 x 0,532 см
- Число фотосайтов: 4,1, 5 или 6,1 миллиона
Эти сенсоры используются в большинстве качественных компактных цифровых камер. В диапазоне четырёх мегапикселей здесь можно отметить модели Canon Digital Ixus S430 и Nikon Coolpix 4200. Сенсоры на 5 миллионов используются в камерах типа Nikon Coolpix 5200 и Casio QVR51. Что касается 6,1 миллиона, то здесь можно привести Olympus C60 и Kodak DX7630.
3 – сенсоры 2/3″
- Размер: Ш x В = 0,88 x 0,66 см
- Число фотосайтов: 8 миллионов
Эти сенсоры давно использовались в полупрофессиональных моделях, и сегодня они могут похвастаться 8 миллионами пикселей против 5 миллионов почти три года тому назад. Подобные сенсоры можно встретить в камерах Sony DSC-F828, Olympus C-8080, Canon PowerShot Pro 1 и Konica Minolta Dimage A2.
4 – сенсоры в формате APS
- Размер: Ш x В = 2,27 x 1,51 см
- Число фотосайтов: 6,1 миллиона
Именно такие сенсоры применяются в SLR-камерах типа Nikon D70 и Canon 300D на шесть миллионов пикселей.
5 – сенсоры в формате 24 x 36
- Размер: Ш x В = 3,6 x 2,4 см
- Число фотосайтов: 6,1, 8,5 или 14 миллионов
Эти сенсоры являются синонимами высочайшего качества в цифровой фотографии перед переходом на формат 6 x 6. Камера Kodak DCS slr/n или c использует именно такой сенсор с 14 миллионами пикселей. Модель Contax N Digital имеет скромные шесть миллионов. Камера Canon EOS 1D оснащёна сенсором 24×36 с 8,5 миллионов пикселей. Всё это оборудование является профессиональным, поэтому стоит очень дорого.
Всё решают деньги
Учитывая всё сказанное, вы наверняка зададитесь вопросом: почему производители не используют в своих камерах сенсоры большого размера. С одной стороны, основным препятствием на этом пути является цена. Сенсор большого размера (как и процессор) производить намного дороже. Кроме того, обратите внимание, что корпус первой Dimage практически идентичен последней модели A2. Так что ответ прост. Крупный производитель может использовать тот же корпус, что и для 6-мегапиксельного сенсора, заменив сенсор на более новый с семью или восемью миллионами фотосайтов. После чего производитель выпускает новую модель, которая кажется лучше, поскольку она использует сенсор с большим числом фотосайтов, однако умещается он в том же корпусе, что и у предшественницы.
Также отметим, что технологии обработки сигналов, особенно по критерию скорости, претерпели значительные улучшения. Иначе было бы просто невозможно обработать информацию от сенсора с восемью миллионами фотосайтов с помощью чипа, разработанного для обработки сигналов с сенсора на пять миллионов фотосайтов. Как уже было сказано, каждый производитель разрабатывает своё собственное программное решение, чтобы нивелировать вредные последствия усиления. Поскольку сенсоры у камер одинаковы, каждый производитель пытается выделиться именно разработкой лучшего программного решения. И при таких условиях некоторые производители справляются лучше других. Canon, к примеру, выпустила несколько великолепных моделей компактных камер в линейке “G”.
Проблема оптики
Но ограничения маленького сенсора на этом не кончаются. Цифровые камеры, использующие сенсор на 4 миллиона пикселей или на 3,34 миллиона размером 1/1,8″, упираются в ограничения объектива. В чём же здесь проблема? – спросите вы. Всё дело в области покрытия. Чем больше сенсор, тем легче оснастить камеру широкоугольным объективом. Именно поэтому полупрофессиональные модели (использующие сенсор размером 2/3″) имеют минимальное фокусное расстояние 28 мм.
