Преобразование оптического сигнала в цифровых фотокамерах

 

Светочувствительные элементы, воспринимающие разные базовые цвета, по поверхности матрицы чаще всего  располагаются следующим образом:

Такое расположение фильтров на ячейках матрицы называется шаблоном Байера

В последнее время появились  и другие технологии. Есть матрицы  с восьмиугольными элементами. Есть четырехцветные матрицы (четвертый  цвет - изумрудный). Наконец, трехслойные  матрицы, где каждый слой отвечает за соответствующий базовый цвет. Соответственно, светочувствительных элементов  у трехслойных матриц в три  раза больше, и качество изображения  должно быть существенно выше.

Описанные типы матриц –  однослойные, но есть еще и трехслойные, где каждая ячейка воспринимает одновременно три цвета, различая разноокрашенные  цветовые потоки по длине волн.

Трехслойная матрица

Цветное изображение строится электроникой камеры уже после преобразования аналогового электрического сигнала, снимаемого с ячеек сенсора камеры в цифровой код аналого-цифровым преобразователем АЦП (если говорить о  сенсорах CCD, сенсоры CMOS сами могут обрабатывать цветовую составляющую сигнала, поскольку  обычно это большие многофункциональные  микросхемы).

a – Микролинзы, b – Фильтр  цвета, c – Фотодиод, d – Миллионы  световых сенсоров

В получении цветовой информации участвуют все экспонированные  элементы ячейки. При обработке ее применяются сложные методы интерполяции. В частности, учитывается цветовая составляющая соседних элементов (пикселей). В результате электроника камеры выдает реалистичную полноцветную картинку максимально соответствующую действительному  изображению.

Формат RAW

Когда на матрицу попадет  свет, светочувствительная ячейка преобразует  его в ток, сила которого пропорциональна  количеству света, попавшего на элемент. При помощи проводников, которыми пронизан сенсор, данные о силе токов попадают в процессор камеры. Процессор  преобразует величины токов в  яркости пикселей на картинке. После преобразования картинка состоит из точек красного, зеленого и синего цветов. В случае съемки в формате RAW эти данные безо всякой обработки просто записываются в файл. Если же снимок сохраняется в другом формате (обычно это JPEG), эти данные обрабатываются процессором. Поскольку процессор камеры обладает ограниченной производительностью, он должен выполнять обработку быстро, чтобы быть готовым к принятию новых данных с матрицы. Для сокращения времени обработки берутся только 8-битные группы из 12-битной информации ячейки, а 4-битный остаток отбрасывается. То есть, к примеру, из 4096 градаций серого в JPEG остается только 256. После этого данные записываются в файл на карту памяти. Затем процессор выполняет корректировку цвета в соответствии с настройками баланса белого, приводит снимок в соответствие с настройками контраста и насыщенности и, возможно, чуть размывает картинку.

С RAW-файлом этих преобразований не происходит. Кроме того, RAW, в отличие от JPEG, не сжимаются. Этим объясняется больший объем RAW-файлов и большее количество информации, которое в них содержится. Таким образом, объем RAW-файла в байтах примерно равен количеству пикселей в камере, то есть RAW-файл с шестимегапиксельной камеры будет весить порядка шести мегабайт, с восьмимегапиксельной — восемь, и так далее.

Расширения файлов RAW

• .crw и .cr2 — Canon
• .nef — Nikon
• .raf — Fuji
• .orf — Olympus
• .arw;.srf и.sr2 — Sony
• .x3f — Sigma
• .ptx и.pef — Pentax
• .bay — Casio
• .dcr и.kdc — Kodak
• .erf — Epson
• .mrw — Minolta

Несмотря на общий принцип  действия, матрицы для цифровых фотоаппаратов  изготавливаются по разным технологическим  процессам, и в них применяются  разные алгоритмы оптимизации данных. Это приводит к тому, что несмотря на общее название формата данных, RAW от разных камер несовместимы между собой. Более того, зачастую RAW от одной камеры не будут просматриваться на другой камере того же производителя. Кроме собственных форматов, список которых вы можете найти во врезке,существует общий стандартизированный формат RAW, разработанный и поддерживаемый фирмой Adobe. Он называется DNG (от Digital NeGative — цифровой негатив). Некоторые производители цифровых фотокамер оснащают свои камеры поддержкой этого формата, но большинство все-таки предпочитает пользоваться собственным форматом RAW. Adobe, продвигающая свой формат, выпустила конвертер, позволяющий конвертировать RAW-файлы практически любого формата (на данный момент в списке поддерживаемых — 69 форматов) в файлы DNG. Конвертер можно бесплатно скачать на сайте компании Adobe.

