Цифрові та комп’ютерні технології в фотовиробництв Урок 7-14, 21-28

В нижче поданому матеріалі вдалось коротко зібрати теми з таких уроків:

Урок 7-8     Матриця з построчним, покадровим, построчно кадровим переносом зарядів, з квадратними восьмигранними сотами.

Урок 9-10   Реєстрація кольорового зображення.

Урок 11-12 Аналого-цифровий перевтілювач.

Урок 13-14 Кольоровий рідинно-кристалічний дисплей.

Урок 21      Глибина кольору та його вимір у бітах.

Урок 22      Оптична роздільна здатність  ПЗЗ-матриці.

Урок 23      Інтерполяційна роздільна здатність ПЗЗ-матриці

Урок 24      Піксель у порівнянні з роздільною здатністю плівки.

Урок 26      Світлочутливість ПЗЗ-матриць, її підсилення та вплив підсилення на якість зображення.

Урок 27      Динамічний діапазон ПЗЗ-матриці.

Урок 28      Кольоровий баланс.

 

Матриця світлочутливих елементів - основний вузол цифрового фотоапарата. Зрозуміти принцип його роботи - зрозуміти принцип самої цифрової фотографії. У цій маленькій по фізичних розмірах мікросхемі осередок сучасних високих технологій.

Якісний рівень сучасного цифрового фотоапарата визначається, насамперед, технічною досконалістю встановленого в ньому сенсора - матриці світлочутливих елементів. Це найдорожча й найбільш значима деталь цифрової камери.

Сенсор цифрового фотоапарата

На сьогоднішній день у виробництві світлочутливих сенсорів застосовуються дві конкуруючі технології. Перша, більше проста у виробництві й по ряду ознак більше перспективна - технологія CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor). У перекладі ця технологія називається КМОП - комплементарний метал-окисел-напівпровідник. У силу різних причин сенсори, побудовані за технологією CMOS, установлюються у телефони й у дзеркальні камери Canon і Sony.

Лідируючої на ринку цифрової фототехніки є технологія CCD ( Charge-Coupled Device). У перекладі цей тип сенсорів називається ПЗС - прилад із зарядовим зв'язком. Більше трудомісткі у виробництві, сенсори CCD, проте, установлені в переважній більшості цифрових фотоапаратів аматорського й професійного класу.

У спрощеному виді принцип дії матриці світлочутливих елементів цифрового фотоапарата виглядає в такий спосіб. Сенсор CCD складається з підкладки, виготовленої з монокристалічного напівпровідникового матеріалу, що ізолює ться шаром окиса, що покриває підкладку, і набору мікроскопічних (мікронних розмірів) металевих провідників-електродів. До електродів матриці підводить електричний струм. Засвітка поверхні матриці приводить до того, що сила струму (заряд) на виводах електродів змінюється, тобто кожний осередок світлочутливої матриці реагує на інтенсивність засветки. Ці зміни зчитуються електронною схемою фотоапарата, і на їхній основі будується картинка.

Осередку матриці, побудованої за технологією CMOS, це польові транзистори, які при засвітці змінюють свій стан, перешкоджаючи проходженню електричного струму через виводи осередку або, навпаки, підсилюючи сигнал. Електронна схема фотоапарата зчитує зміни стану осередків матриці й на їхній основі будує картинку.

Матриці CMOS у порівнянні з матрицями CCD відрізняються зниженим енергоспоживанням і високою технологічністю. З іншого боку, дозвіл матриць CMOS, їхня світлочутливість, динамічний діапазон і стійкість до шумів нижче, ніж у матриць CCD. Це пояснюється складністю пристрою, а також зниженою світлочутливістю польових транзисторів у порівнянні з осередками із зарядовим зв'язком.

Установлювані в стільникові камерофоны сенсори CMOS виконані у вигляді великої гібридної мікросхеми, на кристалі якої змонтовані багато сервісних схем убудованих в телефон. Це й аналого-цифровий перетворювач (АЦП), і електронний затвор (схема миттєвого зчитування стану матриці), схеми балансу білого й стиску зображень. У масовому виробництві CMOS-Сенсори виявляються дешевше, оскільки кожний елемент матриці більше, чим осередок сенсора CCD. А найпростішим камерам на основі CMOS-Сенсорів не потрібні багато допоміжних електронних механізмів.

