Анатомия цифровой камеры: Что у нее внутри?

Основным материалом для изготовления сенсора служит краеугольный камень современной цивилизации, скрывающийся внутри самых разнообразных предметов, от микросхем бытовой электроники до бюстов голливудских звезд, — кремний (он же силикон). Фотоны, падающие на поверхность сенсора, выбивают электроны с внешней орбиты атомов кремния, образуя пару «электрон — дырка». Дальнейшая судьба внезапно обретшего свободу электрона (его путь до усилителя) зависит от того, какой из двух распространенных сейчас типов сенсора (CCD или CMOS) используется в камере.

CCD (ChargeCoupled Device, он же прибор с зарядовой связью, ПЗС) в данный момент является наиболее распространенным типом сенсора. Как и конкурирующая технология (CMOS), он был разработан Bell Laboratories в конце 60-x и изначально предназначался для использования в качестве компьютерной памяти. Однако уже в начале 70-х появились первые коммерческие CCD-матрицы с разрешением, пригодным для использования в телевизионных камерах. Принцип действия CCD основан на накоплении электронов, освобожденных в результате фотоэлектрического процесса, непосредственно в пикселях матрицы (в так называемых «потенциальных ямах»), потом построчного перемещения зарядов, накопленных в этих ямах, на соседние строчки (отсюда и название технологии), а затем — и на край матрицы. Строчку, оказавшуюся с краю, аналогичным образом попиксельно сдвигают в один из углов, где заряды попадают на вход усилителя и преобразуются в электрический ток. Как же устроены «потенциальные ямы» и каким образом происходит сдвиг зарядов из ямы в яму? На поверхность кремниевой пластины сенсора наносится тончайший слой окисла кремния, служащего диэлектриком, а за ним — слой металла (электрод), на который во время «экспозиции» матрицы подается положительный потенциал. В результате в прилегающем полупроводнике возникает электрическое поле, отталкивающее дырки и притягивающее свободные электроны. Чем дольше экспонировалась матрица и чем больше фотонов попало на отдельный пиксель сенсора, тем больше электронов скапливается в потенциальной яме этого пикселя. Если на электрод соседней строки матрицы будет подан больший потенциал, заряд переместится в соседнюю, «более глубокую» потенциальную яму. Таким образом во время считывания осуществляется перенос зарядов к краю матрицы и в сторону усилителя. Усиленный сигнал попадает на вход аналогово-цифрового преобразователя (АЦП), а затем уже подвергается цифровой обработке.

Другой набирающей популярность технологией изготовления сенсоров цифровых камер является CMOS (Complimentary Metal-Oxide-Semiconductor, или Комплиментарная Метал-Окисел-Полупроводник [схема], КМОП). В отличие от CCD, CMOS выполняет преобразование заряда в напряжение (то есть усиление) непосредственно в самом пикселе, а затем обеспечивает прямой доступ к содержимому произвольного пикселя аналогично тому, как это происходит в памяти компьютера. Произвольный доступ к элементам изображения позволяет увеличить скорость камеры при предварительном считывании, а за счет использования для изготовления сенсора технологии, широко применяемой при производстве многих цифровых микросхем, CMOSсенсоры могут быть интегрированы с другими компонентами цифровой камеры — АЦП и даже процессором, выполняющим обработку изображения. К преимуществам CMOS можно отнести значительно более скромное энергопотребление, а также компактность и дешевизну всей конструкции камеры, ведь усилитель и АЦП как отдельные компоненты уже не нужны. Однако до недавнего времени CMOS использовался только в самых дешевых камерах, поскольку он не мог соперничать с CCD по качеству изображения: за счет того, что каждый пиксель пользуется собственным усилителем, в результирующей картинке был заметен изрядный разнобой. Да и с чувствительностью матрицы возникали проблемы, ведь за счет обилия электроники на матрице оставалось не так уж и много места для собственно светочувствительных элементов. Однако возросшее качество производства кремниевых пластин, улучшенная схема усилителя и продвинутые технологии подавления шумов нынче позволяют CMOS-сенсорам вполне успешно конкурировать по качеству с CCD. Так что даже Canon несколько лет назад отважился выпускать цифровые «зеркалки» профессионального уровня (D-30, а ныне D-60 и D-10) на базе CMOS-сенсоров.

Как легко представить, чем больше расстояние от центра кадра, тем меньше угол, под которым лучи света падают на поверхность сенсора, а под прямым углом лучи попадают на сенсор лишь в центре кадра. Обычная фотопленка не особенно чувствительна к углу падения света, а вот в случае сенсора это критично. Так что производителям некоторых матриц и здесь приходится идти на изрядные ухищрения, располагая над каждым из пикселей микроскопическую линзочку, фокусирующую луч света в нужное место и под правильным углом.

