Cенсор сенсору рознь
АрхивВ конце 1993 года в моих руках впервые оказалась цифровая фотокамера. Это была черно-белая (если быть точным, - с 256-ю градациями серого) Logitech Photoman Plus со смешными по теперешним понятиям характеристиками. Однако именно эта камера послужила для меня "калиткой в дивный сад" цифрового фото. Время шло, и мне вольно и невольно пришлось столкнуться с обилием мнений и суждений. И вывод, к которому я пришел, следующий: с течением времени меняются отношения, понятия, все меньше фотографов отрицают цифровое фото и все больше проявляют к нему интерес и желание заиметь такую камеру. Однако это не означает, что спор по поводу цифровой фотографии утих. Наоборот, ситуация усугубилась, поскольку на рынке присутствует большое количество разнообразных камер с декларируемым производителями разрешением один, два и более мегапикселей в ценовом диапазоне до трех килобаксов. Профессиональные цифровые камеры с таким же разрешением стоят дороже. Это вносит в ряды потенциальных покупателей определенную неразбериху, и многие склоняются к мысли получить от недорогих камер достойное полиграфии качество изображения. На практике такое мнение очень часто оказывается ошибочным и приводит к рискованным инвестициям. Поэтому постараемся разобраться, чем же отличается непрофессиональная цифровая камера от профессиональной и почему последняя стоит дороже. Сказать, что качество камеры пропорционально ее цене, не значит полностью ответить на вопрос. Необходимо определить критерии оценки цифровых камер. Рамки статьи не позволяют углубляться в подробности, так что постараюсь выделить наиболее существенное. В компьютерной технике существует понятие производительности, определяемое как количество операций, выполняемых за определенный промежуток времени. Это понятие вполне может быть применено и к цифровым камерам, но подразумевать оно должно нечто большее, то есть должны учитываться и количество кадров, регистрируемых камерой за короткий временной интервал, и качество этих кадров. Причем под качеством кадра, в свою очередь, понимается не только число пикселей, но и цветопередача, контраст, уровень шумов. Кроме того, важна предсказуемость результата, то есть возможность видеть заранее истинное изображение сцены и точно управлять параметрами съемки. Поэтому удобно считать, что цифровая камера состоит из двух определяющих и взаимосвязанных частей. Первая часть - опто-электронно-механическая, то есть та, что ответственна за управление фотографическими параметрами съемки. Вторая - фотоэлектронная, математическая, преобразующая снимаемую сцену в электронное изображение, производящая на основе математических алгоритмов различные операции с информацией, хранящая и передающая кадр в компьютер. Если первая часть всецело определяется базовой фотокамерой, то есть оптической системой, схемами управления фокусировкой, экспозицией и пр., то основой второй являются светочувствительный элемент и математическое обеспечение. При оценке производительности компьютера выделяют основной элемент - процессор. Каков процессор, какова его конструкция, примененная технология, быстродействие и пр., - таков и рейтинг компьютера. Идя по тому же пути, остановимся на важнейшем компоненте цифровой камеры, на том, что является ее сердцем, - светочувствительном элементе. В качестве светочувствительного элемента в современных цифровых камерах чаще всего используют матрицы приборов с зарядовой связью, или CCD-сенсоры (charge coupled device), представляющие собой линейки тонких полупроводниковых световых датчиков, измеряющих значения яркости. CCD-сенсоры, используемые сегодня в цифровых камерах, имеют многочисленные параметры, которые определяют, насколько эти сенсоры хороши для тех или иных задач. Выделим наиболее важные для профессиональных цифровых камер параметры. А - Физические размеры