Анатомия цифрового фотоаппарата

В этой статье мы попытаемся разобраться, как работают компоненты цифровой камеры, и что нам даст будущее с точки зрения новых технологий и дизайнов. Но сначала давайте вкратце взглянем на поток данных в цифровой фотографии для лучшего понимания современного состояния технологий.

Основы цифровой фотографии
В цифровых фотоаппаратах процесс получения изображения намного сложнее, чем в пленочных. Но, как и в пленочной технологии, принципы и основы будут неизменны в ближайшие годы, независимо от масштаба роста технологий.
В цифровых фотоаппаратах также используется линза, но вместо фокусирования изображения на пленку, свет попадает на светочувствительные ячейки полупроводникового чипа, называемого сенсором. Дальше вычислительный блок фотоаппарата анализирует полученную информацию и определяет необходимые значения выдержки и фокуса, цвет (баланс белого), необходимость вспышки и т.д. Потом сенсор захватывает изображение и передает его на чип АЦП (аналого-цифровой преобразователь), который анализирует аналоговые электрические импульсы и преобразует их в цифровой вид.

20080701_minolta_transparent.jpg

Используя дополнительную вычислительную мощность (цифровые фотоаппараты могут содержать несколько процессоров и других чипов), данные проходят дальнейшую обработку с помощью специальных алгоритмов и преобразуются в файл изображения, который уже можно просмотреть. Файл записывается на встроенный или внешний электронный носитель и далее с ним можно делать то же, что и с цифровой картинкой, полученной любым другим способом.
Показанный процесс описывает лишь основы получения цифрового изображения. Его детали по-разному реализованы в различных цифровых фотоаппаратах. Давайте более подробно пройдемся по каждому шагу этого процесса в типичной цифровой камере.

Сенсор
До сих пор почти все камеры на рынке оценивались по количеству пикселей, которые может снять цифровой фотоаппарат (чем их больше, тем более детализированной будет фотография). Количество пикселей зависит от физического размера и концентрации элементов на сенсоре, в качестве которого выступает ПЗС или КМОП чип, состоящий из множества светочувствительных элементов. Элементы на чипе упорядочены и образуют матрицу (см. фото на следующем развороте). Таким образом элементы матрицы можно сопоставить с пикселями. Элементы реагируют на свет и создают электрический заряд, величина которого пропорциональна количеству попавшего света.

20080701_olympus_digital_image_capture.jpg

Количество пикселей сенсора можно измерять по числу строк и столбцов AxB (например, 640×480), а можно — по общему числу элементов (например, 1000000 пикселей или 1 мегапиксель). Некоторые производители иногда дают в технической спецификации две пиксельные характеристики сенсора. Первая из них показывает общее число пикселей (например, 2,11 MP), а вторая — число активных пикселей, которые используются для получения изображения. Правда, разница между этими числами обычно не превышает 5%.
Существует несколько причин такого расхождения. Во-первых, при производстве сенсора создаются “темные”, дефектные пиксели (создание полностью исправного сенсора практически невозможно при существующих технологиях). Во-вторых, некоторые пиксели используются для других целей, например, для калибровки сигналов сенсора. Кроме того, свет не попадает на часть пикселей, расположенных по краям. Эти пиксели помогают определить фоновый шум, который затем будет вычитаться из данных остальных пикселей.
Сейчас все цифровые камеры любительского уровня используют один КМОП или ПЗС сенсор. Некоторые high-end профессиональные аппараты (равно как и многие портативные видеокамеры) используют несколько сенсоров. В них входящий свет разделяется призмой на ряд пучков, каждый из которых попадает на свою матрицу. Такая технология позволяет предотвратить наложение цветов, однако подобные камеры требуют более аккуратного процесса изготовления, а по причине наличия призмы они более массивны и менее выносливы. К тому же цена такой камеры существенно выше.
Что интересно, использование нескольких сенсоров не приводит к линейному росту количества пикселей. В большинстве фотоаппаратов (равно как и в многосенсорных видеокамерах) используется три отдельных КПОМ/ПЗС сенсора для красного, зеленого и синего цвета. Каждый из них получает 1/3 цветовой информации. Таким образом, при использовании трех 3-мегапиксельных сенсоров они будут работать как один 3-мегапиксельный. Однако зачастую в цифровых фотоаппаратах механизм использования информации, полученной от сенсоров, отличается — все зависит от модели и от производителя.
Во многих цифровых камерах только часть пикселя реагирует на свет, поэтому важно направить как можно больше света на нужную область (это явление называется коэффициентом заполнения). Для этого на сенсорах большинства фотоаппаратов любительского уровня используются микролинзы, располагающиеся непосредственно над каждым пикселем и направляющие фотоны напрямую на светочувствительную область (well).
Так как сенсоры по своей сути есть черно-белые устройства, не различающие цвет, в цифровых фотоаппаратах чаще всего используется массив цветных светофильтров (color filter array, CFA), располагающихся между микролинзой и светочувствительной областью пикселя, с помощью которых каждому пикселю присваивается свой цвет. Производители цифровых камер используют различные архитектуры светофильтров, как правило, задействующие комбинацию основных цветов (красного, зеленого и синего) или дополнительных цветов (голубой, пурпурный и желтый). Но в любом случае принцип работы фильтра заключается в пропуске только нужного цвета (с определенной длиной волны).
Чаще всего массив цветных светофильтров использует технологию Bayer Pattern, при которой красные, зеленые и синие фильтры располагаются в шахматном порядке, причем число зеленых фильтров в два раза больше чем красных или синих. Это связано с тем, что человеческий глаз более чувствителен к свету с длиной волны в зеленом диапазоне, чем в синем или красном. Соответственно, удвоение числа зеленых пикселей должно обеспечивать лучшее восприятие яркости и более естественные цвета для человеческого глаза.