Любой из описанных выше сенсоров сам по себе — устройство монохромное. Для того чтобы сделать матрицу чувствительной к цвету, на поверхность пикселей наносятся миниатюрные светофильтры из «основных» цветов. Наиболее распространен шаблон Байера, в котором расставленные в шахматном порядке зеленые пиксели чередуются с синими и красными (см. рис.). То, что зеленых пикселей в два раза больше каждого из остальных двух цветов, объясняется повышенной чувствительностью человеческого глаза к зеленому цвету, а также тем фактом, что зеленый наиболее существенно влияет на субъективную резкость картинки. Таким образом, в 3мегапиксельной камере матрица насчитывает 1,5 млн зеленых пикселей и по 750 тыс. синих и красных. Как же камере удается обеспечить на выходе картинку, в которой 3 млн полноцветных пикселей? Процессор камеры использует интерполяцию, для того чтобы по интенсивности соседних пикселей другого цвета вычислить недостающую цветовую информацию для каждой точки картинки.

Некоторые камеры в состоянии выдавать картинки с разрешением, превышающим реальное разрешение сенсора. Откуда берутся лишние пиксели, вы, наверное, уже начали догадываться. Как и в случае с цветами, они получаются в результате интерполяции. Многие не без оснований полагают, что такой подход увеличивает не качество картинки, а размер файла. Ведь дополнительной информации от этого не появляется, а увеличить количество пикселей в картинке вы можете и сами, вашим любимым графическим редактором.

Еще одна занятная неоднозначность, которую вы часто можете заметить в технических характеристиках камеры, — это небольшое расхождение между «номинальным» и «рабочим» количеством пикселей сенсора. Как правило, разница не превышает 5%, так что едва ли существенна на практике, но зачастую не дает покоя любопытству. Причин тому, что не все пиксели матрицы оказываются рабочими, несколько. Во-первых, при изготовлении сенсора неизбежны микроскопические дефекты. Кроме этого, часть пространства матрицы камера использует для служебных целей — к примеру, для определения величины «темных токов».

Принято считать, что качество картинки «цифровика» прежде всего зависит от количества пикселей на сенсоре. Именно этот параметр изготовитель гордо пишет на лицевой панели камеры, да и в разного рода обзорах и сравнениях эту цифру считают определяющей класс камеры. Отчасти такое мнение оправдано, ведь чем на большее количество пикселей разбит кадр, тем больше деталей он передает и тем более резко смотрится снимок. Однако просто «нарезать» сенсор на большее количество пикселей — это отнюдь не решение проблемы качества, ведь при одном и том же размере матрицы чем больше на ней пикселей, тем меньше каждый из них. А с уменьшением размера пикселя падает и его чувствительность, так как и света на него попадает меньше. Таким образом, сигнал придется еще больше усиливать, а при усилении вместе с полезным сигналом усилятся и вредные шумы, возникающие в матрице по многочисленным причинам, — это и так называемые «темные токи», то есть заряд, снимаемый с матрицы даже при отсутствии освещения, и тепловые помехи от греющихся во время работы камеры микросхем, и электроны, залетевшие на соседний пиксель во время экспозиции или «заблудившиеся» при считывании. Поэтому одним из наиболее существенных формальных показателей, определяющих качество цифровой камеры, является динамический диапазон, выражающийся в децибелах и подсчитывающийся как 20 х log10 х (максимальный уровень сигнала / уровень шумов). Определенные выводы можно сделать и из размера матрицы. К примеру, качество снимков уже упомянутого 3-мегапиксельного Canon D-30 заметно превосходит многие современные 5-мегапиксельные мыльницы, и это несмотря на CMOS-сенсор! (Справедливости ради надо отметить, что D-30 и стоит недешево.)

Обсудив столь подробно «сердце» камеры, ее сенсор, давайте теперь перейдем к «мозгу», то есть к процессору. Его роль сводится к тому, чтобы сделать из информации об интенсивности отдельных пикселей, выходящей из аналогово-цифрового преобразователя, красивую картинку. Прежде всего, для этого необходимо восстановить информацию о цвете и, в некоторых случаях, повысить разрешение картинки за счет интерполяции. Дальнейшая обработка может включать коррекцию баланса белого, яркости и контраста, а также различные визуальные эффекты — к примеру, тонирование изображения или даже исправление дефектов оптики за счет программного увеличения резкости. Завершающей стадией обработки является сжатие картинки — разумеется, для того, чтобы в память камеры помещалось больше снимков. От быстродействия процессора камеры и объема буферной памяти напрямую зависит «скорострельность» камеры, то есть то, насколько быстро вы можете снять серию снимков и сколько кадров камера успеет снять перед тем, как крепко задумается.

Как уже упоминалось, считается, что количество мегапикселей в камере определяет ее класс, а вслед за ним и ценовую категорию. Поэтому при покупке вы, возможно, озадачитесь вопросом: «А сколько мегапикселей нужно для счастья?». Ответ на этот вопрос, безусловно, зависит от того, что вы собираетесь делать со снимками. Если ваша задача — просто выложить их на веб или послать друзьям по email, вам, скорее всего, подойдет даже мегапиксельная камера. На мониторе все равно много не разглядишь, да и миллион пикселей — это примерно столько, сколько обычно помещается на экране компьютера. Однако привычный процесс рассматривания бумажных фотографий обладает какой-то особенной притягательностью, так что не все готовы променять его на кликанье мышкой в браузере. И, скорее всего, рано или поздно вы пожелаете придать осязаемую форму своим цифровым творениям. Приличное качество печати подразумевает разрешение 300 точек на дюйм, так что для обычных отпечатков 10x15 потребуется изображение размером уже почти 1800x1200, то есть примерно 2 мегапикселя. А если учесть возможность скадрировать снимок и разные погрешности при последующей компьютерной обработке, то 3 мегапикселя кажутся более уместными. Если же вас греют мысли о возможности повесить на стену отпечаток большого формата, то вам в пору призадуматься о покупке камеры с большим разрешением, а вместе с этим, и о том, окупят ли удобства цифровой обработки разницу в цене между приличным «цифровиком» и хорошей пленочной камерой.