сенсора. Б - Чувствительность ISO. В - Динамический диапазон. Г - Верность цветопередачи. Д - Отношение сигнал/шум. Рассмотрим эти параметры последовательно, учитывая, что любой из них, будучи взят отдельно, не определяет высокую производительность цифровой камеры. Поэтому инженерам, проектирующим цифровые камеры, приходится производить с этими параметрами массу манипуляций, чтобы сбалансировать производительность системы и ее стоимость. Это требует четкого знания фотографических систем, быстродействующей электроники, CCD-технологии, моделей математического представления цвета, принципов восприятия цвета человеком и в конечном счете - потребностей клиента. Физические размеры сенсора Физический размер сенсора - очень важный параметр, хотя на первый взгляд он может показаться вторичным по отношению к другим более очевидным фотографическим свойствам, скажем, значению ISO или верности цветопередачи. Профессиональные фотографы желают иметь высокопроизводительную SLR-камеру (single-reflex-lens). Эти камеры снабжаюся TTL-видоискателями (through-the-lens), высокоточными системами экспозамеров, имеют разнообразные режимы управления фокусом и экспозицией, для них выпускается широчайший ассортимент сменной оптики, благодаря чему они обладают богатыми возможностями как для репортажной (быстродвижущиеся объекты, меняющиеся условия освещения), так и для студийной съемки (ручные режимы, стационарный студийный свет). Компании Canon, Nikon и ряд других уже давно предлагают высококачественные профессиональные SLR-камеры с многочисленными объективами, вспышками и прочими принадлежностями. Вывод ясен: чтобы цифровая камера обладала преимуществами этих систем, сенсор должен просто заменить пленку. Такой подход можно считать наиболее прямым методом выбора платформы для цифровой камеры. Он обеспечивает фотографа знакомой фотосистемой, не требует изучения новой камеры или примирения с низкой производительностью. Выбор того, на что снимать - на пленку или "на цифру", - в идеальном случае должен определяться не производительностью камеры, а, скорее, требованиями конкретной задачи или сферы деятельности фотографа. Очевидно, что требуется сенсор большого размера. Должен ли он быть того же размера, что и кадр на пленке? Для прямой замены пленки ответ очевиден: "да". Однако высокая производственная стоимость больших CCD-сенсоров вынуждает идти на компромисс. Профессиональные камеры Kodak Professional DCS 520 (так же как и DCS 620) имеют сенсор, который в достаточной степени оптимизирован. Его размеры обеспечивают хороший охват видоискателя и небольшой коэффициент увеличения фокусного расстояния объектива (в 1,6 раза), при этом не делая камеры DCS 520/620 предельно дорогими. CCD-сенсоры, используемые в дешевых потребительских цифровых камерах, слишком малы для профессиональной SLR-камеры. Обычно формат сенсора определяется длиной его диагонали и составляет, как правило, 1/3, 1/2 и 2/3 дюйма. Даже самый большой сенсор любительской камеры формата 2/3 дюйма имеет диагональ 10-12 мм. А диагональ кадра 35-миллиметровой пленки составляет около 42 мм. Применение дешевого малоформатного сенсора в профессиональной SLR-камере приводит к увеличению фокусного расстояния объектива примерно в четыре раза, делая штатный 50-миллиметровый объектив эквивалентным 200-миллиметровому телевику. Кроме того, придется забыть о широкоугольной съемке, поскольку сменные объективы для SLR-камер не имеют фокусных расстояний меньше 15-17 мм. Широкоугольный объектив для маленького CCD-сенсора должен был бы иметь фокусное расстояние 5-8 мм, что практически реализовано быть не может. Kodak Professional DCS 520/620 с большим (27 мм по диагонали) сенсором обеспечивают широкоугольную съемку, используя объективы с фокусным расстоянием 17-20 мм, эквивалентные соответственно 27-32-миллиметровым. Чувствительность ISO