Затвор
Все цифровые камеры оснащены электронным эквивалентом затвора (он отличается от традиционного механического затвора в пленочных фотоаппаратах), который встроен в сенсор. Он нужен для точной регулировки времени приема света сенсором. Электронный затвор — это переключатель, который включает (или выключает) сенсор для приема приходящего светового потока. Некоторые цифровые камеры также используют и более дорогой механический затвор, но отнюдь не для избыточности, а для предотвращения попадания на сенсор света после окончания времени выдержки. Таким образом, предотвращаются артефакты типа появления ореола, затуманивания и смазывания.
Когда вы нажимаете клавишу затвора наполовину, то в цифровом фотоаппарате фиксируются фокус и время выдержки в ожидании последующей съемки. Точно также все происходит и на обычной пленочной камере типа “навел и снял” при нажатии клавиши затвора наполовину. Однако дальнейшие события в цифровом фотоаппарате принципиально отличаются от пленочного. При полном нажатии клавиши затвора в цифровой камере почти одновременно происходят следующие действия.

20080701_kodak_colorvga_image_sensor.jpg

1. Если фотоаппарат оснащен механическим затвором, то он закрывается. Далее сенсор немедленно освобождается от любых электрических зарядов. Это связано с постоянной активностью сенсора, что приводит к накоплению электрических зарядов в различных точках. Если камера не получает никаких инструкций, то сенсор будет непрерывно освобождаться от заряда примерно каждую 1/60 долю секунды. Таким образом, перед съемкой изображения весь электрический заряд должен быть сброшен.
2. Удаленный заряд используется одним из процессоров камеры для регулировки и выбора параметров будущей фотографии. Например, один из процессоров камеры, занимающийся регуляцией баланса белого (цветокоррекцией), может использовать полученные значения для определения, какие пиксели текущего изображения должны быть белыми. Он может попытаться отрегулировать все цвета для устранения смещения от “точки белого”. Точно также на базе полученных данных выбирается фокус, необходимость вспышки и другие обязательные параметры (еще перед фактической съемкой изображения). Эти параметры сохраняются в буфере и могут быть использованы далее на фазе обработки изображения.
3. Как только электрические заряды будут сброшены с сенсора и необходимые параметры съемки будут выбраны, сенсор готов к принятию требуемого изображения. Далее камера открывает механический и активизирует электронный затвор. Оба из них остаются открытыми на время выдержки. По окончании времени выдержки механический затвор закрывается.
4. Пока камера занимает обработкой, затвор вновь открывается. Он будет закрыт только при последующем нажатии на клавишу. Если процессор (или фотограф) решит использовать электронную вспышку, то она будет освещать сцену до тех пор, пока отдельный световой сенсор не решит, что сцена достаточно освещена для данного времени выдержки и не выключит лампу.
Так как для сброса заряда сенсора требуется некоторое время (равно как и для чтения информации и установки параметров), всегда существует некоторая неизбежная задержка между полным нажатием на клавишу затвора и временем съемки изображения. На рядовой любительской цифровой камере эта задержка начинается от 60 миллисекунд до 1 секунды. Использование больших буферов памяти и скоростных процессоров может уменьшить задержку, по этой причине дорогие фотоаппараты снимают быстрее своих дешевых собратьев. Кроме того, ряд сенсоров (особенно КМОП) являются многофункциональными чипами с некоторым встроенным интеллектом, что помогает им уменьшать время, затрачиваемое на передачу и на обработку полученной информации.
Когда сенсор преобразует попавшие на него фотоны в электроны, то он работает с аналоговыми данными. Следующим шагом является снятие сохраненных электрических сигналов из пикселей и дальнейшее их преобразование в электрический ток посредством встроенного выходного усилителя. Ток посылается на внешний или встроенный аналого-цифровой преобразователь (АЦП).
Одним из главных отличий между КМОП и ПЗС сенсорами является то, что в КМОП сенсоре АЦП интегрирован, а при использовании ПЗС сенсора он находится на внешнем чипе. Но по этой же причине КМОП сенсор более зашумлен.
Цифровые данные подвергаются дальнейшей обработке и организуются в соответствии с битовой глубиной цвета для красного, зеленого и синего каналов, что выражается в интенсивности данного цвета для выбранного пикселя.