С увеличением качества сенсора и приближением его разрешающей способности к пленке наиболее важным для получения хорошей фотографии компонентом камеры становится объектив. К счастью, относительно высокая цена «цифровиков» позволяет большинству изготовителей не экономить на оптике. К тому же, формат кадра у цифрового фотоаппарата обычно значительно меньше, чем у пленочного, так что и оптика требуется более скромных размеров, а значит, и более дешевая. Поэтому компактным цифровым камерам зачастую достаются объективы с приличным качеством и хорошей светосилой. Многие именитые изготовители электроники, не имеющие собственного опыта разработки объективов, выпускают «цифровики» с оптикой известных фирм. К примеру, Panasonic ставит объективы от Leica, Sony — от Сarl Zeiss, Fuji — от Nikon, а Casio — от Canon. Одним из основных параметров объектива является фокусное расстояние: от него зависит угол зрения и увеличение объектива. С легкой руки фирмы Leitz, вот уже более чем полвека большинство фотографов снимают на 35-миллиметровые камеры и давно уже привыкли к фокусным расстояниям объективов, рассчитанных на формат кадра 24x35. Так, объективы с фокусным расстоянием 50 мм имеют угол зрения как у человеческого глаза. 28−35 мм — классические широкоугольные объективы, удобные для съемки пейзажей, а также устанавливаемые на большинство «мыльниц». 85−135 мм — длиннофокусные объективы, наиболее подходящие для портретов. 300−500 мм — телевики, обычно используемые для удаленной съемки футбола, диких животных и важных персон. Как уже упоминалось, формат кадра цифровых камер значительно меньше, поэтому и фокусные расстояния там фигурируют совсем другие. Но чтобы не создавать путаницы, изготовители часто указывают аналог фокусного расстояния для 35-миллиметрового кадра. Например, настоящее фокусное расстояние зума у Minolta Dimage 7 — от 7,2 до 50,8 мм, а аналогичный объектив для 35 мм имел бы фокусное расстояние от 28 до 200 мм (то есть, по сравнению со стандартным объективом 50 мм, он обеспечивает четырехкратное увеличение и почти двукратное уменьшение изображения). Многие изготовители встраивают в камеру функцию «цифрового зума» — попросту, возможность взять кусок изображения из центра матрицы и «растянуть» его до размера всего кадра в процессе цифровой обработки. Как и в случае интерполяционного увеличения разрешения камеры, практическая полезность такой функциональности весьма невелика, ведь любой графический редактор справится с этим ничуть не хуже камеры. Профессиональные цифровые камеры допускают установку сменных объективов со своих пленочных аналогов. Однако сенсоры с размером полноценного пленочного кадра (24x35 мм) появились лишь недавно, да и стоят ощутимо дорого даже для профессиональной техники. До недавнего времени в большинство зеркалок устанавливали матрицы размером 15x22 мм, так что фокусное расстояние обычных объективов автоматически увеличивалось в 1,6 раза. Что, с одной стороны, даже неплохо, потому как делало более доступными дальнобойные телевики, но, с другой стороны, практически лишало фотографов «сверхширокоугольных» объективов.

Несмотря на многочисленные плюсы цифровой фотографии, пленка все еще не окончательно сдала свои позиции. Скорострельность и время реакции на спуск затвора даже у профессиональных цифровых камер не могут сравняться с многими пленочными моделями любительского уровня. В некоторых условиях старые механические камеры оказываются единственным решением, так как не требуют зарядки. А если вы едете в путешествие с цифровой камерой, вам придется подумать не только о том, где и от чего ее заряжать, но и о ноутбуке или хорошем запасе недешевых цифровых носителей, чтобы было где складировать отснятые кадры. Если вы продвинутый фотолюбитель, то цифровая техника обеспечивает для вас далеко не лучшее отношение «цена — качество». Покупая даже хорошую цифровую камеру (около $1000), вы вынуждены довольствоваться несменным объективом и серьезными неудобствами ручной фокусировки. В то время как за те же деньги могли бы купить весьма серьезную пленочную «зеркалку» с парой неплохих объективов.

И все же рано или поздно «цифра» победит — победят оперативность получения снимков, отсутствие затрат на пленку и неудобств, связанных с ее проявкой, компактность и надежность камеры (ведь можно обойтись без механического затвора и прыгающего зеркала). А главное — победит возможность обрабатывать и печатать свои снимки самому, без всех неудобств, связанных с фотохимическим процессом, и не прибегая для этого к помощи «минилабов».