Современные сенсоры
Совершенствование программного обеспечения, которое преобразует данные сенсора, позволило использовать сенсоры меньшего размера с прежним числом фотосайтов. В зависимости от размера сенсора камеры можно разбить на несколько основных категорий, однако следует помнить, что это не абсолютное разделение. Сенсор с размером 1/2,7″ и 3 миллионами фотосайтов используется в компактных моделях начального уровня. В большинстве качественных компактных камер можно встретить сенсор 1/1,8″ с числом фотосайтов от 4 до 6 миллионов. 2/3″ сенсор является уделом полупрофессиональных моделей, чаще всего с 8 миллионами фотосайтов. Наконец, сенсор формата APS на 6 миллионов фотосайтов используется в недорогих SLR-моделях.
Дефекты изображения, вызванные сенсором
Расплывание (Blooming)
За этим странным словом скрывается дефект, который хорошо известен всем тем, кто практикуется в области цифровой фотографии. Он появляется, когда изображение имеет сильную локальную контрастность. Что такое локальная контрастность? Эта область, где светлый объект находится по соседству с тёмной областью. Если вы посмотрите на эти области изображения под увеличительным стеклом, то обнаружите, что пиксели на границе двух областей имеют не тот цвет, который нужно. Фотосайты на границе просто не могут разобраться в подобной ситуации. Они “переходят” на соседнюю область, что даёт неправильную яркость и распределение, в результате чего появляется эффект расплывания соседних фотосайтов.
Для решения этой проблемы производители выработали различные аппаратные и программные решения. К примеру, Foveon со своим сенсором 3x, решила наложить друг на друга три КМОП-сенсора, каждый из которых чувствителен к своему цвету. Это решение позволило нейтрализовать эффект расплывания, хотя привело к появлению некоторых проблем в других областях.
Другие компании предпочли программные решения. Данные, посылаемые сенсором на схему, обрабатываются таким образом, чтобы свести к минимуму эффект расплывания.
“Шум” (Noise)
Слово “шум” обычно связывают не с изображениями, а со звуком, однако с появлением цифровых камер оно стало ассоциироваться и с этой областью. Под “шумом” понимают пиксели светлых оттенков, наблюдаемые в тёмных областях, хотя там их не должно быть. Результат напоминает частицы пыли. Как было сказано выше, эти дефекты являются следствием усиления сигнала, выходящего из сенсора. Чем меньше светочувствительность сенсора, тем сильнее необходимо усиливать сигнал, и тем больше будет “шум”. Поэтому производителям приходится оснащать свои модели различными программными или аппаратными решениями, снижающими эффект “шума” после усиления.
Чему отдать преимущество?
По итогам нашего обсуждения можно сказать, что КМОП-сенсор Canon эквивалентен по качеству ПЗС-сенсору. Технология Fuji Super CCD является интересной альтернативой для камер, обеспечивающих (хоть и хитростью) высокое разрешение по приемлемой цене. Технология сегодня вполне отработана, так что её качество не вызывает нареканий.
Что касается размера сенсора, то он приближается к пределам. Преимущество от увеличения числа фотосайтов сегодня уже не так очевидно, особенно если учесть высокую цену и немалый уровень “шума”. Что касается компактных моделей с сенсором 1/1,8″, то шесть миллионов пикселей здесь вряд ли следует считать технологическим достижением. Учитывая способ использования подобных камер (чаще всего, это распечатка фотографий 10×15), сенсор на 4 миллиона фотосайтов справится с работой не хуже (а, может, и лучше) за меньшую цену. То же самое относится и к печати с полупрофессиональных камер, оснащённых 2/3″ сенсором. Прирост качества от восьми миллионов фотосайтов, по сравнению с пятью миллионами, не очевиден, особенно если учесть проблемы с повышением уровня “шума”.
Если посмотреть на ситуацию только с точки зрения сенсора, не принимая во внимания компактность камеры, то лучшим выбором будет, конечно же, ПЗС-сенсор формата APS на шесть миллионов фотосайтов. Он встречается в SLR-камерах типа Nikon D70. Или можно взять КМОП-эквивалент у Canon 300D. Эти камеры обладают лучшим соотношением качество/цена и дают лучшее качество изображения для любителей, причём его размер будет достаточен для распечатки на формате вплоть до A3.