До прошлой осени почти все любительские цифровые фотоаппараты работали с 24-битным цветом (используя 8-битные АЦП). Сейчас уже появились некоторые модели, которые могут работать 30- или 36-битным цветом (используя 10- или 12-битные АЦП). К сожалению, большинство существующих графических форматов и программ не поддерживают цвет с глубиной больше 24 бит. Поэтому программное обеспечение для работы с такой камерой должно сначала преобразовать файл в TIFF, который уже можно будет загрузить в Photoshop. И еще одна неприятная вещь: с такими файлами не будет работать большинство устройств вывода.
Возникает закономерный вопрос: зачем нам нужно снимать с такой глубиной цвета, если нам будет очень трудно обрабатывать такие изображения? Все дело в том, что чем больше битовая глубина цвета, тем больше деталей и градаций оттенков мы получим (особенно это касается затененных и ярко освещенных объектов). В этом случае камера, переводя изображение в 24-битный формат, «вытягивает» самые критичные участки. И если в камере используется хороший алгоритм, то в результате получится лучшее изображение (по диапазону полутонов и по детализации в ярко освещенных областях и тенях), чем если бы камера изначально получала 24-битное изображение и потом его записывала. Большая глубина цвета (производная от глубины получаемого на сенсоре цвета и АЦП) является одной из характеристик, отличающих профессиональные цифровые камеры от любительских и полупрофессиональных (в дополнение к лучшей оптике и большим возможностям профессиональных устройств). По этой же причине, даже если цифровые фотоаппараты < $1000 оснащаются сенсором с большим разрешением, чем камера за $10000, это отнюдь не означает, что менее дорогой фотоаппарат будет получать такие же качественные снимки.
АЦП передает поток цифровых данных на чип цифрового процессора сигналов (DSP). В чипе DSP данные преобразуются в изображение на основе определенных инструкций. Эти инструкции включают в себя определение координат, полученных от сенсора точек и присвоение им цвета по черно-белой и цветной шкале.
Кроме описанного процесса, DSP отвечает за разрешение изображения. Хотя большинство цифровых фотоаппаратов можно настроить на различные разрешения, внутри себя они будут получать и обрабатывать данные исходя от разрешения сенсора. Например, при VGA съемке на 3-мегапиксельной цифровой камере, она будет выполнять съемку в разрешении 2048x1548, а не в 640x480. Далее уже DSP интерполирует изображение в выбранное фотографом разрешение.
Однако некоторые сенсоры (как правило, КМОП) могут вместо интерполирования выборочно отсеивать пиксели, таким образом выбирая меньшее или большее разрешение прямо во время съемки. Такая возможность КМОП сенсоров связана с структурой, подобной ОЗУ, благодаря чему сенсор может выбрать требуемые данные через быстрый доступ по строке/столбцу. В отличие от КМОП сенсора, ПЗС сенсор является устройством последовательного вывода данных, он должен непременно передать все данные, а уже потом процессор камеры сам будет осуществлять интерполяцию.
Кстати, алгоритм преобразования изображения в требуемое разрешение обычно зависит от конкретной модели фотоаппарата и держится производителями в секрете. Таким образом, изображение, созданное любой камерой, является уникальным. Оно реализует свой баланс цветов и свою насыщенность (которые производитель счел наилучшими). Некоторые производители предпочитают добавлять теплые (розоватые) цвета, другие, наоборот, — холодные (голубоватые). Третьи выбирают нейтральную, реалистичную, насыщенность для более аккуратной передачи цветов.
Более того, благодаря использованию одного или нескольких DSP вкупе с остальной логикой, камера комбинирует настройки фотографирования с анализом типа изображения. При этом также учитываются ручные настройки фотографа. Если камера производит ненужный шум или ее электронный затвор приводит к появлению затуманивания, то будет использован специальный алгоритм для выполнения необходимых исправлений.
Подобным же образом регулируется резкость/мягкость изображения, используется заранее заданный баланс белого и т. д. Именно на этом этапе обработки изображения и существуют значительные отличия между цифровыми фотоаппаратами от разных производителей.
Как только изображение пройдет через DSP, процессор камеры будет преобразовывать поток данных в файл изображения формата JPEG, TIFF или RAW. Обычно к этому файлу прикрепляются и метаданные фотографии (значение диафрагмы, скорость затвора, баланс белого, коррекция экспозиции, включение вспышки, время/дата и т.д.) Если файл записывается не в форматы RAW или TIFF, то он сжимается в соответствии с выбранным коэффициентом сжатия и логикой камеры. Алгоритмы сжатия в фотоаппарате стараются соблюсти баланс между размером файла, скоростью обработки и качеством изображения. После этого изображение записывается либо на встроенную память, либо на съемную карту или другое устройство.