Профессиональные применения цифровых камер требуют высоких значений ISO. Для некоторых сценариев фотожурналистов чувствительность вообще критична, например, когда не может использоваться вспышка: при спортивной фотографии, скажем, особенно в искусственном свете (освещение арен и стадионов). Для приемлемых результатов значение ISO 100 мало. Выдержка становится слишком длинной, возникает риск получить нерезкий кадр. Приемлемый диапазон ISO - от 200 до 1000, в редких случаях требуется до 1600. Фотоэмульсии современных пленок обеспечивают фотографов превосходным качеством в диапазоне ISO 200-400 при дневном свете и ISO 800-600 при искусственном освещении. Фотографы хорошо знают о влиянии чувствительности на результат съемки, поэтому профессиональная цифровая камера должна иметь чувствительность ISO, равную чувствительности пленки. Используемый в камерах DCS 520/620 CCD-сенсор большого размера с соответственно большими ячейками (13x13 мкм) обеспечивает высокую чувствительность: ISO 200-1600. В зависимости чувствительности ISO от размера светочувствительной ячейки CCD-сенсора нет ничего необычного: больший размер ячейки, большее количество света может быть собрано и преобразовано в полезные сигналы, и поэтому получается более высокое значение ISO. В потребительских камерах размер ячейки сенсора бывает обычно около 5x5 мкм. Такого рода устройства принципиально не способны обеспечить высокую чувствительность. Определенные методы проектирования CCD-сенсоров могут обеспечить более высокую отдачу при заданном размере ячейки. Kodak применяет новейшую ITO-технологию (Indium Tin Oxide) в новом поколении полнокадровых CCD-сенсоров. ITO-сенсор более чувствителен к свету, чем устройства, выполненные по полисиликоновой технологии, использованной в предыдущих поколениях цифровых камер Kodak и применяемой в настоящее время другими изготовителями CCD (например, Philips и Loral). Полнокадровый CCD-сенсор, изготовленный по ITO-технологии, имеет примерно вдвое большую чувствительность, благодаря чему в камерах DCS 520/620 можно делать меньшие по размеру ячейки, нежели в ранее выпускавшихся NC 2000/DCS-EOS 3. Камера NC 2000 имела 1,3-мегапиксельный CCD-сенсор с диагональю 26 мм и размером ячейки 16x16 мкм. Чувствительность ISO при этом лежала в диапазоне 200-1600. Применение ITO-технологии обеспечило сохранение того же диапазона ISO в новых моделях камер и позволило иметь большее количество чувствительных ячеек при практически той же диагонали CCD-сенсора. Таким образом, разрешающая способность новых камер возросла до двух мегапикселей. Динамический диапазон Динамический диапазон CCD-сенсора является очень важным признаком профессионального качества изображения и соответствует понятию фотографической широты пленки, определенной как способность точно передавать полный диапазон градаций яркости в сцене. При ярком солнечном свете фотографические сцены могут легко иметь динамический диапазон в десять ступеней экспозиции (чисел диафрагмы) от глубоких теней до самых ярких областей. Изображение хорошего качества не обязательно должно охватывать весь этот диапазон, так как и современные фотоматериалы не в состоянии этого сделать. Система, которая зафиксирует до восьми ступеней, может считаться превосходной. CCD-сенсор (подобный используемым в потребительских цифровых камерах) с ограниченным динамическим диапазоном будет давать низкое качество изображения. Пользуясь камерой с таким сенсором, фотограф должен либо недоэкспонировать кадр, чтобы сохранить яркостную информацию, что исключает тени, либо слегка переэкспонировать сцену, чтобы усилить важные теневые детали, в результате "пересветятся" яркие области. CCD-сенсоры с малым динамически диапазоном обычно имеют большой коэффициент шума, что усложняет передачу теней изображения, так как их уровень оказывается сравнимым с уровнем