Благодаря тому, что  данные в сыром файле не подвергаются обработке, RAW-файл содержит гораздо  больше деталей, чем вроде бы такой  же JPEG. Помимо большего количества деталей, RAW лучше сохраняет полутона на картинке. Кроме этого, RAW имеет и другие достоинства:

• Возможность коррекции экспозиции после съемки. Не стоит надеяться, что из идеально черного кадра можно будет достать то, что было в реальности, однако поправить излишне темный снимок без потери качества можно.
• Поистине безграничные возможности коррекции баланса белого — и тоже без потерь качества.
• Преобразование можно повторить много раз, причем в поисках наилучшего результата параметры можно каждый раз менять.
• RAW — единственный формат, позволяющий делать HDR (об этом интересном направлении в цифровой фотографии мы напишем в следующем номере) из одного файла. Также при обработке RAW можно частично компенсировать недостаточный динамический диапазон матрицы цифрового фотоаппарата (что это такое, будет показано в примере обработки RAW)

Но бесплатный сыр бывает только в мышеловке, и помимо достоинств формат RAW имеет и свои недостатки:

• Значительно больший объем файла. При хранении на огромном жестком диске это не очень критично, но объем карты памяти «в кадрах» уменьшается в несколько раз. Если карта не очень большая, это может стать причиной для беспокойства.
• Для просмотра и редактирования RAW требуется специальное программное обеспечение. Впрочем, производители камер, поддерживающих съемку в RAW, не мирятся с этим недостатком: в коробке с камерой всегда есть диск, с которого это программное обеспечение можно установить.
• Максимальная длина серии RAW меньше длины серии JPEG, кроме того, нередко и скорость съемки в RAW ниже максимальной для данной камеры.

Виды матриц

В современных цифровых зеркальных фотоаппаратах применяются матрицы  двух типов, каждый из которых имеет  как достоинства, так и недостатки.

СCD. ПЗС, «Прибор с зарядовой связью». Первая из разработанных, эта технология обеспечивает высокое качество изображения, широкий динамический диапазон и низкий уровень шумов. Из недостатков надо отметить сравнительно высокую цену, а также весьма существенное энергопотребление. Камеры, использующие ПЗС-матрицу, дают более качественное изображение, но работают медленнее, что выражается в заметном снижении скорости серийной съемки. Зеркальные фотоаппараты с ПЗС-матрицами, как правило, не оснащаются функцией записи видео;

CMOS. По-русски этот тип также называют «КМОП» — «комплементарный металлооксидный полупроводник». КМОП-матрица быстра и экономична в плане потребления энергии, требует меньше обслуживающих микросхем, что упрощает электронику камеры, а значит, дополнительно удешевляет ее. Недостатком такой матрицы является сравнительно высокий уровень шумов и пониженный динамический диапазон. Зеркальные фотоаппараты начального уровня часто оснащаются КМОП-матрицами, но не стоит думать, что это ухудшит качество снимков — повышенная «шумность» обычно компенсируется физическими размерами.

Начало у этих технологий общее, и что самое примечательное, первоначально, ни та, ни другая технология не имели никакого отношения к  цифровой фотографии. Оба устройства представляли собой полупроводниковую  память.

 

ПЗС - матрица

Прибор с зарядовой  связью (ПЗС, по англ. – CCD - Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) назван так из-за способа передачи заряда между светочувствительными элементами - от пикселя к пикселю и, в конечном итоге, выводе заряда из сенсора.

CCD-сенсор состоит из  ячеек-фотодиодов, которые могут хранить электрический заряд, накапливающийся по мере того, как фотоны попадают на эту ячейку. В упрощенном виде принцип действия матрицы светочувствительных элементов цифрового фотоаппарата выглядит следующим образом. Сенсор CCD состоит из подложки, изготовленной из моно-кристаллического полупроводникового материала, изолирующего слоя окисла, покрывающего подложку, и набора микроскопических (микронных размеров) металлических проводников-электродов. К электродам матрицы подводится электрический ток. Засветка поверхности матрицы приводит к тому, что сила тока (заряд) на выводах электродов изменяется, то есть каждая ячейка светочувствительной матрицы реагирует на интен-сивность засветки. Эти изменения считываются электронной схемой фотоаппарата, и на их основе строится картинка, соответствующая сфокусированному на поверхности сенсора изображению.

Информация в таких  сенсорах считывается последовательно, ряд за рядом. Для считывания заряда используются устройства, называемые регистрами сдвига, преобразующие строку зарядов на входе в последовательность импульсов на выходе. Заряды сдвигаются по матрице строчками сверху вниз. Таким образом, заряд передвигается вниз по строчкам сразу множества регистров (столбцов).