Память
Преимущество использования съемной памяти заключается в возможности смены карты при ее заполнении. Таким образом, вы можете продолжать фотографировать, вместо того чтобы бежать к компьютеру, скачивать на него фотографии и очищать память камеры. Кроме того, съемная память дает пользователю возможность гибкой модернизации на карты большей емкости. Чаще всего используются карты CompactFlash (CF) и SmartMedia (SM). Тип используемой карты определяется маркой производителя и моделью фотоаппарата. Впрочем, различия между картами CompactFlash и SmartMedia сейчас довольно размыты, тем более что некоторые модели Olympus и Canon могут использовать оба типа карт.
Карты SmartMedia тоньше и меньше, стоимость их производства также ниже. Но они изготавливаются из тонкого пластика, а их позолоченные контакты выведены наружу, поэтому их можно легко повредить, к примеру, статическим электричеством.
Карты CompactFlash толще и прочнее. Кроме того, в них встроена некоторая логика, ускоряющая процесс чтения/записи. Емкость у карт CF также выше — сейчас выпущены уже 512-мегабайтные модели от SanDisk, в то время как максимальный размер SM не превышает 128 Мб. Относительно новый тип CF, называемый Type II, может вмещать в себя еще больший объем информации, а также работать с винчестером IBM Microdrive объемом до 1 Гб. Минусом CF остается их ощутимо большая толщина по сравнению с SM, что приводит к увеличению отводимого под карту места в дизайне фотоаппарата.
Из других видов носителей можно упомянуть Sony Memory Stick, MultiMedia (MM) и Secure Digital (SD), а также различные виды магнитных и магнитооптических дисков.

