Уроки фотографии (матрица)

В прошлый раз мы рассмотрели строение фотоаппарата. В этом посте поговорим про параметры матрицы (пиксели, фотосенсор, размер матрицы, ISO).

Если верить Википедии, матрица (или светочувстви́тельная ма́трица) - это специализированная аналоговая или цифро-аналоговая интегральная микросхема, состоящая из светочувствительных элементов (фотодиодов), предназначенная для преобразования проецированного на неё оптического изображения в аналоговый электрический сигнал или в поток цифровых данных (при наличии АЦП непосредственно в составе матрицы). Проще говоря, матрица, это то, что считывает изображение, превращая его в электрический код. 


Пиксели.


Пиксели - это элементы, из которых состоит светочувствительная матрица, преобразующие энергию света в электрический разряд. Аппаратно пиксель называют - фотосенсором. Про устройство одного пикселя матрицы можно почитать здесь, хотя для фотографирования достаточно понимать общий принцип.  



Поговорка "Темной ночью все кошки серы" появилась еще до того, как медицине стало известно устройство человеческого глаза. Сегодня биологи знают, что глаз человека содержит два вида светочувствительных рецепторов - колбочки и палочки. Колбочки отвечают за цветовое восприятие глаза, при этом часть из них реагирует на красно-оранжевые лучи, часть - на зеленые, а часть - на синие. Палочек гораздо меньше, чем колбочек, и различать цвета они не могут. Зато они намноголучше воспринимают слабый свет и, таким образом, обеспечивают зрение в сумерках и ночью. Следовательно, ночью кошки серы оттого, что ночью колбочкам не хватает света и глаз хуже различает цвета. 


Светочувствительная матрица цифровой камеры воспринимает мир черно-белым. Каждый ПЗС-элемент матрицы работает наподобие фотоэкспонометра (см. рис. "Стоение ПЗС элемента" ниже), причем электрический сигнал, вырабатываемый элементом, зависит только от интенсивности светового потока.

Рис. Стоение ПЗС элемента.

Но как же этот единственный фактор позволяет создавать цветное изображение? А никак не позволяетl Состоящий из ПЗС-элементов сенсор воспринимает изображение только в черно-белом свете, подобно палочкам человеческого глаза, с той разницей, что для него все кошки серы, не только ночью, но и днем. А цвет изображений, сделанных с помощью цифровой камеры, появляется лишь благодаря цифровой обработке, которой процессор камеры подвергает зарегистрированный матрицей свет. 

Что же дальше? Простая в обращении, цифровая камера имеет очень сложное внутреннее устройство. Сенсоры, как уже говорилось, воспринимают окружающий мир черно-белым. Как же лишенное цветов изображение преобразуется в цветное? Вот здесь-то и начинаются сложности. ССD-матрица - это массив светочувствительных ПЗС-элементов. А каждый элемент матрицы - это группа полупроводниковых, точнее, фотодиодных датчиков.Такой датчик создает одну точку получаемого изображения (пиксел). Посмотрим, какая информация формирует его. Датчик преобразует оптический сигнал в электрический и ПО крыт красным, синим либо зеленым светофильтром. Светофильтры заставляют конкретный датчик настроиться на определенный цвет.

Все элементы, или датчики, сгруппированы по три или по четыре штуки. Причем в группе из четырех один датчик всегда оказывается с красным светофильтром, один с синим и два с зеленым. Так сделано потому, что человеческий глаз наиболее чувствителен именно к зеленому цвету. Эта схема расположения датчиков соответствует так называемому шаблону Байера и называется моделью RGB (от англ. Red, Green, Blue - красный, зеленый, синий).

Рис. ССD-матрица с использованием шаблона Байера.

Каждый датчик ССD-матрицы про пускает на ПЗС-элемент собственную цветовую составляющую. При этом ячейка получает информацию о яркости, а ее позиция говорит о цвете пиксела (точечного элемента изображения).


Итак, светочувствительная матрица получила от ячеек информацию в виде электрических сигналов. Следующий этап - преобразование электрического сигнала в цифровые значения, а затем сохранение массива этих значений в памяти. Таким образом, информацию об уровне освещенности элементов матрицы фотокамера хранит как последовательность чисел, каждое из которых отражает состояние одного ПЗС-элемента. Именно потому электронная фотография называется цифровой.


Процесс преобразования массива значений матрицы в графический файл идет следующим образом.

1. Сначала сигнал каждого ПЗС-элемента преобразуется в 24-битное "слово", передающее две степени, или около 16 млн оттенков. Это так называемое псевдоцветное изображение.
2. Затем, чтобы получить цветное изображение, производится интерполяция, в ходе которой по определенному алгоритму рассчитывается цветовое значение каждого пиксела. Для этого программное обеспечение камеры анализирует все три массива цветовой информации, сопоставляя значения смежных элементов и рассчитывая их "настоящий" итоговый цвет.
3. Компьютер вычисляет цвет пиксела, который должен появиться между теми смежными с ним, данные о которых уже имеются. Этот процесс называется цветовой интерполяцией. Качество изображения тем выше, чем выше точность интерполяции.
4. В конце концов, формируется сжатый математический образ всего кадра в формате) PEG. Этот формат поддерживают практически все любительские камеры, так как он эффективнее всех сжимает снимки в маленькие файлы (в общем случае - до 6 Мбайт). Алгоритм записи изображения в другом формате принципиально не отличается от описанного, но его количественные характеристики могут отличаться от приведенного. Здесь можно было бы затронуть тему форматов сохраняемых фотографий, но к ней мы вернёмся позже.

Подробнее можно почитать здесь.

Физический размер матрицы.


Размер матрицы определяется по диагонали кадра в дюймах.

Полная ("плёночная") матрица имеет физический размер 24х36 мм и подходит для печати плакатов. Матрица зеркалок (ASP) имеет меньше размеры (примерно 22х15 мм), однако позволяет получать нормальные фото для использования в полиграфии, за исключением больших плакатов и т.п. Матрица мыльниц имеет очень небольшой физический размер (примерно 7х5 мм) и пригодна только для создания фотографий размером не больше 10х15 см. При одинаковом количестве пикселей лучше изображение будет у матрицы, которая имеет больший физический размер. При одинаковых технологиях и условиях съёмки шумы растут при увеличении плотности пикселов, и связано это с дифракцией. Кому интересно можете почитать подробнее в статье с таблицей характеристик матриц цифровых фотоаппаратов.


ISO.


ISO - это светочувствительность матрицы.Чем выше ISO, тем больше восприятие матрицы к свету и тем больше шумов (то же, что и зернистость на плёнке) появляется на фото, так как матрица начинает воспринимать незначительные световые сигналы. Размер матрицы является определяющей характеристикой для диапазона ISO, в котором можно снимать, не страдая от проявления шума. Одна из причин этого - то, что пиксели на больших матрицах имеют больший размер и, соответственно, воспринимают больше света. Заметим, что существует специальное программное обеспечение по борьбе с шумами: Noise Ninja, Neat Image. С его помощью иногда удается подавить шум без существенной потери качества снимков. Ниже примеры фотографий сделанных в одинаковых условиях, но с разным ISO.

В завершении несколько практических выводов по поводу ISO: 

• Наиболее качественные снимки получаются при наиболее низкой ISO из возможных для конкретной цифровой камеры. 
• Если необходимо снимать в местах, где света недостаточно (например, в помещении), то можно либо использовать вспышку (студийное освещение), либо установить более высокую ISO. В зависимости от фотоаппарата, повышение ISO будет в разной степени приводить к зашумлению изображения.
• Большие габариты матрицы позволят снимать при высоких ISO без побочного эффекта в виде шума. Это также означает, что можно использовать более высокую скорость затвора для предотвращения эффектов от дрожания рук.

© Татьяна Геок

Понравилось и было полезным - поделитесь с друзьями. Остались вопросы - пишите!