Говорячи про перспективи сенсорів CMOS, не варто забувати, що це дуже молода технологія. Вона виникла, як альтернатива трудомісткої й малоефективної технології сенсорів CCD.

У той же час, конструктори дзеркальних цифрових фотоапаратів Canon і просьюмерок Sony (приклад - камера Sony DSC-R1) установлюють у свої фотоапарати саме сенсори CMOS, доповнюючи їхніми спеціальними схемами придушення шумів. Ще одна позитивна сторона матриць CMOS - їхня стабільність і довговічність.

Мікроскопічні осередки світлочутливої матриці здатні відреагувати тільки на силу світла, що попадає на них (на інтенсивність світлового потоку). Для того, щоб одержати зображення, що наближається по якості до плівкового фотознімка, цифровий фотоапарат повинен розпізнавати ще й колірні відтінки.

Але перш ніж говорити про технологію оцифровки кольорового зображення, варто помітити, що для збільшення точності роботи матриці (поліпшення співвідношення сигнал/шум) і підвищення світлочутливості, кожний осередок забезпечується мікролінзами, що збирають зображення, фокусуючи світловий потік. Особливо це стосується матриць CMOS, де без подібних лінз необхідної якості зображення домогтися важко.

Одержати кольорове зображення можна різними способами. У професійній знімальній апаратурі застосовується схема із трьома світлочутливими матрицями. Сфальцьоване об'єктивом зображення розщеплюється спеціальною призмою на три ідентичних світлових потоки, кожний з яких засвечує свою матрицю через світлофільтр одного з базових квітів - червоного, зеленого й блакитного (RGB - Red, Green, Blue). Ця технологія дозволяє домогтися високої якості передачі кольору, але ускладнює конструкцію камери й відбивається на її вартості. Найчастіше три матриці встановлюються в дорогих цифрових відеокамерах. (3 CCD).

У фотоапаратах же (крім професійних камер спеціального призначення) використовується інша технологія - з одним сенсором. Над поверхнею сенсора встановлений блок мікроскопічних світлофільтрів, розташованих у шаховому порядку відповідно до колірної моделі Байера. Цей алгоритм побудови кольорового зображення має на увазі подвоєна кількість зелених фільтрів у порівнянні із червоне й синіми, оскільки людське око більше чутливе до зеленої частини світлового спектра. Кольорове зображення будується електронікою камери вже після перетворення аналогового електричного сигналу, що знімається з осередків сенсора камери в цифровий код аналого-цифровим перетворювачем АЦП (якщо говорити про сенсори CCD, сенсори CMOS самі можуть обробляти колірну складову сигналу, оскільки звичайно це більші багатофункціональні мікросхеми).

В одержанні колірної інформації беруть участь всі експоновані елементи осередку. При обробці її застосовуються складні методи інтерполяції. Зокрема, ураховується колірна складова сусідніх елементів (пікселів). У результаті електроніка камери видає реалістичну полнокольорову картинку максимально відповідну дійсному зображенню.

Щоб краще зрозуміти цей механізм, звернемося до іншої технології (тобто підемо від протилежного механізму), до принципів побудови кольорового зображення кольорових рідкокристалічних моніторів. Там всі елементи ЖК матриці, що представляють собою мікроскопічні капсули з рідкими кристалами, утворені із трьох субелементів, кожний з яких прикритий світлофільтром трьох базових кольорів - червоним, зеленим і синім. Зображення будується методом додавання кольорів. Залежно від інтенсивності світіння субелемента піксель (осередок матриці) здобуває той або інший колірний відтінок (при цьому сам осередок з рідкими кристалами не світиться, а лише перекриває або пропускає світловий потік лампи підсвічування екрана).

Приблизно так само працювали КМОП сенсори перших цифрових фотоапаратів і найдешевші веб-камеры. Тобто кожний елемент матриці був прикритий індивідуальним мікроскопічним світлофільтром. Але в сучасних сенсорах ця технологія не застосовується. У побудові картинки беруть участь всі задіяні осередки (але не всі осередки сенсора - частина з них виконують сервісні функції, тому говорять про повний і ефективний дозвіл сенсора). Це стосується й сенсорів CCD, і сенсорів CMOS - у всякому разі, сучасних, які встановлюються в цифрові фотоапарати, що випускаються сьогодні...