Видоискатель
Параллельно с записью изображения на носитель, оно может быть также показано и на ЖК видоискателе (или на электронном прямом видоискателе). В большинстве ЖК видоискателей используются 1,8'' или 2'' TFT панели, вмещающие от 65 000 до 220 000 пикселей. Частота их регенерации — от 1/8 до 1/30 секунды. ЖК панель разработана для оптимального просмотра с расстояния от 20 до 50 см.
Рекомендуется всегда использовать прямой видоискатель при съемке изображений, а ЖК видоискатель — главным образом для установки различных параметров и последующем просмотре снятого изображения. Даже при использовании ЖК видоискателей с высоким разрешением, цифровые камеры все равно вынуждены уменьшать изображение, так что вы никогда не увидите на нем изображения 1:1. По этой причине ЖК видоискатель сложно использовать для фокусировки или установки кадра. Но что еще хуже, ЖК экран при частом использовании просто пожирает батарейки. Еще одним важным недостатком выступает то, что во многих дизайнах фотоаппаратов ЖК дисплей находится вблизи сенсора, а это может привести к нежелательному шуму или к появлению визуальных артефактов.
В большинстве цифровых фотоаппаратов используется один из трех типов традиционного прямого видоискателя: просто стеклянный глазок, светоделитель или шарнирное зеркало. При использовании светоделителя 90% света проходит через наклоненное под углом зеркало на сенсор, а 10% отражается под углом 90° и через пентапризму попадает в глаз фотографа. Преимущество такой системы заключается в неподвижности зеркала (уменьшении вибрации) и отсутствии движущихся частей. Таким образом, светоделитель является более надежной системой. Главным его недостатком является низкая эффективность при съемке в помещениях и в темноте: слишком мало света попадает в глаз фотографа, подчас такого света бывает недостаточно для выбора нужной композиции и фокуса.
В большинстве профессиональных цифровых фотоаппаратов используется шарнирное зеркало, которое во время наводки отражает до 100% поступающего в объектив света в глаз фотографа. Когда фотограф нажмет клавишу затвора, зеркало сойдет с пути светового потока, на время зачерняя видоискатель, но, в то же время, не препятствуя попаданию всего света на сенсор. После съемки зеркало возвращается обратно, и фотограф может продолжать составлять композицию для следующего кадра. При маленьких выдержках фотограф буквально даже не успеет моргнуть во время зачернения видоискателя — настолько быстро движется зеркало. Однако такая система механически более сложна, а, следовательно, менее вынослива. Однако она обеспечивает лучшее качество картинки в видоискателе, чем при использовании светоделителя.
Намного более дешевым и менее сложным прямым видоискателем является стеклянный глазок. Эта система используется в большинстве любительских цифровых фотоаппаратов. Глазок выполнен из прозрачного стекла, и вместо демонстрации изображения, на которое нацелен объектив, в него видно изображение, смещенное вверх или в сторону от объектива. Преимущество такого глазка заключается в отсутствии энергопотребления и движущихся частей. К тому же, изображение в глазке более ярко по сравнению с системами TTL. Главным минусом такого видоискателя является его неаккуратность (как правило, глазок показывает меньше, чем будет снято на самом деле, так что вам придется обрезать ненужное изображение по краям кадра). Кроме того, использование глазка приводит к появлению параллакса. Параллакс связан с тем, что глазок находится на расстоянии нескольких сантиметров от объектива, и вы видите сцену немного под другим углом (в сравнении с объективом). Сей факт не важен при фотографировании удаленных сцен, но отличие будет все более заметно при приближении к объекту. При макросъемке (30 см или ближе), глазок становится бесполезным в связи с большим параллаксом.
Электронный прямой видоискатель — новейшая технология, призванная заменить оптический видоискатель крошечным монитором с высоким разрешением и низким энергопотреблением. Кроме прямого и детального изображения объекта, по которому можно четко определить фокус, в большинстве электронных видоискателей отображается дополнительная важная информация о настройках: фокусное расстояние, выдержка, состояние вспышки и т.д. Главный недостаток такой технологии заключается в том, что она слишком нова и несовершенна в цифровых фотоаппаратах (в отличие от цифровых видеокамер), поэтому электронный глазок не всегда такой яркий и четкий, как традиционный оптический видоискатель.

