Цифрові та комп’ютерні технології Урок 6

Матриця та стабілізація зображення

Найважливішим елементом обох досліджуваних типів цифрових камер є матриця фотоапарату, що як вже зазначалось вище являє собою спеціалізовану аналогову або цифро-аналогову інтегральну мікросхему, що складається з світлочутливих елементів – фотодіодів. Призначена для перетворення спроектованого на неї оптичного зображення в аналоговий електричний сигнал або в потік цифрових даних (при наявності АЦП безпосередньо в складі матриці).

Виробники пропонують професійну фототехніку з різними фізичними розмірами матриці. Як правило, розміри фотосенсорів виробники вказують не в мм, а ввівши спеціальне позначення типу матриці у вигляді дробових частин дюйма, наприклад: 1/4", 1/3", 1/2.5", 1/2" та ін. Чим більше розмір, тим менше шуму буде на фотографії і більше світла реєструється, а значить, більше відтінків буде зафіксовано. Для позначення великих (більше, ніж 4/3") матриць зазвичай використовується так званий кроп-фактор (K_f). Це відношення діагоналі плівкового кадру 24х36 мм до діагоналі даної матриці. Матриці, у яких K_f >1 часто називаються «кропнутими» (у «повнокадрових» матриць K_f = 1). 

В залежності від технології, що використовують для отримання зображення виділяють два види матриць. Перша група – це ПЗЗ матриці (англ. CCD – Charge– Coupled Device, прилад із зарядовим зв’язком), друга – КМОН матриці (англ. КМОН – Complementary Metal Oxyde Semiconductor – компліментарний металооксидний напівпровідник). Перша група встановлюється саме в фотоапаратах, а друга характерна і для конструкцій телескопів і мікроскопів. ПЗЗ матриці виготовляються з полікремневих фотодіодів, вони мають невеликі розміри і дозволяють здійснювати досить якісні фотозйомки в умовах звичайного освітлення.

Для виробництва КМОН матриці застосовуються комплементарні металооксидні напівпровідникові матеріали. При високих перевагах знімків за допомогою даного елемента, відзначається і недолік матриці – відносно великі розміри. Якщо у фотообладнанні встановлені саме КМОН матриці, воно буде відрізнятися великою вагою і розміром. 

Розрізняються КМОН та ПЗЗ групи також за способом зчитування інформації з комірок. У матриці CCD фотоапаратів ця інформація зчитується послідовно, а в КМОН матрицях – окремо з кожної комірки. При типі ПЗЗ можна робити знімки дуже швидко. Особливості КМОН матриці відмінно підходять для дії автофокусу, для проведення експонометрії, та для звичайної фотозйомки.

Матриці типу КМОН вимагають меншого об’єму енергії для своєї роботи, та й їх виробництво набагато економніше, а ціна доступніше.

КМОН–матриця, в порівнянні з ПЗЗ-матрицями використовуваними в компактних фотоапаратах, має більший розмір, низьке енергоспоживання, а також менший рівень шуму. 

За розміром КМОН-матриці фотоапаратів поділяються на 4 найбільш поширених класи: 

1   повнокадрова (англ. Full-frame),

2   формату APS-H, 

3   формату APS-C, 

4   формату Four Thirds

Чорним кольором показані матриці, типові для більшості недзеркальних камер, як компактних, так і так званих "ультразумів". Синім кольором – матриці нечисленних "просунутих" мильниць, яких стає все менше і менше. Зеленим – матриця бюджетних дзеркальних фотокамер. Червоним – матриця системи 4/3, яку популяризують фірми Olympus та Panasonic. І жовтим – розмір кадру плівкового фотоапарату ("FullFrame") – цифрові дзеркальні камери цього формату використовують професійні фотографи. На рис. 2.7(б) зазначені фізичні розміри матриць з вказанням назвами фірм, що використовують даний формат, також наведені значення кроп-фактору. 

Порівняльний розмір матриць цифрових фотокамер

Зрозуміло, що велика матриця має більші пікселі, ніж маленька, якщо кількість пікселів залишилася незмінною.

При однаковій кількості пікселів (матрицею 7,2x5,3 мм і матриця23,7x15,6 мм «APS-C»), площа кожного пікселя у великої матриці більше, і відповідно, світлочутливість і передача кольору у камери професійного рівня краще. 

Одна з найважливіших характеристик, що залежать від розміру матриці – її шум. Так, цифровий фотоапарат з матрицею APS-C (22x15 мм, K_f = 1,6) дозволяє встановлювати ISO в вісім разів більше, ніж апарат з матрицею 1/2.7" (5,4х4,0 мм, K_f = 6,4) при збереженні приблизно однакового рівня шумів. Шум на зображеннях також залежить від налаштувань підвищення різкості (внутрішньо камерного шарперінга) і шумоподавлювача, тому матриці одного типорозміру на різних камерах найчастіше шумлять по-різному.