Ще одна важлива деталь пристрою світлочутливих матриць - спосіб реєстрації зображення. Матриця CCD складається із двох ідентичних наборів осередків - світлочутливих елементів, що утворять секцію нагромадження зарядів, і елементів, що утворять секцію зберігання зарядів. Електричні заряди, які виникають при опроміненні елементів сенсора світловим потоком, надходять в осередки секції нагромадження й переміщаються в осередки секції зберігання зарядів, звідки потім через регістри вертикального зрушення - у вихідний підсилювач матриці. Осередку секції зберігання прикриті світлонепроникним фільтром, а тому на світловий потік не реагують. Але при переході зарядів із секції нагромадження в секцію зберігання варто ізолювати непроникною заслінкою й світлочутливі осередки, щоб не змішувати виниклі при опроміненні нові заряди із уже збереженими (інакше зображення просто не вийде), використовуючи для цього в цифрових фотоапаратах звичайний електромеханічний затвор.

Ця особливість стосується матриць із порядковим переносом зарядів. У фотоапаратах з матрицями з покадровым переносом зарядів затвор виявляється непотрібним, оскільки заряди осередків накопичуються відразу з усією поверхні матриці й із сигналами осередків нагромадження не змішуються. При цьому регістрами вертикального зрушення, що представляють собою прості провідники, забезпечується кожний світлочутливий осередок секції нагромадження зарядів, а світлоізольована секція зберігання зарядів займає окрему область сенсора. Проблема в тім, що застосування покадрового переносу зарядів збільшує розміри сенсора й у той же час зменшує його роздільну здатність. Тому сьогодні застосовується технологія комбінованого построчно-кадрового переносу. Що дозволяє, з одного боку, одержувати постійний сигнал з матриці й використовувати його для побудови зображення на убудованому контрольному дисплеї фотоапарата, а з іншого боку - одержувати високоякісні зображення з порядковим зчитуванням зарядів і застосуванням електромеханічного затвора.

У фотоапаратах із сенсорами CMOS (у найпростіших з них і у телефонах) електромеханічний затвор не застосовується зовсім, оскільки інформація про стан осередків подібної матриці зчитується безпосередньо з виводів польових транзисторів, що утворять матрицю. Однак, у дзеркальних фотоапаратах із сенсорами CMOS для точного відпрацьовування експозиції електромеханічний затвор установлюється обов'язково.

Елементарні відомості про принцип дії сенсорів CCD важливі для фотографа й із практичної точки зору. Справа в тому, що при покупці нового фотоапарата, поза залежністю від рівня техніки і її вартості, у фотографа, як це не сумно, завжди є шанс потрапити на камеру з "битими" пікселями. "Битий" піксель - це світлочутливий елемент, у силу різних причин утративший здатність реагувати на світлове опромінення. При цьому бездіяльний осередок може бути зовсім непомітний на знімку, якщо перебуває в нижній частині матриці, на яку доводиться та частина кадру, де звичайно розташовується земля, де мало світлих ділянок, на яких одна чорна крапка може бути добре помітна. Інша справа верхня частина матриці, де зображується небо й інші світлі об'єкти.

Один-два битих пікселя річ для аматорської камери звичайна. Гірше, коли таких пікселей більше й вони об'єднані в групу. Тоді темна крапка на знімку стає помітна навіть при зйомці з найвищим дозволом, коли в побудові зображення беруть участь всі світлочутливі осередки матриці. У магазині биті піксели матриці побачити дуже важко, а в ході практичної роботи з камерою подібна неприємність буде неодмінно виявлена...

Ми вже говорили про те, що технічна досконалість камери визначається якістю сенсора, а як і чим визначається якість самого сенсора? Існує ряд характеристик, що мають для світлочутливої матриці цифрового фотоапарата першорядне значення.