питание
Вся показанная выше обработка изображения требует большого количества электроэнергии. Пару лет назад при работе с цифровыми фотоаппаратами приходилось запасаться большим количеством щелочных AA батареек: цифровые камеры потребляли очень много энергии, и батарейки приходилось менять даже после нескольких снимков. В современном поколении цифровых фотоаппаратов улучшилась эффективность использования электроэнергии и повысилась их экономичность. Многие цифровые камеры были переведены с щелочных элементов на более совершенные технологии типа перезаряжаемых никель-гидридных или литий-ионных батарей. Некоторые производители, к примеру, Sony, разработали для своих цифровых фотоаппаратов “умные” батареи, которые могут в нужный момент информировать пользователя о количестве оставшейся энергии.

Качество цифрового фотоаппарата — это больше, чем пиксели
Важно понимать, что фотография в цифровой камере — это результат сложного взаимодействия многих частей. Ни один компонент сам по себе не может получить качественное изображение, и в то же время любой затор может полностью прервать процесс съемки или негативно сказаться на качестве картинки.
В первых цифровых фотоаппаратах самым значимым ограничивающим фактором являлось низкое качество и крошечный размер (примерно с горошину) сенсоров. Производители камер пришли к выводу, что в таких устройствах вряд ли имеет смысл использовать высококачественные линзы, так как сенсоры слишком слабы для получения хорошего изображения. Поэтому первые любительские цифровые фотоаппараты использовали дешевые пластиковые линзы с относительно низким оптическим качеством. С другой стороны, современные камеры с 3-мегапиксельными сенсорами, наконец, достигли качественного уровня пленочных камер, поэтому сейчас требуется подровнять по качеству и остальные механизмы. В настоящее время достаточно много внимания разработчиков приковано к линзам. Продолжается их совершенствование по направлениям увеличения количества пропускаемого света, улучшения цветопередачи, углового разрешения и фокусировки, дабы не пропал ни единый пиксель на сенсоре. Точно так же на остальные компоненты цифрового фотоаппарата возлагается задача получения изображений лучшего качества, скорости и эффективности, дабы не отставать от быстрого развития сенсоров.

Перспективы
В недалеком будущем мы, безусловно, будем наблюдать значительные улучшения технологии цифровых фотоаппаратов. Будут продолжать совершенствоваться сенсоры, их плотность будет увеличиваться (первые 5-мегапиксельные любительские камеры поступили в продажу уже этим летом). На таких сенсорах пиксели будут плотнееупакованы (и более мельче), а форм-фактор сенсоров увеличится.
По мере роста плотности сенсоров все остальные детали, скорее всего, будет уменьшаться в размерах, так что сами камеры начнут становиться все более и более миниатюрными. В настоящее время самые маленькие камеры основаны на компромиссном технологическом выборе между функциональностью и размером. Но чипы выполняют все больше функций, технологии совершенствуются, так что вскоре даже самые маленькие фотоаппараты будут предоставлять полный комплекс услуг.
Большие полупрофессиональные фотоаппараты будут падать в цене и постепенно завоевывать любительский рынок. Самые дешевые камеры с небольшим разрешением будут властвовать на нижнем сегменте этого рынка. Несмотря на относительно низкое разрешение, качество картинки будет повышаться и достигнет своих собратьев с высоким разрешением.
Каждое новое поколение цифровых фотоаппаратов по своему интеллекту будет превосходить предыдущее. Вскоре фотоаппараты перейдут грань поистине многофунк­циональных устройств, успешно соединяя в себе цифровые видеокамеры, диктофоны, веб-камеры, PDA и сотовые телефоны. Поэтому вскоре мы должны увидеть поистине гениальные решения в области разработки фотоаппаратов и обработки изображений, которые смогут обойти создаваемый шум и другие проблемы, связанные с накоплением такого количества различной электроники в столь маленькой коробочке. Ну и, конечно, цены продолжат свое падение, равно как будет повышаться производительность и качество. Сейчас начинается очень интересное время для цифровых фотографов… а это значит, и для всех нас.
Оригинал: http://www.megabyte-web.ru/goto/ChZEQVwWHxYVFkhQHk0QVFlVEVRWXxZbV18fE0NeW0c9A0JFD1pcBE1RSgZSC1odVRVXBAZzCQgJAxxTARlUQBI=/


Рекомендуем почитать: