Матрица. Эволюция

"Историографы" до сих пор расходятся во мнениях, что считать первой цифровой камерой. Кто-то ссылается на первую модель Sony Mavica 1981 года, записывающую снимки на дискеты.

"Историографы" до сих пор расходятся во мнениях, что считать первой цифровой камерой. Кто-то ссылается на первую модель Sony Mavica 1981 года, записывающую снимки на дискеты; кто-то ведет отсчет от 1991-го, когда Kodak с Nikon, объединив усилия, выпустили профессиональный (!) зеркальный аппарат DSC100; а некоторые вспоминают аж 1975-й, когда Стив Сассон из Kodak сконструировал первый работающий аппарат на CCD-матрице, весивший три килограмма и позволявший записывать снимки размером 100х100 пикселов на магнитную кассету.

В любом случае понятно, что фотографические сенсоры прошли долгий и тернистый путь, пока не стали такими, какими мы их видим сегодня, и, если пытаться отметить каждую вешку на этом пути, времени и журнального места уйдет немало. Посему, да простит меня читатель, мы поскачем галопом по Европам, останавливая взгляд только на чем-то действительно достойном внимания. И еще одна ремарка. С вашего позволения, мелкопиксельные сенсоры "пойнт-энд-шутов" мы из поля зрения уберем; во-первых, мелкие матрицы так или иначе есть производные от больших, а во-вторых, Пляжным Обезьянкам все эти техно-исторические выкладки до одного места: был бы дисплейчик поярче и побольше, да пресеты на все случаи жизни, от "я и башня: оба резко" до "негр ночью ворует уголь".

Если разобраться, вся экстенсивная история развития матриц цифровых фотокамер сводится к борьбе инженеров за увеличение площади и разрешения сенсора с одновременным снижением шумов на высоких значениях чувствительности. Разумеется, не стоит сбрасывать со счетов и финансовую составляющую - это одна из главных причин, почему "бытовые" сенсоры далеко не сразу доросли до площади обычного кадра 35-мм пленки - 24х36 мм. Но прежде чем начать экскурс в прошлое, давайте вспомним, откуда пошли типоразмеры современных матриц.

Коль вы хоть раз читали спецификацию цифровой компактной камеры, наверняка заметили что-то вроде "матрица 1/1,8”".

Как и многое в нашей жизни, цифра эта очень странная и ничего толком не объясняет. Это не площадь и не диагональ, это (вдохните) условный диаметр передающей ТВ-трубки, в которую такая матрица могла бы вписаться. Как говорится в известном анекдоте, "понять это нельзя, это надо запомнить", а для определения реальных размеров матриц существует специальная таблица, где, к примеру, видно, что 1/1,8” - это сенсор 7,176х5,319 мм с диагональю 8,933 мм. А хорошо известный "цифрозеркальщикам" стандарт APS-C - сенсор "1,8” условных диаметров" (примерно 23,7х15,7 мм).

Вернемся на семнадцать лет назад и посмотрим на первую цифровую зеркальную камеру - Kodak DSC100. Правда, назвать ее так можно с большой натяжкой, поскольку она представляла собой пленочный Nikon F3 с модифицированной моторной ручкой MD-4: вместо задней крышки был установлен прообраз современного цифрозадника, KODAK Camera Back с CCD-чипом Kodak M3 imager, способный регистрировать 1,3-мегапиксельную картинку (1280x1024). Существовало две версии чипа: для монохромных и цветных изображений. Аппарат при помощи кабеля соединялся с записывающим модулем DSU (Digital Storage Unit), который был раз в пять-шесть больше самого аппарата; на DSU можно было записать до 156 снимков без компрессии и от 400 до 699 снимков с компрессией (при условии, что DSU оснащался соответствующим блоком). Вы не поверите, но там был даже буфер на целых 8 Мбайт оперативной памяти (DRAM), позволяющей хранить до шести снимков и фотографировать со скоростью 2,5 кадра/с! Буфер при желании можно было расширить до 32 Мбайт; а DSU к тому же оснащался 4-дюймовым дисплеем для просмотра отснятого материала. Что характерно, размерами сенсор примерно соответствовал формату APS-C: чтобы получить изображение, эквивалентное фокусному расстоянию 50 мм, требовался 35-мм объектив (кстати, именно с того момента в обиход вошло понятие "кроп-фактора").

