2 нояб. 2009 г.

Основы фотографии: 1.3 - матрица (пиксели и ISO) .

В этой статье мы поговорим о матрицах цифровых фотоаппаратов.
В описаниях и в рекламе фотоаппаратов встречается, как правило, только одна характеристика - количество мегапикселей (в случае зеркальных камер ещё явно указывается размер матрицы, но, по причинам, связанным скорее с фокусными расстояниями объективов, которых накопился достаточно большой парк как современных, выпускаемых с учётом особеностей цифровых камер, так и тех, которые благополучно функционируют ещё со времён плёночных фотоаппаратов). Да, количество мегапикселей, конечно, важно, как параметр, характеризующий матрицу, но это не единственное, что нужно знать о матрице цифрового фотоаппарата.
Если вчитаться в характеристики "компактов", то тоже можно найти информацию о размере матрицы у фотокамеры. А вот "шумность" матрицы производителем никак не озвучивается. Производители аудиотехники пользуются такими параметрами как соотношение сигнал/шум, искажения для описания характеристик аудиотехники, а вот производители фотоаппаратуры о подобных параметрах, к сожалению, умалчивают. Хотя могли бы оценивать и количество шумов и разрешающую способность. (В своё время, когда я покупал планшетный сканер со встроенным слайд-модулем для оцифровки скопившихся негативов, посмотрел тесты трёх сканеров одной модельной линейки с физическим разрешением 2400, 3200 и 4800 dpi. Их реальное разрешение, измеренное по скану миры (таблицы с линиями различного размера и частоты) составило 2250, 2350 и 2450 dpi соответственно. Такая же, даже ещё более запутанная, ситуация и с цифровыми фотоаппаратами. Например, Canon 40D и 50D имеют матрицы 10 и 15 Мп, но количество деталей, которые они реально могут отобразить, различается далеко не в 1,5 раза.) Но маркетинг делает своё чёрное дело и это приводит к тому что "гонка мегапикселей" то затихает, то набирает обороты, но конца ей пока не видно.
Итак, матрица цифрового фотоаппарата.
Матрица - это специализированная микросхема, состоящая из фотодиодов, которые регистрируют попадающий на них свет, переводя его в электрический сигнал, который обрабатывается процессором фотоаппарата и записывается в файл.

Цифровое изображение состоит из пикселей - элементов изображения, характеризующихся цветом и яркостью. Цветовое пространство фотоснимков, получаемых с камеры - RGB. Это значит, что каждый пиксель (pixel - точка) изображения описывается яркостью трёх компонент: R - red (красный), G - green (зелёный) и B - blue (синий). Фотодиоды не могут определять цветность попадающего света, поэтому в матрице фотоаппарата используется фильтр Байера - массив цветных фильтров перед фотодиодами, которые отфильтровывают только нужную составляющую света, котрая и преобразуется в электрический импульс. Затем процессор фотокамеры суммирует информацию с 4-х субпикселей R+G+G+B и записывает её как пиксель изображения с информацией о яркости трёх компонент. В матрице Байера содержится вдвое больше зелёных сенсоров, чем синих или красных. Это вызвано тем, что человеческий глаз более чувствителен к зелёному цвету, чем к красному и синему , а также объясняет, почему шум в зелёном канале намного меньше, чем в остальных.

По другой схеме работает сенсор Foveon, который встречается в фотоаппаратах Sigma, но принцип его работы я здесь рассматривать не буду. Информацию о нём вы можете найти в интернете.
Светочувствительность
Светочувствительность фотоматериала это —
  1. способность фотографического материала образовывать изображение под действием электромагнитного излучения, в частности света.
  2. числовая величина, количественно характеризующая эту способность.
Светочувствительность измеряется в единицах ISO, принятых в качестве стандарта в 1974 году. Наиболее часто встречающиеся значения светочувствительности 100, 200, 400, 800, 1600 единиц ISO (соседние значения отличаются в 2 раза, или, как ещё говорят, "на одну ступень". С развитием полупроводниковой техники верхний порог значения светочувствительность увеличивается. Недавно анонсирована камера, позволяющая снимать на чувствительности 102400 ISO! Таким образом, чем больше светочувствительность, тем меньше света нужно для образования изображения. Увеличение значения ISO на одну ступень позволяет сделать нормально экспонированный кадр при количестве света в два раз меньшем. В цифровом фотоаппарате увеличение чувствительности происходит за счёт усиления электрического сигнала, выходящего с матрицы, но с увеличением уровня сигнала, также увеличивается и уровень шумов (случайных колебаний значения сигнала), которые возрастают с увеличением ISO, т.е. с увеличением степени усиления сигнала матрицы. Следствием этого является "шум" получаемого изображения.
Цифровые камеры подвержены трём типам шума:
  • Случайный шум характеризуется колебаниями яркости и цветности на выходе фотодиода выше и ниже действительных их значений. Определённая доля случайного шума будет всегда присутствовать при любом времени экспозиции (выдержки). Рисунок случайного шума меняется от кадра к кадру, даже если параметры экспозиции идентичны. Доля этого типа шума растёт с увеличением значения ISO, но уменьшается с уменьшением температуры матрицы, что связано с особенностями работы полупроводников. Как раз об этом типе шума мы и говорили выше.
  • Структурный шум включает то, что называется «горячими пикселями», которые определены как те, где интенсивность в пикселе значительно превосходит колебания, вызванные случайным шумом. Структурный шум обычно появляется на выдержках большой длины и усугубляется при высоких температурах. Проявляется в виде цветных точек, цвет которых зависит от того, субпиксель какого цвета "шумит". Структурный шум уникален тем, что покажет практически идентичное распространение горячих пикселей при съёмке в идентичных условиях (температура, длина экспозиции, число ISO).
  • Линейчатый шум зависит преимущественно от камеры и является шумом, который вносит сама камера в процессе считывания данных с цифрового сенсора. Линейчатый шум наиболее заметен на высоких ISO и в тенях, или когда изображение было чрезмерно осветлено. Линейчатый шум может также нарастать при определённых балансах белого, в зависимости от модели камеры.


Размер матрицы
Матрицы фотоаппаратов имеют различные физические размеры.
Вот размеры, наиболее типичные для современных камер:
Тип камеры
Типоразмер матрицы
Физический размер матрицы, мм
Площадь матрицы, мм2
Кроп-фактор
Зеркальная
FF (Full frame)
36X24
8.64
1
APS-H
27.9X18.6
5.18
1.3
DX(Nikon)/ APS-C(Sony)
23.6x15.8/ 23.5x15.6
3.72x3.66
1.5
APS-C (Canon)
22.3x14.9
3.32
1.6
4/3 (Olympus, Panasonic)
18x13.5
2.43
2
Компактные
1/1.7"
7.6x5.7
0.43
4.5
1/1.8"
7.18x5.32
0.38
5
1/2.3"
6.16x4.62
0.28
5.6
1/2.5"
5.75x4.31
0.24
6


В сочетании с количеством мегапикселей это нам даёт ещё один параметр: плотность пикселей (pixel density) - количество пикселей на единицу площади. Для зеркальных камер она составляет, как правило от 1,5 до 5,5 (в основном в районе 3-х) MP/cm2, а для компактов 20-45 (как правило 36 или 43) MP/cm2.
Как мы видим, плотность пикселей, намного больше, а следовательно, сами пиксели намного меньше по физическим размерам у компактных камер. Что из этого следует? То, что на пиксель компактной камеры попадает намного меньше света, чем на пиксель "зеркалки". Следовательно, на выходе с матрицы "компакта" поучается более слабый электрический сигнал и для получения значений, сопоставимых с сигналом зеркальной камеры, его приходится усиливать в большей степени.

Это приводит к тому, что фотография, сделанная "компактом" при равных значениях ISO получается более шумная, чем фотография, сделанная SLR-камерой.


Абсолютное большинство "компактов" имеет пропорцию кадра (отношение сторон матрицы) 3:4, а "зеркалки" - 2:3. Второе исторически обусловлено отношением сторон кадра 35-мм плёнки - 24х36 мм, а первое - отношением сторон мониторов и телевизоров в то время, когда формировался рынок фотокамер (с этим же связано появлением в дальнейшем "компактов" с пропорцией сторон 16:9).
Кроп-фактор
Кроп-фактором называют отношение диагонали полного кадра (24х36 мм) к диагонали данного сенсора. Называют его так, поскольку сенсор меньшего размера обрезает (crop) края изображения относительно полного кадра.

Такая часть реально видимого изображения отображается на матрице при одинаковом фактическом фокусном расстоянии объективов.

С кроп-фактором напрямую связано такое понятие как фокусное расстояние в 35-мм эквиваленте, т.е какой объектив нужен полнокадровому фотоаппарату, чтобы сделать такой же (имеются в виду границы изображаемого пространства) кадр, как на данном фотоаппарате. Для того, чтобы найти фокусное расстояние в 35-мм эквиваленте, нужно фокусное расстояние объектива умножить на кроп-фактор матрицы. Например, полнокадровый фотоаппарат с объективом, имеющим ФР=50 мм, фотоаппарат с матрицей APS-C (кроп-фактор=1,6) и объективом с ФР~30 мм, и фотоаппарат с матрицей 1/1,8" (кроп-фактор=4,9) и ФР~10 мм , дадут кадр с одинаковыми границами ("вон от этого и до того дерева").

К этому вопросу более подробно мы вернёмся, когда будем говорить об объективах, а текущую статью, пожалуй, закончим. До новых встреч!

3 комментария:

Анонимный комментирует...

Достаточно подробно всё изложено, большое спасибо за данный материал

Анонимный комментирует...

даже начинающему понятно. спасибо.

Анонимный комментирует...

Zachotnoo

Отправить комментарий