шума. Обратим внимание, что динамический диапазон захваченной сцены также должен быть передан при печати, а печатающее устройство имеет собственные ограничения, связанные с диапазоном плотностей. Например, при коммерческой CMYK-печати воспроизведение изображения с динамическим диапазоном более чем в 5-6 ступеней затруднительно. После того как камера захватывает кадр, часто необходимо выровнять уровни освещенности изображения с тем, чтобы привести свет и тени кадра в соответствие с возможностями печатающегоустройства. И поскольку не захваченные детали освещенности изображения не могут быть восстановлены, камера обязана зафиксировать в полной мере и теневые, и яркостные составляющие сцены. CCD-сенсоры Kodak в совокупности с цветовой и тоновой обработкой, используемой в камерах DCS 520/620, захватывают и позволяют воспроизвести как минимум восемь ступеней динамического диапазона в результирующем изображении на видеомониторе (0-255 видеоуровней). Это достигается за счет высокого уровня полезного сигнала полнокадровых сенсоров Kodak при весьма низком уровне шумов. Динамический диапазон может быть определен отношением сигнал/шум. CCD-сенсор, используемый в DCS 520/620, имеет отношение сигнал/шум около 70 дБ. В терминах фотографической широты это значение соответствует приблизительно 12 ступеням экспозиции захваченного сенсором изображения. Цветовые и тоновые преобразования совместно с ограничениями видеомонитора сужают рабочий динамический диапазон до 8-9 ступеней. Оставшиеся 3-4 градации данных, фиксируемые сенсором, необходимы для соблюдения точности в представлении изображения. Эта дополнительная информация позволяет избежать ошибок математического округления яркостных данных изображения. С точки зрения фотографической плотности, имеющей логарифмическую шкалу, для хорошего диапазона в 8-9 градаций плотности (изображение при этом визуально не будет иметь потерь) сенсору требуется обеспечивать приблизительно 12 градаций линейного динамического диапазона захваченного изображения. Динамический диапазон CCD-сенсора связан с количеством бит аналого-цифрового (A/D) преобразователя. Обычно профессиональные цифровые камеры имеют 10-14-битовое представление изображения. Зависимость количества значений яркости от количества бит A/D-преобразователя представляет собой линейную функцию. 10-битовый преобразователь обеспечивает 1024 дискретных значения, 12-битовый - 4096 и 14-битовый - 16384. В хорошо спроектированной системе динамический диапазон сенсора соответствует количеству бит в преобразователе. Большее количество бит не обязательно лучше, если такого соответствия нет. Сенсор с малым динамическим диапазоном и плохим отношением сигнал/шум при 14-битовом A/D-конвертере сопоставим с установкой обычного двигателя в гоночный автомобиль Формулы 1. Десять бит - это минимум, необходимый для хорошего воспроизведения изображения. Для фиксации изображения с широким динамическим диапазоном и расширенным диапазоном ISO необходимо как минимум 12-битовое преобразование. Системы с 14-битовыми A/D-преобразователями могут рассматриваться только как перспективные, так как существующие CCD-сенсоры в обычных условиях не обеспечивают достаточного динамического диапазона. В этом случае для снижения уровня собственных шумов сенсора необходимо использовать дополнительное охлаждение, что влечет за собой резкое удорожание системы в целом. Верность цветопередачи Способность точно передавать цвета объекта съемки является одним из наиболее важных аспектов профессионального качества изображения. Пусть вы имеете систему с адекватной глубиной оцифровки, большим динамическим диапазоном, широким диапазоном ISO и большим размером сенсора - все это будет пустым звуком, если верность цветопередачи не отвечает профессиональным стандартам. Kodak имеет обширнейший опыт в исследованиях и