Пропустим модель NASA F4 Elec tronic Still Camera, сделанную на базе модифицированного Nikon F4 и предназначавшуюся для полета на челноке Discovery в сентябре 1991-го, и прыгнем сразу в 1993-й, где цифровая зеркальная камера уже почти обрела привычный вид и габариты. Ею была Kodak Professional DCS 200 - модифицированный пленочник Nikon F801, "приаттаченный" к цифровому блоку внушительных размеров (представьте себе две камеры, поставленные друг на друга).

Существовало целых пять модификаций: цветная с внутренним 80-мегабайтным жестким диском (на 50 снимков), цветная без диска (можно было записать 1 кадр), монохромная с диском, монохромная без диска и инфракрасная с диском. Сенсор (CCD) размерами 14x9,3 мм обеспечивал разрешение 1524x1012 пикселов. Весил этот агрегат 1,7 кг.

А дальше пошло-поехало. 1994-й - Kodak DCS 410 (сенсор 13,8x9,2 мм); 1994–95-й - DCS 420 (модификация 410-й модели); 1995–96-й - DCS 460, мощный аппарат с сенсором 27,6x18,4, выдававшим картинку разрешением аж 3060x2036; 1998–99-й - DCS-315 и DCS-330 - уже фактически "нормальные" цифрозеркалки; да, смешные, громоздкие и несовершенные, зато с двумя (!) ЖК-дисплеями: основным, для предпросмотра снимков, и вспомогательным, информационным. 315-я модель оснащалась 1,5-мегапиксельным сенсором, а 330-я - трехмегапиксельным (1504x2008), снимки записывались в формате TIFF и JPEG (у 330-й - только в TIFF). До выхода Nikon D1, с которой цифровые зеркальные камеры обрели привычный нам вид, оставалось меньше года.

Nikon D1 - статусная камера, начало новой эпохи цифрового фото. Профессиональная зеркалка, оснащенная 2,6- мегапиксельным (2000x1312) CCD-чипом Sony формата DX (23,7x15,5 мм), - отметим, что с этого момента размер DX-сенсора у никоновских камер не менялся.

D1 был способен снимать со скоростью 4,5 кадра/с, умел записывать снимки в RAW, TIFF и JPEG и обеспечивал диапазон чувствительности 200–1600 единиц ISO. Да что говорить, этот аппарат до сих пор можно встретить на интернет-аукционах, где коллекционеры с удовольствием приобретают его как предмет культа (им даже нередко продолжают снимать!). На момент выхода D1 стоил $5500 [Кстати, практически столько же нынче просят за самую свежую профессиональную зеркалку Nikon D3] - заметьте, вполне доступная цена для профессионала, и даже для богатого любителя.

Для съемок, правда, чаще берут следующую модель - D1X. Все-таки вдвое большее разрешение (5 Мп) заметно повышает качество. Сенсор этой модели (разумеется, CCD и, разумеется, Sony) интересен "вытянутыми" по вертикали пикселями: по горизонтали было 4028 точек, по вертикали - всего 1324 (как у D1). Путем интерполяции получалось разрешение 3008x1960. Аппарат до сих пор популярен среди энтузиастов, поскольку "толстый пиксель" обеспечивает весьма приличное качество картинки; из недостатков D1X упомянем лишь цифровой шум в виде так называемого "снега" при ночной съемке.

Из моделей, которые тем или иным образом заслужили статус "исторических", достойны упоминания еще три. Вопреки расхожему мнению, что Canon первой выпустила аппарат с "полнокадровой" матрицей (равной по площади кадру 135-мм пленки), это сделала компания Contax в июле 2000 года. Модель называлась Contax N Digital, базировалась на CCD-сенсоре от Philips размерами 24х36 мм и выдавала 6-мегапиксельную картинку с разрешением 3040x2008. Естественно, стоила она по тем временам неслабо - $7400. Может, изза высокой цены, а может, по иным причинам камера не снискала особой популярности и стала первой и последней цифровой зеркалкой знаменитой фирмы.

Первым профессиональным цифрозеркалом Canon стала камера EOS-1D (сентябрь 2001) на основе CCD-сенсора (!) размерами 28,7x19,1 - "промежуточный" кроп-фактор 1,3х, еще не 135-мм кадр, но уже и не APS-C. Этот типоразмер матрицы получил название APS-H. Максимальное разрешение снимка 1D составляло 2464x1648 пикселей при скорострельности 8 кадров/с! Напоследок вспомним любительский аппарат Canon EOS 300D (август 2003-го).

В нем не было бы ничего примечательного (6-мегапиксельный CMOS-сенсор с разрешением 3072x2048, пластиковая любительская тушка со скоростью съемки 2,5кадра/с), если б не цена в $899 на момент релиза. В США "трехсотка" получила название "Digital Rebel", что, очевидно, намекало на борьбу с дороговизной цифровых камер. Цена и в самом деле была более чем щадящей, в силу чего (а также из-за отсутствия подобных продуктов у конкурентов) аппарат раскупался как горячие пирожки. С этого момента качественная цифровая фотография действительно стала доступной всем.

Теперь, когда мы с пользой прогулялись по прошлому, имеет смысл поговорить о технологиях, заложенных в основу цифровых матриц.

CCD ИЛИ CMOS?

В цифровой фотографии сей вопрос, пожалуй, не менее глубок, чем шекспировское "Быть или не быть?". Не стану углубляться в технические дебри и рассказывать о структуре этих типов сенсоров (подробности при желании легко отыскать в интернете), дам лишь общую информацию. CCD (или ПЗС, если хотите) впервые появился в 1970-м и два последующих десятилетия преобладал во всех массовых разработках. Он традиционно считается менее шумным, очень эффективным (отношение числа зарегистрированных фотонов к общему числу, попавшему на светочувствительную область матрицы, для CCD составляет 95%), проще устроен, но в то же время более дорог в производстве, капризнее в эксплуатации и требует большого количества вспомогательных устройств (то есть нуждается в сложной обвязке, куда входят зарядовые усилители, сигнальные процессоры, различные регистры и дублирующая саму матрицу структура обычной памяти), в силу чего более прожорлив (потребляет на порядок больше CMOS).

Реально работающий твердотельный датчик изображения, построенный на базе CMOS (по-русски - КМОП), появился лишь в 1993-м. Главные достоинства этой технологии - простота и дешевизна производства, высокое быстродействие, возможность снимать сигнал с каждой отдельной ячейки, низкое энергопотребление. Вдобавок на том же кристалле легко реализовать дополнительные схемы: АЦП, процессор, память и т. п. Разумеется, недостатков у CMOS тоже предостаточно: высокий уровень шума, требующий сложных алгоритмов шумоподавления; не завидная чувствительность (так называемый fill factor - коэффициент заполнения, представляющий собой отношение площади фоточувствительного элемента ко всей площади пикселя, - у CMOS не превышает 75%); усилители, занимающие много полезной площади кристалла, и пр.

Противостояние CCD и CMOS до некоторого времени можно было приравнять к знаменитой войне брендов Nikon и Canon. Известно, что Canon с самого начала (с момента выпуска EOS D30 в октябре 2000-го) сделала ставку на CMOS и по сей день оснащает свои зеркальные камеры сенсорами, изготовленными на основе этой технологии. Nikon же долго оставалась верна CCD, превознося достоинства этого типа сенсора как источника менее шумной и более качественной картинки. До поры до времени CCD действительно пребывал в безусловном фаворе (в том числе и в умах потребителей), но сегодня уже нельзя с уверенностью сказать, какая технология окончательно завоюет рынок, а какая постепенно сойдет со сцены. Если говорить о зеркальных камерах, то здесь, пожалуй, CMOS уже начинает преобладать над CCD, и свою роль в этом процессе сыграла не столько Canon, сколько Sony, как крупнейший производитель сенсоров, к тому же продающий их "на сторону" - в последнее время она, видимо, тоже решила поставить на CMOS. Nikon же "сломался" только в 2004-м, выпустив профессиональную камеру топ-класса D2X на основе сониевского CMOS-датчика; позднее похожей матрицей был оснащен аппарат D2Xs. Вообще интересное явление: почти все производители, крепко сидевшие на CCD, в 2007–08 гг. выпустили хотя бы одну свежую модель на основе CMOS-сенсора: Nikon, Sony, Pentax, Olympus, Panasonic - тенденция, однако…

Один из несокрушимых пока бастионов - компания Fuji, стоящая особняком со своими уникальными сенсорами SuperCCD.

Мнения об этой технологии самые разные, но даже скептики признают, что камера S5 Pro с матрицей SuperCCD четвертого поколения заметно превосходит по динамическому диапазону профессиональные модели N и С. Правда, она столь же заметно проигрывает оным в детализации, но Москва не сразу строилась, и есть надежда, что компания не станет сидеть сложа руки. Тем более что Fuji хоть и использует только собственные матрицы, но "коробки" для них патентует у Nikon: старушка S3 Pro - это фактически "Nikon F80 с цифрозадником", а S5 Pro - почти копия Nikon D200; впрочем, это не секрет. Цимес матриц Fuji в том, что, во-первых, ячейки имеют не прямоугольную, а ромбовидную форму (точнее - шестигранную), что позволяет эффективнее использовать площадь кристалла; во-вторых, массив SuperCCD-сенсора состоит из двух типов пикселей: S и R. S-пиксели, предназначенные для проработки деталей в тенях, - большого размера и весьма чувствительны к падающему свету; при увеличении освещенности быстро насыщаются и перестают реагировать на дальнейшее увеличение экспозиции. Напротив, R-пиксели - маленькие и низкочувствительные - отвечают за проработку деталей в светах. Казалось бы, вечная проблема "цифры" решена, но, увы, ничего в этой жизни не дается даром.

Динамический диапазон и правда получился отменный, но за него пришлось расплачиваться низкой производительностью: в режиме Wide dynamic range (а иначе какой смысл покупать такую камеру?) скорость серийной съемки всего 1,6 кадра/с в JPEG и 1,4 кадра/с - в RAW (да и 3 кадра/с в режиме стандартного ДД не бог весть какой подарок). Вес RAW-файлов тоже впечатляет - около 25 Мбайт, ну а что касается разрешения, то споры, сколько мегапикселов у "фуджи" на самом деле, не утихают до сих пор. В спецификации четко написано: 12,34 млн. эффективных пикселей, но камень преткновения именно в слове "эффективных" - на деле получается, что хотя в формировании изображения и задействованы все 12 миллионов (6+6), реальное разрешение картинки именно 6 мегапикселов, а в режиме, когда размер записываемой картинки 4256x2848 (12 мегапикселей), изображение формируется путем интерполяции, что не лучшим образом сказывается на детализации. В общем и целом SuperCCD - задумка отличная, но работы там еще непочатый край: пока у Fuji не получится камера с реальным, а не интерполированным разрешением 12 мегапикселей и скоростью… ну пусть 5 кадров/с, - она так и будет занимать свою маргинальную нишу.

Кстати, о производителе сенсора. Есть одна странность, всплывшая в жарких форумных обсуждениях новых аппаратов: почему-то очень большой процент пользователей волнует, кто именно сделал сенсор для той или иной камеры. Так вот достоверно выяснить это удается не всегда: порой вендор прямо указывает в технических характеристиках, чей сенсор, порой, напротив, тщательно скрывает. Иногда сведения подаются с помпой, чтобы заинтересовать потенциальных покупателей, а иногда с прозрачным намеком: мол, вы же понимаете, о ком речь. С Canon все понятно - та делает собственные матрицы для собственных же камер, с Sony в этом плане тоже все прозрачно, но есть еще Nikon и Pentax, а также Olympus и Panasonic, покупающие матрицы на стороне. Только ли покупающие? Еще с момента выпуска модели D1X Nikon тесно сотрудничает с Sony, при каждом удобном случае подчеркивая, что инженеры компании либо принимали участие в разработке очередного сенсора, либо при разработке Sony учла их пожелания; D2H вообще оснащен эксклюзивной матрицей Nikon JFET LBCAST (в основе которой лежит, кстати, технология CMOS), а в последних моделях - D3 и D300 - о тете Соне вообще ни слова, "сенсор разработан компанией Nikon", а прочее вас не касается. Согласитесь, между разработкой и производством - большая разница, и, как мне кажется, первое гораздо важнее, даже если разработка - совместная.
Добавлю, что Sony вовсе не обязана производить сенсоры лишь на собственных мощностях, она вправе разместить заказ у той же TSMC или еще где-нибудь; таким образом, понятие "производитель сенсора" становится весьма расплывчатым. Olympus начинала свою "зеркальную карьеру" при помощи Kodak (знаменитая профессиональная 5-мегапиксельная E1 до сих пор в строю), а начав сотрудничать с Panasonic, "перепрыгнула" на сенсоры этой компании; Pentax долго довольствовался продукцией Sony, но некоторое время назад умудрился "задружиться" с корейским полупроводниковым гигантом, и, думаю, Sony "Пентаксу" больше не понадобится. Новый аппарат K20D, анонсированный 23 января, согласно пресс-релизу, оснащается оригинальным 14-мегапиксельным CMOS(!)-датчиком принципиально новой конструкции, где инженерам удалось на 60% увеличить полезную площадь пиксела и за счет этого существенно снизить шумы. Производитель суперсенсора деликатно не указывается, но вы же понимаете, о ком речь?

И еще один важный момент: матрица - это не все, что определяет картинку с камеры. Есть еще процессор, и есть софт, интерпретирующий полученные с матрицы данные. А эти вещи, как вы понимаете, у разных производителей камер разные. К примеру, в плане софта (как внутреннего, так и внешнего) Nikon всегда был и есть на высоте, оттого картинка с камер Nikon D80 и Sony A100, сделанных на одной и той же матрице, заметно лучше у первой. Скажите, вам все еще действительно важно, кем сделан сенсор вашей камеры? Мне - нет.

Рынок цифровой фотографии жив не едиными зеркалками, есть еще сектор среднеформатных цифровых камер, где не требуется особенное быстродействие и нет необходимости задирать чувствительность выше крыши - потому CCD там, что называется, на своем месте. Учитывая, что рынок среднеформатной цифровой техники сравнительно молод, говорить о победе той или иной технологии (в глобальном смысле) пока рано.

Что ж, несмотря на расхожее мнение скептиков, что в цифровой фотографии давно не происходит ничего технологически революционного, определенные успехи инженеров вполне заметны. Можно сказать, технология достигла расцвета: с одной стороны, даже бюджетные зеркальные камеры обеспечивают очень хорошее качество картинки и мало в чем ограничивают творческий замысел фотолюбителя. Если взглянуть на сегмент advancedмоделей, - там, по зрелом размышлении, вообще минимум технологических ограничений: даже 1600 ISO в подавляющем большинстве сюжетов полностью рабочее, а при правильном подходе и 3200 ISO может служить неплохим творческим инструментом - например, как средство имитации черно-белой высокочувствительной пленки. О профессиональном сегменте и говорить нечего - узкая пленка здесь давно ушла на задворки истории, и лишь средний формат еще остается конкурентоспособным - в основном из-за дороговизны крупных сенсоров [Оборудования, способного "отпечатать" за один раз матрицу столь большой площади, пока не существует. Сенсор приходится "клеить" из нескольких кусков, что, разумеется, сильно удорожает процесс]. Свежая "полнокадровая" модель D3 от Nikon, недавно вышедшая на рынок, удивляет даже опытных фотографов: чистая картинка вплоть до 1000 ISO, абсолютно рабочие 1600 и 3200 (!) ISO, и даже на 6400 ISO вполне можно снимать, когда условия не позволяют установить более низкую чувствительность. В режиме hi2 крайнее значение чувствительности - вдумайтесь! - 25600 ISO, и хотя это "на самый крайний случай", сама цифра уже говорит о многом. По крайней мере, о том, что есть куда двигаться, и то, что мы имеем сегодня, - не предел.