Перед тем, как покинуть ПЗС - сенсор, заряд каждого пикселя  усиливается, и на выходе получается аналоговый сигнал с различным напряжением (в зависимости от количества света, попавшего на пиксель). Перед обработкой этот сигнал пересылается на отдельный (вне чипа) аналого-цифровой преобразователь, и получившиеся цифровые данные преобразуются в байты, представляющие строчку изображения, полученного сенсором.

Так как ПЗС передаёт электрический заряд, который обладает низким сопротивлением и меньше подвержен  помехам других электронных компонентов, результирующий сигнал, как правило, содержит меньше различных шумов по сравнению с сигналом КМОП- сенсоров.

Матрица типа ПЗС

Несмотря на то, что ПЗС  был изобретен больше трёх десятков лет назад, он до сих пор остаётся золотым стандартом, эталоном, с  которым сравниваются новые сенсоры.

 

КМОП - матрица

В КМОП - матрице (КМОП -комплементарный металл -оксидный полупроводник, по англ. – CMOS - Charge-Coupled Device) , обрабатывающее устройство находится рядом с каждым пикселем (порой монтируется на саму матрицу), благодаря чему увеличивается быстродействие системы. CMOS-сенсоры состоят из отдельных комплементарных полевых транзисторов. Для передачи полученных сигналов используются адресные шины столбцов и строк матрицы. Это дает возможность считывать информацию ,как со всей матрицы, столбца или строки, так и с отдельного элемента. Более того, отпадает необходимость в регистрах сдвига и управляющих микросхемах, значительно сокращается энергопотребление.

Технологии постоянно  усовершенствуются, и на сегодняшний  день наличие в фотоаппарате либо видеокамере именно CMOS -матрицы говорит  о более высоком классе модели. Производители часто акцентируют  внимание на моделях с CMOS - матрицами.

В последнее время популярна  разработка CMOS -матрицы с тыловым  размещением проводников, показывающая лучшие результаты при съёмке в условиях низкого освещения, а также имеющая  меньший уровень шумов.

Однако у CMOS-сенсоров есть и минусы: в каждом из элементов  матрицы присутствуют преобразователь  заряд-напряжение и компоненты, предназначенные  для считывания напряжения. Как любые  электронные устройства, эта «обвязка»  при обработке сигнала добавляет  к нему помехи, кроме этого эти  дополнительные компоненты занимают довольно много места на подложке. Поэтому  сами светочувствительные элементы получаются примерно на 20-25% меньше, чем  на CCD-сенсорах, что отрицательно сказывается  на параметрах матрицы в целом.

В матрицах типа CMOS (КМОП) информация считывается индивидуально  с каждой ячейки. Каждый пиксел обозначен  координатами, что позволяет использовать матрицу для экспозамера и  автофокусировки.

Матрицы CMOS по сравнению  с мат-рицами CCD отличаются пониженным энергопотреблением и высокой технологичностью. С другой стороны, разрешение матриц CMOS, их свето-чувствительность, динамический диапазон и устойчивость к шумам ниже, чем у матриц CCD. Это объясняется слож-ностью устройства, а также пониженной светочувствительностью полевых тран-зисторов по сравнению с ячейками с за-рядовой связью.

С таким положением дел  не захотели мириться компании, поддерживающие открытый стандарт Four Thirds. Они создали  сенсор нового типа LiveMOS. Он объединяет плюсы CCD и CMOS технологий – высокое  качество изображения CCD и низкое энергопотребление CMOS. Используя новую технологию, которая уменьшает нагрев светочувствительного сенсора, дает возможность увеличить  размеры пикселов и как следствие  снижает шумы.

Типоразмер матрицы  и кроп-фактор

Не смотря на некоторые  технологические ухищрения, основные параметры сенсоров определяются их линейными размерами. У больших  кристаллов и размер пиксела (светочувствительного элемента) больше и нагрев матрицы  меньше из-за лучшего рассеивания  тепла. Как узнать в какой фото или видеокамере сенсор больших  размеров? На самом деле здесь все  не так уж просто, если для цифровых зеркальных фотокамер размер матрицы  указывается в миллиметрах, то для  цифрокомпактов и видеокамер в “видиконовых”  дюймах. Номинальный размер сенсоров изображения традиционно определяется по методу, принятому еще во времена  изобретения вакуумных трубок, распознающих изображение. Размер этих первых трубок «Видикон» обозначался их выходным диаметром. По этой причине многие предпочитают использовать слово «тип» вместо «дюйм» для избежания недоразумений, связанных с реальными размерами.