Цифровой фотоаппарат изнутри: отличия чувствительной матрицы от пленки

АрхивЦифрография

Физические принципы работы, конструктивно-технологические особенности, основные характеристики, преимущества и недостатки матриц.

Чем отличается цифровой фотоаппарат от пленочного? Сущей мелочью: способом фиксирования света, прошедшего через объектив. Все остальное — процессоры, шины, устройства накопления и т. п. — лишь дополнительные причиндалы, идущие в комплекте с матрицей, воспринимающей этот самый свет. Что касается автоматики фокусировки и экспозиции, так она есть и в традиционных камерах, так что, по сути, все сводится к одним лишь матрицам, заменяющим собой пленку.

Для начала разберем принципиальные отличия пленки от некой гипотетической матрицы¹. Отличие главное: светочувствительные элементы пленки (зерна галоидного серебра) по природе своей стохастичны — как их размеры и форма, так и расположение в эмульсии подчиняются закону нормального распределения, а все элементы матрицы расположены в виде регулярной решетки, причем их размер и форма четко фиксированы. Отличие менее принципиальное: элементом, образующим изображение в цветной пленке, является «облачко» красителя, конденсирующегося при обработке вокруг зерна металлического серебра. Естественно, контуры «облачка» размыты, а границы пиксела цифрового изображения обозначены четко. Остальные отличия относятся не ко всем типам матриц, о чем будет сказано ниже.

Поскольку в дальнейшем мы будем часто прибегать к «пленочным аналогиям», рекомендую ознакомиться с «устройством» современной пленки, описанным ниже (см. врезку «шесть слоев с хвостиком»).

Шесть слоев с хвостиком Для простоты допустим, что зерно галоидного серебра представляет собой эллипсоид, большая ось которого параллельна подложке. Сразу отметим, что чувствительность пленки зависит от размера зерна: чем оно больше, тем выше его чувствительность. В общем случае пленка представляет собой семислойный «бутерброд», состоящий из трех цветных слоев, отождествляемых с основными цветами спектра по субстрактивной схеме, «прошитых» в желатиновой основе эмульсии, и противоореольного подслоя, отделяющего желатин от подложки с одной-единственной целью: устранить паразитное отражение света от подложки, порождающее размытое световое пятнышко вокруг каждой точки изображения. «Но слоев только четыре! — скажете вы. — А где же еще три?» Совершенно верно. Еще три появляются за счет того, что каждый цветной слой в общем случае состоит из двух подслоев: высоко- и низкочувствительного (большие и малые зерна соответственно) — с целью расширения динамического диапазона пленки. Слои расположены один под другим в следующем порядке (начиная от поверхности эмульсии): красный, зеленый, синий — прежде всего потому, что, отличаясь энергией, лучи света поглощаются и рассеиваются в эмульсии с разной скоростью (правда, в дело вмешивается еще и дифракция, но ею для простоты пренебрежем).

 

Разрешение

Разрешение зависит от количества точек изображения. Чем выше чувствительность пленки, тем ниже ее разрешение, и наоборот. У матриц все обстоит иначе: размер пиксела фиксирован, и чувствительность матрицы определяется чувствительностью пиксела. Теоретически она ограничена одним фотоном, но практически при очень слабом сигнале флюктуационные шумы «забивают» полезный сигнал.

Есть и еще один фактор, препятствующий повышению разрешения матриц без увеличения их геометрических размеров, — дифракция. Если пиксел будет сравним с длиной волны улавливаемого света, неизбежны дифракционные эффекты, так что размер пиксела опять-таки ограничен снизу длиной волны. Дело усугубляется тем, что матрицы чувствительны к инфракрасной составляющей спектра (в чем легко убедиться, направив в объектив светодиод ПДУ телевизора), имеющей значительную (в рамках видимого спектра) длину волны, а галоидное серебро без специальной обработки не видит ее в упор.

Далее, теоретическая чувствительность может быть достигнута лишь при охлаждении матрицы до абсолютного нуля, что практически недостижимо, поэтому реальная чувствительность сенсоров ограничена снизу уровнем тепловых шумов, а сверху — уровнем насыщения, когда дополнительная экспозиция уже не усиливает сигнал (что, полагаю, очевидно, и в комментариях не нуждается). Тут, надо заметить, принципиальную роль играет тип самих датчиков: ПЗС (он же CCD) или КМОП (CMOS).