Розмір матриці впливає і на ГЧЗП – чим більша матриця, тим менше глибина чіткості при рівному куті зору і однаковій кількості пікселів. Крім того, у великих матриць ширше динамічний діапазон, природніше і натуральніше передаються відтінки кольорів.

До мінусів великої матриці можна віднести, збільшені розміри оптики, і зростання цін, а також чим більша кількість пікселів в матриці і чим нижче швидкість передачі даних з цієї матриці, тим сильніше виражений ефект шторковаго затвору.

Матриці бездзеркальних та дзеркальних фотокамер нічим не відрізняться (набір фотодіодів) крім того, що в MILC стали вбудовувати між фотосенсорами фазові датчики автофокусування, що дає змогу відслідковувати об’єкт зйомки в режимі реального часу.

 

Матриця бездзеркального фотоапарату Sony α9 з вбудованими фазовими детекторами

Стабілізація зображення має декілька видів :

− Цифрова (електронна);

− Оптична;

− Матрична.

Цифрова (електронна) стабілізація – це найпростіший вид стабілізації, що не вимагає ніяких окремих модулів і механічних деталей, лише програмні алгоритми. При включенні цифрової стабілізації частина матриці виділяється для її роботи, а зображення обрізається. Під час зйомки картинка переміщається по матриці, гасячи тим самим коливання. Чим «агресивніше» працює така стабілізація, тим сильніше обрізається і зображення втрачаючи при цьому якість та деталізацію. Цей тип стабілізації частіше можна зустріти в бюджетній техніці – смартфонах, деяких екшн-камерах, аматорських відеокамерах, компактних фотоапаратах. У системних фотокамерах він присутній, лише в якості додаткової можливості для відеозйомки.

Функція оптичної стабілізації в об’єктиві зустрічається не в самій камері, а в її об’єктиві. Цей же тип стабілізації є найстарішим – його почали використовувати ще в кінці минулого століття. Першою таку технологію представила в 1995 році компанія Canon, назвавши її Image Stabilization (IS). Сьогодні майже всі виробники фотооб’єктивів пропонують свою власну технологію оптичної стабілізації. Але оскільки назва Image Stabilization залишилося за Canon, інші компанії назвали свої розробки інакше. Нижче наведено список назв технології оптичної стабілізації в об’єктивах різних виробників.

− Canon — IS (Image Stabilization)

− Nikon — VR (Vibration Reduction)

− Sony — OSS (Optical SteadyShot)

− Panasonic — MEGA O.I.S.

− Fujifilm – OIS (Optical Image Stabilizer)

− Sigma — OS (Optical Stabilization)

− Tamron — VC (Vibration Compensation)

− Tokina – VCM (Vibration Compensation Module)

Модуль оптичної стабілізації (особливий модуль з рухомим оптичним елементом в об’єктивах працює так, що у процесі фотозйомки модуль визначає коливання фотоапарата і, щоб їх компенсувати, відповідно рухає оптичний елемент в протилежну сторону. В результаті зображення залишається різким та статичним. 

Позитивними сторонами даного методу являється універсальність, оскільки об’єктив зі стабілізатором можна встановити, як на дзеркальну так і бездзеркальну камери.

Матрична стабілізація полягає в тому, що матриця фотоапарата розміщуються на спеціальному рухомому механізмі, який слідом за коливаннями камери рухає сам сенсор.

Модуль оптичної стабілізації одного з об’єктивів Tamron

 

Даний вид стабілізації дозволяє компенсувати тремтіння камери в усіх можливих напрямках. Залежно від виробника і моделі фотоапарата, ефективність матричної стабілізації може досягати п’яти ступенів експозиції проти 3 ступенів при оптичній стабілізації об’єктива. В недзеркальних камерах за допомогою даного типу стабілізації можна реалізувати збільшення розширення кадру за допомогою зсуву матриці.

 

 

а

б

Системи матричної стабілізації в апаратах Sony (а) та Pentax (б).

 

Наприклад в бездзеркальній камері Olympus OM–D E–M5 Mark II з матрицею типу Micro 4/3 та роздільною здатністю 16 мегапікселів реалізована система для створення кадрів роздільною здатністю 40 мегапікселів, це досягається таким чином: камера робить серію з 8 знімків, кожен раз зрушуючи матрицю пристрою в різні боки на відстань приблизно в 1 піксель, а потім формує кінцеву картинку шляхом накладення всіх кадрів. 

В дзеркальних фотокамерах дана стабілізація зазвичай не використовується, адже за допомогою видошукача не можна побачити стабілізоване зображення, що заважає кадруванню, а в режимі Live View стають недоступними інші необхідні функції (автофокусування, автоекспозиція).

Матрична та оптична стабілізація можуть працювати в парі з сучасними бездзеркальними фотоапаратами, що дозволяє робити фото в складних умовах, та слідкувати за об’єктами, що швидко рухаються або малорухомими (слідкування за зірками при довгій витримці).