У першу чергу це роздільна здатність матриці. Чим більше роздільна здатність матриці світлочутливих елементів, тим вище якість кінцевого паперового відбитка або електронного фотозображення. Кількість ефективних пікселів на матриці цифрового фотоапарата визначає дозвіл оцифрованного зображення, оскільки максимальний дозвіл знімка дорівнює кількості пікселів світлочутливого сенсора.

Іноді у зведенні технічних характеристик (це стосується тільки найдешевших камер) можна виявити, що максимальний дозвіл фотознімків перевищує кількість пікселів матриці фотоапарата. Цим заявам виробників не варто довіряти. Підвищений дозвіл досягається програмною інтерполяцією, коли відсутні елементи зображення синтезуються на основі усереднених значень яскравості сусідніх пікселів. Інтерполяція збільшує кількість пікселів, але завжди за рахунок реальної якості зображення. На інтерпольованому знімку границі об'єктів втрачають різкість і погіршується деталізація. У найкращому разі роздільна здатність зростає без  поліпшення зображення. Тому різного виду інтерполяційну обробку, якщо така функція присутня в камері, краще не використовувати зовсім.

Роздільна здатність світлочутливого сенсора, як і роздільна здатність екрана монітора (і, до речі, контрольного дисплея фотоапарата), виражається в пікселях. При цьому екранний дозвіл монітора визначається величиною світної екранної крапки - пікселя, утвореного люмінофором електронно-променевої трубки або осередком рідкокристалічної матриці (у цьому випадку світиться не елемент, а лампа за ним). Екранний дозвіл величина постійна. Воно залежить тільки від розміру пікселя екрана монітора. Стандартні значення величини пікселя 0,25, 0,28 і 0,31 мм. Стандартні значення екранного дозволу комп'ютерних моніторів 72 або 96(128) пікселя на квадратний дюйм.

Дозвіл світлочутливих сенсорів теж залежить від розміру пікселя, але яких-небудь стандартів тут не існує. Чим менше величина кожного пікселя, тим більше пікселів (тобто світлочутливих елементів) розміщається на поверхні матриці й, як наслідок, тим більшим роздільною здатністю володіє сама матриця.

Крім екранної роздільної здатності й роздільної здатності сенсора цифрової камери існує ще одна важлива характеристика - роздільна здатність друкувального пристрою (у практиці аматорської цифрової фотографії, як правило, кольорового струминного принтера). Однак роздільна здатність принтера виміряється не в пікселях, а в крапках. А виражається дозвіл принтера в крапках на квадратний дюйм. Для фотолюбителя принципової різниці між пікселем і крапкою немає, тому обидві одиниці виміру роздільної здатності можна вважати рівнозначними. Розходження між крапкою й пікселем носять теоретичний характер, що має значення для розроблювачів цифрової техніки. Вважається, що піксель має правильну прямокутну форму, близьку до квадрата (на практиці екранні пікселі можуть мати форму кола або витягнутого по вертикалі прямокутника залежно від типу електронно-променевої трубки - із щілинною маскою або з апертурними ґратами відповідно, а пікселі матриці цифрового фотоапарата може мати форму квадрата або восьмикутника - наприклад, осередку матриці SuperCCD камер Fujifilm FinePix). Принтерна ж крапка має неправильну форму близьку до кола...

Друга найважливіша характеристика світлочутливого сенсора - його фізичний розмір.

Чим більше фізичний розмір сенсора, тим він працює точніше і ефективніше. Сенсор розміром в 1/1,8 дюйма краще, ніж сенсор розміром 1/3,2 дюйми, оскільки на більшій площі кристала вміщається більша кількість світлочутливих осередків (виходить, вище й роздільна здатність). Більше того, при однакових значеннях роздільної здатності сенсор більшого розміру краще, ніж сенсор меншого розміру. У цьому випадку осередку сенсора мають більші розміри, значить і такі параметри оцифровки зображення, як динамічний діапазон і стійкість до шумів, вище.

Розмір сенсорів дзеркальних камер виміряється в міліметрах по сторонах кадрового вікна. Справа в тому, що величина матриці цих фотоапаратів впритул наближається до стандартного розміру кадрового вікна вузькоплівкової 35-мм камери, тобто 36х24 мм, і в загальних випадках відповідає плівковому стандарту APS. Це дозволяє використовувати на цифровому фотоапараті сумісну оптику від плівкових камер того ж виробника. Але при цьому варто враховувати зміну фокусної відстані змінних об'єктивів - той самий кроп-фактор. Приміром, на фотоапаратах Canon EOS 400D із сенсором розміром 28,7 мм по горизонталі й 19,1 мм по вертикалі зміна фокусної відстані всієї лінійки об'єктивів для плівкових камер Canon буде кратно 1,6 одиниць убік збільшення - рівно настільки, наскільки матриця камери менше стандартного кадрового вікна плівкового фотоапарата. В аматорських дзеркальних камер Nikon кроп-фактор менше - 1,5, а в Olympus і Panasonic (вони ставляться до так званого стандарту 4/3, оскільки їхні сенсори менше по розмірах, чим розміри кадру APS) більше - 2. Тобто нормальний 50-мм об'єктив на цифровій дзеркальній камері Nikon D50 (приводимо для приклада) буде мати фокусна відстань в 75 мм (виходить не нормальний універсальний об'єктив, а помірний телевик, що підходить для портретної зйомки).

Наступна вкрай важлива характеристика світлочутливих сенсорів - співвідношення сигнал/шум. Шумлять будь-які сенсори, включаючи й самі на сьогоднішній день зроблені. Колірні шуми проявляються на знімку у вигляді дрібних пофарбованих крапок (артефактів) у тінях і у вигляді колірних ореолів навколо контурів фігур на границях контрастних переходів. Боротися із шумами дуже важко. Якщо буде потреба застосовуються спеціальні фільтри - утиліти, що працюють у програмному середовищі графічного редактора Adobe Photoshop. Фільтри здатні до деякої міри зм'якшити шуми, заміщаючи артефакти крапками з усередненими значеннями кольору і яскравості. Якщо фільтри не здатні забрати всі артефакти й ореоли, доводиться правити знімок вручну, сильно збільшуючи й ретушуючи елементи зображення.

Жоден спосіб виправлення зображення не дає стовідсоткового рятування від шумів. Тому фотографові, якщо якість знімків для нього справді важлива, доводиться додержуватися елементарних правил як при виборі камери, так і при практичній зйомці. Перше правило - не купувати дешевих камер з матрицями низької світлочутливості. Схильність до шумів найбільш властива сенсорам CMOS, які встановлюються у телефони, і сенсорам CCD найдешевших компактних камер, у які звичайно вбудовуються сенсори попереднього покоління, так до того ж і дуже невеликі по розмірі. Шумлять сенсори й у більш серйозних камер.

Друге правило стосується зміни світлочутливості сенсора. У більшості цифрових фотоапаратів з досить розвиненими сервісними функціями світлочутливість установлюється як автоматично, так і вручну. У режимі auto комп'ютер фотоапарата сам вибирає значення світлочутливості сенсора залежно від рівня освітленості об'єкта, що знімається, і встановленого програмного режиму роботи камери. Наприклад, у режимі "нічний портрет" світлочутливість буде обрана максимальною, а у звичайному режимі - мінімально можливої (якщо дозволяє висвітлення).

Чим вище значення світлочутливості матриці, тим вона більше шумить. Отже, краще зовсім відмовитися від застосування автоматичного режиму й виставити селектор вибору значення світлочутливості сенсора на мінімальне значення, оскільки мінімальне значення відповідає реальній світлочутливості сенсора.

Дві якісні характеристики, що прямо впливають на результат зйомки - динамічний діапазон сенсора й розрядність подання кольору. Перша із цих характеристик відбиває здатність матриці передавати світлові відтінки, друга ставиться не тільки властиво до сенсора, але й до аналого-цифрового перетворювача, що переводить електричні сигнали з виводів матриці в цифровий код.

Динамічний діапазон - це кількість відтінків сірого (тобто рівнів яскравості), які здатний розрізнити світлочутливий матеріал (фотоплівка або сенсор цифрової камери) між абсолютно чорним і абсолютно білим кольором. Чим вище динамічний діапазон, тим вище вірогідність зображення на експонованому носії. Найвищим динамічним діапазоном володіє негативна фотоплівка. Тому дотепер, незважаючи на досягнення цифрових технологій, для демонстрації фільмів у кінотеатрах використовуються звичайні плівкові, а не цифрові проектори.

Серед цифрових пристроїв найбільшим динамічним діапазоном володіють барабанні сканери, які застосовуються в поліграфії й коштують десятки тисяч доларів. Динамічний діапазон планшетних сканерів CCD набагато менше, але ще менше динамічний діапазон сенсорів цифрових фотоапаратів. У найдорожчих професійних фотоапаратів цей показник лише наближається до рівня фотопаперу на основі галогенидов срібла (а її динамічний діапазон, відповідно, у десять разів менше діапазону фотоплівки).

Якість передачі кольору цифрового фотоапарата виражається розрядністю кольору. Розрядність кольору - це сума значень розрядності оцифровки кожного колірного каналу. Приміром, кожний колірний канал більшості матриць цифрових фотоапаратів аматорського класу здатний зафіксувати 256 відтінків (або градацій) сірого, що становить 8 біт. У цьому випадку розрядність сенсора буде 8+8+8=24 біта, по 8 біт на кожний колірний канал (червоний, зелений, голубой). У принципі, 24-бітного подання кольору цілком достатньо для одержання якісного фотознімка, оскільки в цьому випадку АЦП камери видасть знімок, що містить 16,7 млн. колірних відтінків. Але в продажі можна зустріти камери як з більше високою розрядністю кодування кольору по 10 або 12 біт на канал, так і з низкою - по 4 або 6 біти на канал. Надлишкова розрядність до 36 біт (тобто по 12 біт на канал) використовується в професійних камерах, призначених для одержання знімків з максимально достовірною передачею кольору. Хоча сьогодні сенсорами з підвищеною розрядністю колірного кодування оснащують і камери аматорського класу. А матриці зі зниженою розрядністю в 12 або 16 біт установлюють у бюджетні стільникові телефони.

Матриця світлочутливих елементів не тільки сама складна й найдорожча деталь цифрового фотоапарата, але й сама уразлива. Вона піддана старінню (електрохімічному зношуванню) і, як наслідок, змінам світлочутливості, а також, як видно, виходу з ладу окремих осередків. Якщо на природне старіння матриці власник фотоапарата не може вплинути ніяк, то можливість уберегти сенсор від небажаних впливів навколишнього середовища й, тим самим продовжити термін служби фотоапарата в цілому, у нього є.

Як будь-який складний електронний пристрій, що складається з безлічі мікроскопічних елементів, сенсор цифрової камери боїться різких температурних перепадів, при яких у матеріалі підкладки й плівкових шарів оптичних фільтрів виникають внутрішні деформації, а на поверхні сенсора може утворитись конденсат. Якщо плівкова камера, особливо механічна, здатна працювати при дуже низьких температурах, то цифровий фотоапарат при негативних температурах працювати не буде. По-перше, навіть на легкому морозі сенсор цифрової камери може змінити світлочутливість убік зменшення. По-друге, зображення на вбудованому контрольному дисплеї може стати занадто світлим і малоконтрастным, щоб користуватися дисплеєм як видошукачем. По-третє, постраждають елементи живлення (літієві акумулятори при температурі мінус 10 градусів можуть попросту вибухнути).

Якщо виникає необхідність знімати цифровою камерою при низьких температурах, варто подбати про надійний захист фотоапарата. Камеру варто тримати в теплі, під верхнім одягом, виймаючи фотоапарат для зйомки й відразу ховаючи його під шубу або пальто. Робота зі штативом або неквапливе кадрування виключаються. У крайньому випадку варто скористатися утепленим хутряним або тканевым чохлом. Але при цьому треба пам'ятати, що остигла камера при переміщенні в тепло (навіть під шубу) відразу покриється крапельками вологи. Із замерзлої камери треба негайно видалити елементи живлення або акумулятор і забрати фотоапарат у чохол до того моменту, поки температура не вирівняється. У противному випадку на поверхні сенсора й лінзах об'єктива можуть утворитися краплі вологи, які приведуть до короткого замикання електричних кіл камери й інших неприємностей.