 

Тип датчика

У обеих систем есть и достоинства, и недостатки. Принципиально датчики с потоково-зарядной связью (ПЗС) отличаются от комплементарных пар тем, что под воздействием света теряют заряд, а КМОП-датчики, наоборот, приобретают. Любопытно, что, поскольку вторая схема предусматривает возможность перенасыщения, при дальнейшей экспозиции возникает обратный эффект: КМОП-матрица начинает терять заряд, что ведет к эффекту истинной соляризации (на снимке попавшее в кадр солнце может оказаться темно-фиолетовым или даже черным), что роднит КМОП-матрицы с пленкой².

При этом спектральные характеристики ПЗС-матриц несколько лучше, что, казалось бы, дает им преимущество перед КМОП-сенсорами, но не тут-то было: компания Canon на очередном витке развития цифровых технологий обратилась к технологии КМОП, как более перспективной. Остальные производители профессиональной фототехники пока относятся к этому начинанию с осторожностью, и кто окажется дальновиднее, пока неясно, но Canon сделала чрезвычайно сильный ход, выбросив на рынок зеркальную камеру 300D с КМОП-матрицей по демпинговым ценам³.

 

Битый (и битный) цвет

Еще одно принципиальное отличие цифры от пленки: матрица (за одной оговоркой, имя которой Foveon) не видит цвета пиксела, воспринимая лишь интенсивность упавшего света, вследствие чего каждый пиксел изображения должен состоять из группы пикселов разных цветов. Цвет подпиксела при этом определяется прикрывающим его светофильтром. Как легко догадаться, при расположении пикселов в виде прямоугольника цвета приходится разбивать не на триады, как в основной цветовой схеме RGB (красный-зеленый-синий), а на тетрады. Чаще всего приоритет отдается зеленому цвету, и наиболее активным в схеме расположения светофильтров выступает зеленый — GRGB — как самый распространенный и олицетворяющий среднюю часть спектра, где человеческий глаз имеет наибольшую чувствительность. Впрочем, среди отклонений от нормы, кроме дальтонизма, как недавно выяснилось, существует тетрахроматизм, когда на глазном дне присутствуют колбочки, чувствительные не к трем, а к четырем цветам⁴, дополнительным среди которых выступает изумрудно-зеленый. Видимо, именно это и подвигло компанию Sony на создание матрицы с четырьмя разными фильтрами, из которых дополнительным выступает как раз изумрудно-зеленый. Насколько такой подход оправдан, покажет только практика.

В стандартной мозаичной матрице фотосенсор может измерить только одну цветовую составляющую.

Из прочих «светофильтровых» отклонений от стандарта наиболее заметным являются матрицы Foveon X3, где используется квантовый эффект: свет с разной длиной волны поглощается на разной глубине полупроводника. Таким образом, по цветовой схеме эта матрица наиболее близка к пленке: каждая точка изображения выступает не группой расположенных рядом точек, а одним «бутербродом» разноцветных пикселов. Подобная схема устраняет цветовые артефакты, возникающие из-за «размазывания» одной точки по группе из четырех разноцветных пикселов, что можно отождествить с увеличением разрешения в три раза.

Foveon X3: трехслойная матрица, каждый пиксел которой способен воспринимать три цветовые составляющие.

Единственный элемент пленки, отсутствующий во всех вариантах, — это противоореольный подслой, нужда в котором отпадает потому, что вся энергия света поглощается кристаллом и паразитные отражения невозможны по определению.

 

Компоновка пикселов

Хотя устройства отображения цифровых картинок «понимают» лишь один формат — в виде прямоугольной матрицы, — устройства считывания информации могут воспринимать ее по-разному, перекладывая ответственность за прямоугольную компоновку на процессор.

В идеале следовало бы применить гексагональное расположение подпикселов, поскольку оно обеспечивает наибольшую плотность компоновки, но на нынешнем уровне развития технологий такая компоновка представляется слишком сложной, требуя считывания информации не по двум координатам (вертикаль и горизонталь), а по трем (условно: горизонталь, +60 градусов, -60 градусов) и куда более сложной интерпретации данных. Вероятно, со временем эту трудность преодолеют, пока же компания Fujifilm⁵ нашла приемлемый паллиатив, названный матрицами SuperCCD (как легко догадаться, на базе технологии CCD), расположив восьмиугольные пикселы в виде ромба, что обеспечило более удобное (хотя и не более быстрое) считывание информации. Интерполируя полученные данные, можно теоретически получить разрешение в 1,4-1,7⁶ раз выше, чем у прямоугольной матрицы (то ли корень из 2, то ли корень из 3 — надо бы проделать геометрические выкладки, да все как-то лень).

А раз уж производством столь диковинных матриц может заниматься лишь компания, их породившая, на достигнутом она не остановилась, попытавшись еще больше уподобить их обычной пленке.

 

Размер зерна и чувствительность

В начале уходящего года Fujifilm объявила о создании матриц SuperCCD четвертого поколения. Правда, в отличие от предыдущих поколений, нынешнее породило два подвида: HR и SR. И то и другое решения основываются на элементарном удвоении каждого пиксела и суммировании сигналов, от них поступающих. Водораздел проходит по геометрическим размерам пикселов. В матрицах с индексом HR — оба пиксела одного и того же размера, что обеспечивает более высокую чувствительность. Куда интереснее решение SR, где один пиксел вчетверо меньше другого, за счет чего достигается высокая чувствительность в тенях (большой, или Н-пиксел) и низкая — в светах (малый, или S-пиксел). Благодаря этому динамический диапазон матрицы увеличивается в четыре раза, фактически соперничая с пленкой (заметим, достигающей такого результата за счет того же решения — сочетания больших [высокочувствительных] и малых [низкочувствительных] зерен галоидного серебра).

SuperCCD SR.

 

Физические пределы

Вследствие меньших физических размеров матриц объективы цифровых камер получаются меньше и легче, чем у пленочных, однако конструктора здесь подстерегают свои подводные камни: чем меньше размер линзы, тем труднее сделать ее качественной (тут есть свои хитрые ходы — к примеру, жидкостные линзы, но это отдельный разговор) и тем меньше отдельный пиксел! А когда размер пиксела сравним с длиной волны, как уже упоминалось, неизбежны дифракционные и интерференционные эффекты… Так что микроминиатюризация совершенно четко ограничена снизу длиной волны около 1000 нм (из-за чувствительности сенсоров к инфракрасному свету). И дальнейшее повышение качества возможно только за счет увеличения матрицы при сохранении геометрических размеров отдельного пиксела.

 

Попытка прорицания

Обобщив вышесказанное, можно нарисовать образ идеальной матрицы, устраняющей все недостатки и аккумулирующей все достоинства существующих и несуществующих (пока), но теоретически возможных матриц. Ей должна быть присуща гексагональная структура, причем каждый пиксел должен быть представлен двумя-тремя подпикселами разного размера (и, очевидно, чувствительности), а каждый пиксел должен представлять собой трех-четырехслойный «бутерброд» сообразно разным длинам волн. Можно дробить и мельче, пока не будет достигнут порог восприятия человеческого глаза. Вот и получится нечто вроде Foveon UltraSuperCCD x3. Только производители должны сперва договориться о перекрестном лицензировании технологий, а такие вопросы, увы, решаются куда медленнее, чем технические проблемы.

По материалам еженедельника «Компьютерра».

---

1. Гипотетической — потому что матрицы весьма разнообразны, что вносит некоторый разнобой, но на базовом уровне их можно считать одинаковыми. [вернуться]

2. Хотя на пленке истинная соляризация наблюдается крайне редко благодаря большему динамическому диапазону, мне она несколько раз встречалась. Ни в коем случае не путайте с псевдосоляризацией — подробности о ней можно найти в учебниках по фотопечати. [вернуться]

3. См. «Огород Козловского» в «КТ» #518. [вернуться]

4. Эта патология присуща только женщинам. В целях политкорректности (ПК), столь популярной за бугром, следует отметить, что дальтонизмом страдают только мужчины, и причиной тому служит не половая сегрегация, а Y-хромосома, не ведающая о демократии. [вернуться]

5. Следует читать Фудзифильм. Компания названа в честь знаменитого японского вулкана, а слово «Фуджи» — лишь вульгарная двойная транслитерация — с японского на английский, а с английского на русский. [вернуться]

6. По утверждениям производителя — в два раза, но практическая проверка показывает результат лишь около 1,5 раза. — А.Ф. Как владелец камеры на Ultra CCD 3, могу сказать, что частенько интерполяцию лучше отключать. — В.Г. [вернуться]