Сенсоры цифровых фотоаппаратов

Современная цифровая камера для более или менее серьезных занятий любительской фотосъемкой - это фотоаппарат с сенсором разрешением не менее 4 мегапикселя. Почему не 2 мегапикселя (не говоря уже о меньших значениях разрешения)? Дело в том потенциале, что заложен в фотографию высокого разрешения. Снимок с разрешением в 2272х1704 пикселя (нормальное разрешение для сенсора в 4,23 мегапикселя) легко поддается кадрированию. Его можно без каких бы то ни было потерь вывести на экран в оконном и полноэкранном режиме. Наконец, фотографию можно распечатать на бумаге, получив отпечаток 10х15 см очень хорошего качества и даже формата А4 (стандартный альбомный лист) при вполне приемлемом качестве. Со снимком разрешением 1600х1200 пикселей (нормальное разрешение для сенсора в 2 мегапикселя), как бы хорошо он ни выглядел (а выглядит он и в самом деле замечательно), подобные манипуляции весьма проблематичны.

Вторая важнейшая характеристика светочувствительного сенсора - его физический размер. Он измеряется по диагонали и обозначается в долях дюйма. При этом форма сенсора, как правило, прямоугольная с соотношением сторон 4:3, хотя в магазинах уже можно купить фотоаппараты с широкоформатными сенсорами с соотношением сторон 16:9 (подобные камеры выпускает Samsung, Kodak, Matsushita и другие компании).

Здесь же кроется одно исторически сложившееся несоотвествие. Дело в том, что соотношение сторон стандартного для большинства стран бумажного отпечатка 10х15 сантиметров равняется 2:3 (или 3:2, это непринципиально). Почему же сенсоры имеют соотношение сторон 4:3, ведь при печати снимка на бумаге часть изображения, края картинки, будут обрезаны? Да, будут. Это неизбежные издержки цифровой фотографии. Дело в том, что размеры сенсора оптимизированы под вывод снимка на компьютерный монитор в полноэкранном режиме. А соотношение сторон стандартного компьютерного монитора как раз и соответствует соотношению 4:3. Широкоэкранные мониторы имеют соотношение сторон 16:9. А фотобумага - 3:2... Правда, в некоторых камерах (пример - камеры Panasonic, Canon серии Digital IXUS и другие) позволяют сохранять снимки с соотношением сторон 3:2, но ценой уменьшения разрешения.

Рис. 4.2. Фотоаппарат Panasonic Lumix с широкоформатным сенсором

Чем больше физический размер сенсора, тем он работает точней и эффективней. Сенсор размером в 1/1,8 дюйма лучше, чем сенсор размером 1/3,2 дюйма, поскольку на большей площади кристалла умещается большее количество светочувствительных ячеек (значит, выше и разрешение). Более того, при одинаковых значениях разрешения сенсор большего размера лучше, чем сенсор меньшего размера. В этом случае ячейки сенсора имеют большие размеры, значит и такие параметры оцифровки изображения, как динамический диапазон и устойчивость к шумам, выше.

Размер сенсоров зеркальных камер измеряется в миллиметрах по сторонам кадрового окна. Дело в том, что величина матрицы этих фотоаппаратов вплотную приближается к стандартному размеру кадрового окна узкопленочной 35-мм камеры, то есть 36х24 мм, и в общих случаях соответствует пленочному стандарту APS. Это позволяет использовать на цифровом фотоаппарате совместимую оптику от пленочных камер того же производителя. Но при этом следует учитывать изменение фокусного расстояния сменных объективов - тот самый кроп-фактор. К примеру, на фотоаппаратах Canon EOS 400D с сенсором размером 28,7 мм по горизонтали и 19,1 мм по вертикали изменение фокусного расстояния всей линейки объективов для пленочных камер Canon будет кратно 1,6 единиц в сторону увеличения - ровно настолько, насколько матрица камеры меньше стандартного кадрового окна пленочного фотоаппарата. У любительских зеркальных камер Nikon кроп-фактор меньше - 1,5, а у Olympus и Panasonic (они относятся к так называемому стандарту 4/3, поскольку их сенсоры меньше по размерам, чем размеры кадра APS) больше - 2. То есть нормальный 50-мм объектив на цифровой зеркальной камере Nikon D50 (приводим для примера) будет иметь фокусное расстояние в 75 мм (получается не нормальный универсальный объектив, а умеренный телевик, подходящий для портретной съемки).

Следующая крайне важная, но достаточно трудноопределимая без специального оборудования характеристика светочувствительных сенсоров - соотношение сигнал / шум. В той или иной степени шумят любые сенсоры, включая и самые на сегодняшний день совершенные. Цветовые шумы проявляются на снимке в виде мелких окрашенных точек (артефактов) в тенях и в виде цветовых ореолов вокруг контуров фигур на границах контрастных переходов. Бороться с шумами очень трудно. В случае необходимости применяются специальные фильтры - утилиты, работающие в программной среде графического редактора Adobe Photoshop. Фильтры способны в некоторой степени смягчить шумы, замещая артефакты точками с усредненными значениями цвета и яркости. Если фильтры не способны убрать все артефакты и ореолы, приходится править снимок вручную, сильно увеличивая и ретушируя элементы изображения.

Ни один способ правки изображения не дает стопроцентного избавления от шумов. Поэтому фотолюбителю, если качество снимков для него в самом деле значимо, приходится следовать элементарным правилам как при выборе камеры, так и при практической съемке. Первое правило - не приобретать дешевых камер с матрицами низкой светочувствительности. Склонность к шумам наиболее присуща сенсорам CMOS, которые устанавливаются в фототелефоны, и сенсорам CCD самых дешевых компактных камер, в которые обычно встраиваются сенсоры предыдущего поколения, да к тому же и очень небольшие по размеру.

Шумят сенсоры и у более серьезных камер. Технология цифровой фотографии очень молода, а потому производство сенсоров бурно совершенствуется. Поколения матриц сменяют друг друга быстрей, чем морально устаревают конкретные модели фотоаппаратов (а они устаревают достаточно быстро, в течение примерно двух лет). Сенсоры разрешением в 4 мегапикселя, которые устанавливались в камеры средней и даже старшей группы два-три года назад сегодня применяются в недорогих любительских фотоаппаратах. Их место занимают матрицы с повышенными характеристиками, в том числе и по устойчивости к шумам. Следовательно, выбирать следует ту модель, которая выпускается не слишком долго, не более года. Тогда у фотографа будут основания предполагать, что сенсор его камеры склонен к шумам в минимальной степени.

Второе правило касается изменения светочувствительности сенсора. В большинстве цифровых фотоаппаратов с достаточно развитыми сервисными функциями светочувствительность устанавливается как автоматически, так и вручную. В режиме auto компьютер фотоаппарата сам выбирает значение светочувствительности сенсора в зависимости от уровня освещенности снимаемого объекта и установленного программного режима работы камеры. Например, в режиме "ночной портрет" светочувствительность будет выбрана максимальной, а в обычном режиме - минимально возможной (если позволяет освещение).

Чем выше значение светочувствительности матрицы, тем она больше шумит. Следовательно, лучше совсем отказаться от применения автоматического режима и выставить селектор выбора значения светочувствительности сенсора на минимальное значение, поскольку минимальное значение соответствует реальной светочувствительности сенсора. В этом режиме не задействованы электронные схемы усиления сигнала, которые вносят дополнительные искажения и приводят к появлению артефактов в тенях. Если же условия освещения таковы, что автоматика камеры устанавливает слишком длительную выдержку, с которой невозможно снимать без штатива, то значение светочувствительности можно увеличить, но при этом надо быть готовым к тому, что уровень шумов существенно повысится.

И еще одно правило, заключающееся в том, что не следует предъявлять к цифровому фотоаппарату завышенных требований. То, что по силам высококачественной фотопленке, цифровому фотоаппарату не по силам в принципе. Цифровой фотоаппарат не способен снимать в условиях слишком низкой освещенности без применения источников искусственного света, импульсных фотовспышек или ламп накаливания. А профессиональная пленка светочувствительностью в 3200 единиц ISO (в современных камерах ISO доведен до 6400) вытянет снимок даже при свете одной свечи (причем, в буквальном смысле).

Две качественные характеристики, напрямую влияющие на результат съемки - динамический диапазон сенсора и разрядность представления цвета. Первая из этих характеристик отражает способность матрицы передавать световые оттенки, вторая относится не только собственно к сенсору, но и к аналого-цифровому преобразователю, переводящему электрические сигналы с выводов матрицы в цифровой код.

Динамический диапазон - это количество оттенков серого (то есть уровней яркости), которые способен различить светочувствительный материал (фотопленка или сенсор цифровой камеры) между абсолютно черным и абсолютно белым цветом. Чем выше динамический диапазон, тем выше достоверность изображения на экспонированном носителе. Самым высоким динамическим диапазоном обладает негативная фотопленка. Поэтому до сих пор, несмотря на достижения цифровых технологий, для демонстрации фильмов в кинотеатрах используются обычные пленочные, а не цифровые проекторы.

Среди цифровых устройств наибольшим динамическим диапазоном обладают барабанные сканеры, которые применяются в полиграфии и стоят десятки тысяч долларов. Динамический диапазон планшетных сканеров CCD гораздо меньше, но еще меньше динамический диапазон сенсоров цифровых фотоаппаратов. У самых дорогих профессиональных фотоаппаратов этот показатель лишь приближается к уровню фотобумаги на основе галогенидов серебра (а ее динамический диапазон, соответственно, в десять раз меньше диапазона фотопленки).

Качество цветопередачи цифрового фотоаппарата выражается разрядностью цвета. Разрядность цвета - это сумма значений разрядности оцифровки каждого цветового канала. К примеру, каждый цветовой канал большинства матриц цифровых фотоаппаратов любительского класса способен зафиксировать 256 оттенков (или градаций) серого, что составляет 8 бит. В этом случае разрядность сенсора будет 8+8+8=24 бита, по 8 бит на каждый цветовой канал (красный, зеленый, голубой). В принципе, 24-битного представления цвета вполне достаточно для получения качественного фотоснимка, поскольку в этом случае АЦП камеры выдаст снимок, содержащий 16,7 млн. цветовых оттенков. Но в продаже можно встретить камеры как с более высокой разрядностью кодирования цвета по 10 или 12 бит на канал, так и с низкой - по 4 или 6 бита на канал. Избыточная разрядность до 36 бит(то есть по 12 бит на канал) используется в профессиональных камерах, предназначенных для получения снимков с максимально достоверной цветопередачей. Хотя сегодня сенсорами с повышенной разрядностью цветового кодирования оснащают и камеры любительского класса. А матрицы с пониженной разрядностью в 12 или 16 бит устанавливают в бюджетные сотовые фототелефоны.

Матрица светочувствительных элементов не только самая сложная и самая дорогая деталь цифрового фотоаппарата, но и самая уязвимая. Она подвержена старению (электрохимическому износу) и, как следствие, изменениям светочувствительности, а также, по всей видимости, выходу из строя отдельных ячеек. Если на естественное старение матрицы владелец фотоаппарата не может повлиять никак, то возможность уберечь сенсор от нежелательных воздействий окружающей среды и, тем самым продлить срок службы фотоаппарата в целом, у него есть.

Как любое сложное электронное устройство, состоящее из множества микроскопических элементов, сенсор цифровой камеры боится резких температурных перепадов, при которых в материале подложки и пленочных слоях оптических фильтров возникают внутренние деформации, а на поверхности сенсора образуется конденсат. Если пленочная камера, особенно механическая, способна работать при очень низких температурах, то цифровой фотоаппарат при отрицательных температурах работать не будет. Во-первых, даже на легком морозе сенсор цифровой камеры может изменить светочувствительность в сторону уменьшения. Во-вторых, изображение на встроенном контрольном дисплее станет слишком светлым и малоконтрастным, чтобы пользоваться дисплеем в качестве видоискателя. В-третьих, пострадают элементы питания (литиевые аккумуляторы при температуре минус 10 градусов могут попросту взорваться).

Если возникает необходимость снимать цифровой камерой при низких температурах, следует позаботиться о надежной защите фотоаппарата. Камеру следует держать в тепле, под верхней одеждой, вынимая фотоаппарат для съемки и тут же пряча его под шубу или пальто. Работа со штативом или неторопливое кадрирование исключаются. В крайнем случае следует воспользоваться утепленным меховым или тканевым чехлом. Но при этом надо помнить, что остывшая камера при перемещении в тепло (даже под шубу) тут же покроется капельками влаги. Из замерзшей камеры надо немедленно удалить элементы питания или аккумулятор и убрать фотоаппарат в чехол до того момента, пока температура не выровняется. В противном случае на поверхности сенсора и линзах объектива могут образоваться капли влаги, которые приведут к короткому замыканию электрических цепей камеры и иным неприятностям.