разработках, касающихся воспроизведения цвета как в области пленочной технологии, так и в цифровых системах. Точность передачи цвета начинается с хорошего CCD-сенсора и заканчивается алгоритмами цветовой и тоновой обработки. В CCD-сенсорах, производимых компанией Eastman Kodak с использованием ITO-технологии, достигнут не только широкий диапазон значений ISO, но и высокая чувствительность синего канала. Последнее было в течение многих лет ахиллесовой пятой полнокадровых сенсоров (в противоположность Interline-устройствам, используемым в любительских камерах). Низкая чувствительность в синем канале приводила к повышенному уровню шума в захваченном изображении. Помимо такого рода достижений специалисты Kodak добились существенного улучшения качественных показателей массива цветовых фильтров (CFA), расположенного на поверхности сенсора. Этот мозаичный массив RGB-фильтров придает камере способность захватить все три первичных цвета за время одного экспонирования. Новые ITO-сенсоры Kodak обеспечивают более чем трехкратное уменьшение средней цветовой ошибки по отношению к сенсорам предыдущего поколения. Средняя цветовая ошибка систем DCS 520/620 очень близка к ошибке пленки Kodak Ektachrome. Пользователи DCS 520 подтвердили это, говоря, что при некоторых источниках света, в частности, на стадионах, DCS 520 обеспечивает лучшее качество изображения, чем пленка. В то время как цветопередача некоторых цифровых камер оптимизирована для съемки только при дневном свете, профессиональные камеры Kodak имеют калиброванные установки для дневного света, ламп накаливания, фотовспышки и флуоресцентных источников. Это позволяет оптимизировать цветопередачу для более широкого разнообразия освещения, что согласуется с требованиями профессиональной фотографии. Отношение сигнал/шум Шумовые характеристики не первичны по отношению к хорошему отображению, но важны как основа оценки качества изображения. Сенсоры с высоким уровнем шума (подобно Interline- или CMOS-устройствам в потребительских камерах) имеют также ограниченный динамический диапазон. Величина свойственного им отношения сигнал/шум лежит в пределах 10-15 дБ, что ниже, чем у высококачественных полнокадровых сенсоров, подобных тем, которые используются в DCS 520/620. Это одна из причин того, почему потребительские камеры редко имеют более одного значения чувствительности ISO. Шум при более высоких значениях ISO недопустим даже при непрофессиональном использовании камеры. Высокий уровень шумов ограничивает диапазон ISO и, следовательно, фотографическую широту цифровой камеры. Идея о замене пленки была бы опорочена, если бы профессиональные камеры DCS 520/620 имели одно значение ISO, например 400. Профессионалы расценили бы эти камеры, как худшее решение. Однако системы DCS 520/620 имеют 8-кратный диапазон ISO, что не было бы возможно без отношения сигнал/шум в 70 дБ. При этом инженеры компании Kodak предпринимают дальнейшие усилия для проектирования CCD-сенсора, обладающего в естественных условиях еще более низким уровнем шума. В приведенной таблице показаны основные характеристики семейства выпускаемых в настоящий момент профессиональных камер Kodak Professional. Акцент на этих камерах сделан в силу того, что автор обладает о них наибольшей информацией и имеет значительный опыт их практического использования. |
| Модель | DCS 315 | DCS 330 | DCS 520 | DCS 620 | DCS 560 | DCS 660 | Базовая камера | Nikon Pronea 6i SLR | Canon EOS-1N SLR | Nikon F5 SLR | Canon EOS-1n SLR | Nikon F5 SLRNikon | Сменная оптика | Nikon IX и AF | Nikon AF | Canon EF | Nikon AF | Canon EF | AF | Скорость съемки, кадр/с | 2 | 1 | 3,5 | 1 | Для серии кадров | 3 | 8 | 3,5 | 3 | Емкость буфера, Мбайт | 8 | 32 | Тип CCD-сенсора | Полисиликон | ITO | Разрешающая способность CCD-сенсора, пикселов | 1520х1008 | 2008x1504 | 1728x1152 | 3040x2008 | Размер CCD-сенсора (диагональ), мм | 16 | 22 | 27 | 33 | Чувствительность ISO | 100-400 | 125-400 | 200-1600 | 80-200 | Глубина цвета, бит/цвет | 10 | 12 | Коэффициент увеличения фокусного расстояния | 2,6 | 1,9 | 1,6 | 1,3 | Фильтрация шумов и артефактов | Hot Mirror Filter | Встроенный Anti Aliasing Filter | Тип файла в камере | TIFF/JPEG | TIFF | Объем файла на выходе, Мбайт | 4,4 (TIFF) | 8,65 | 5,7 | 18 | Интерфейс | IEEE1394 (Firewire) | Скорость передачи файла в компьютер (секунды) | 5 | 8 | 7 | 15 | Баланс белого | Авто/ручной, по заданным типам освещения/по серой точке | Управление | Из компьютера | Непосредственно в камере и из компьютера | Цветной LCD | Да | Анализ кадра по патентованным Kodak гистограммам | Да | Запись и передача в компьютер звуковых коментариев | Да | Передача в компьютер параметров съемки (выдержка, диафрагма, фокусировка, компенсации и пр.) | Да | Управление параметрами съемки из компьютера | С драйвером не ниже чем v5.7 | Тип сменного носителя | PCMCIA Type II, III | Тип аккумуляторных батарей | 6AALithium, NiMH | NiCD | Количество кадров на один заряд батарей | 200 | 300 | 100 | Размер полиграфического отпечатка с линеатурой 133 lpi, см | 19,35x12,83 | 25,58x19,15 | 22x14, 66 | 38,71x25,58 | Цена | См. на www.ansystem.com |
| Цифровая фотография переживает сейчас этап бурного развития и, соответственно, распространения. Многие издательства, агентства новостей, рекламные бюро и пр. начинают отказываться от пленочной технологии, понимая, что быстрая адаптация фотографов к профессиональным цифровым камерам, высокое качество цифровых изображений и оперативность их получения являются неоспоримым преимуществом новой технологии. Расширению использования цифровых камер способствует и постепенное снижение цен на профессиональные модели при неуклонном улучшении их характеристик. Это естественно в условиях жесткой конкуренции между производителями. Анализ показывает, что среди производителей выигрывает тот, кто в состоянии разработать и выпустить лучший сенсор по приемлемой цене, а также обеспечить камеру эффективными математическими алгоритмами обработки изображения. Так, лидирующая в этой области компания Eastman Kodak испытывает сильное давление со стороны давнишних конкурентов. Фирма Nikon недавно представила свою новейшую разработку - профессиональную 2,74-мегапиксельную цифровую камеру D1. Она имеет сенсор, насчитывающий 2012х1324 эффективных элементов. При этом диагональ CCD-сенсора близка к 28 мм, что дает увеличение фокусного расстояния приблизительно в 1,5 раза. D1 обладает широким диапазоном чувствительности ISO, выбираемой по четырем ступеням (200, 400, 800 и 1600). Сведения о начале продаж камеры Nikon D1 на момент написания статьи у автора отсутствуют. Другим примером является недавно заявленная к выпуску камера Minolta Dimage RD 3000. Она оснащена призмой, разделяющей изображение, и двумя CCD-сенсорами с 1,5 млн. светочувствительных элементов в каждом. Коэффициент увеличения фокусного расстояния при этом равен 1,5. Итоговое изображение, оцифрованное этой камерой, состоит из 2,7 млн. пикселей. Такой подход требует высококачественных алгоритмов сбора информации и не всегда способен обеспечить наивысшее качество цифрового кадра. В заключение хотелось бы отметить, что профессиональная цифровая камера, рассмотренная только с точки зрения высоких технических характеристик ее элементной базы, остается пусть замечательным, но все же "холодным" инструментом. Главным остается тот, кто умеет увидеть или создать сцену для съемки, зафиксировать мгновение и, что немаловажно, обработать полученный цифровой кадр. Кстати, финишная обработка кадра цифровой камеры - это искусство и вообще тема для отдельной статьи. В статье использованы материалы Eastman Kodak Company, пресс-релизы и публикуемые в Web спецификации производителей. |
