Цифровое фото

Цифровой фотоаппарат состоит из (10 минут):

1. Матрица

2. Объектив

3. Процессор, управляющая плата

4. Дисплей/видоискатель

5. Память (встроенная/внешняя)

6. Элементы питания

Именно эти моменты и будем рассматривать по порядку.

Матрица. Разрешение матрицы (15 минут)

Определяется числом светочувствительных элементов – пикселей. Например: 1600 на 1200 пикселей – это 1.920.000 пикселя, или 1,92 Мп, или округлённо – 2 Мп.

Разрешение матрицы иногда можно определить по первой цифре названия модели. Современные цифровые фотоаппараты, которые продаются в «Связном», имеют разрешения от 6Мп и больше.

В фотоаппарате, кроме максимального разрешения можно выбрать меньше. Чем меньше выбрано разрешение, тем меньше он будет занимать место в памяти фотоаппарата и в памяти сохранится большее число снимков.

От разрешения матрицы зависит будущий максимальный размер снимка при распечатке на бумаге: размер снимка тем больше, чем больше разрешение матрицы.

Разрешающая способность человеческого глаза такова, что с расстояния 20-25 см (а именно с такого расстояния обычно рассматриваются фотографии в альбомах) он не различает детали размером менее 0,01см. Дальше – проще: умножаем разрешение кадра на 0,01см и получаем размер фотографии, которую можно напечатать без потери качества.

Существует ещё один важный критерий качества, за который отвечает принтер при распечатке фотографии: число точек на квадратный дюйм для нанесения изображения, который измеряется в dpi. Дюйм – это 2,54 см, соответственно, квадратный дюйм – это квадрат 2,54 на 2,54.

Чем больше dpi, тем выше качество:

300 dpi – это 300 точек в ширину и в высоту на квадратный дюйм, всего 90.000. Если используется такое dpi – качество фотографии считается полиграфическим и превосходит качество стандартных фотографий.

Количество эффективных пикселей матрицы (Класс)	Размер снимка в пикселях	Формат отпечатка при разрешении фотопечати 300 dpi (118 точек/см)	Ближайший "стандартный" размер фотобумаги, см
4 МП	2272 х 1704	19,3 х 14,4	20 х 15 (А5)
5 МП	2560 х 1920	21,7 х 16,3	20 х 15 (А5)
6 МП	2816 x 2112	23,9 х 17,9	24 х 18
7 МП	3072 x 2304	26,0 х 19,5	24 х 18
8 МП	3264 x 2448	27,7 х 20,7	29,7 х 21 (А4)
10 МП	3648 x 2736	30,9 х 23,2	29,7 х 21 (А4)

Матрица. Физический размер (15 минут)

Под характеристикой физический размер подразумевается именно тот размер, который можно измерить.

Размер матрицы указывается чаще всего по диагонали (как размер экрана телевизора) в дюймах. Используется не стандартный дюйм (1”=25,4мм), для измерения размеров матрицы используется другая величина 1”=16,9мм. Пример: 1/2”=8,45мм. Размер по диагонали – размер по ширине/высоте в мм (пропорция 4х3): 4/3"=22,5мм - 18,00x13,50мм; 1"=17мм - 12,80х9,60мм; 2/3"=11мм - 8,80х6,60мм; 1/1,8"=8,95мм - 7,18х5,35мм; 1/2,5"=6,76мм – 5,41х4,05мм; 1/2,7"=6,26мм - 5,01x3,76мм; 1/3,2"=5,28мм - 4,22x3,17мм. Для 1/2,5” и 1/3,2” используется вторая пропорция 3х2: 5,62х3,75 и 4,39х2,93мм.

Чем больше размер матрицы, при одинаковом разрешении, тем больше размер отдельного светочувствительного элемента (пикселя). Чем больше размер отдельного элемента, тем больше он захватывает света – вырабатывает более мощный электрический заряд и в итоге, лучше подавляет «шумы». Общий итог: меньше шумов и более чёткое изображение.

APS-C – матрицы зеркальных фотоаппаратов, большой размер которых (отдельных пикселей, в том числе) обеспечивает высокое качество снимков. Размеры варьируются от 20,7х13,8 и до 25,1х16,7мм и соответствуют значениям (пропорция 3х2).

Full Frame или APS – матрица по размерам равна плёночному кадру: 36х24мм, с диагональю 43 мм. Используется в профессиональных зеркальных фотоаппаратах.

Существует APS-H — «Высокого Разрешения», или High Definition. Размер 30,2 x 16.7мм; пропорции 16:9.

Кроп фактор (Kf) – отношение диагонали 35-мм пленки к диагонали матрицы. Большинство сенсоров выпускаемых цифровых камер имеют размер, меньший, чем у обычного кадра 24×36 мм. При использовании объектива, расчитанного на 35 мм кадр, на сенсор проецируется только центральная часть изображения, а оставшаяся часть «обрезается» краем матрицы.

Чтобы примерно рассчитать Кроп-фактор, нужно диагональ пленки поделить на диагональ матрицы.

Основы цветопередачи (20 минут)

Для начала стоит отметить, что пиксель матрицы – монохромный, т.е. может фиксировать только один цвет. Но, несмотря на это, даже ранние цифровые камеры регистрировали цветное изображение. Достигалось это посредством тройного экспонирования, при этом перед объективом располагалось так называемое цветовое колесо, представлявшее собой диск с тремя разноцветными - красной, синей и зелёной – именно благодаря смешению этих трех цветов можно получить всю цветовую палитру - стеклянными вставками. Поворот колеса производился сервоприводом после каждого экспонирования, затем три полученных снимка «складывались» в полноцветное изображение.

Вышеописанная техника, разумеется, совершенно не годилась для фотографирования движущихся объектов. В свою очередь, используемое оборудование представляло собой средне- и крупноформатную фототехнику и применялась только при студийной съёмке. Для репортажной съёмки требовалось другое решение.

Для регистрации цветного изображения за одно экспонирование была предложена схема с дихроичной призмой, расщепляющей световой поток на красную, синюю и зелёную составляющие. Каждая из этих составляющих регистрировалась своей ПЗС-матрицей, а при их комбинировании получалось полноцветное изображение. Данный вариант отлично подошёл для видеокамер, однако для регистрации статического изображения он не годился. Во-первых, при использовании дихроичной призмы падала яркость светового потока, что требовало удлинения выдержки либо раскрытия диафрагмы. Во-вторых, три матрицы высокого разрешения заметно повышали стоимость фотоаппарата. В-третьих, шумы всех трёх матриц складывались воедино, значительно ухудшая качество снимка.

В конечном итоге наибольшую популярность получили методы с интерполяцией цвета. Самой известной является аддитивная схема, разработанная в 1976 году доктором Брайсом Байером, сотрудником концерна Kodak.

RGGB – красный, дважды зелёный, синий

фильтр Байера

В Байеровской схеме каждый пиксель матрицы закрыт светофильтром одного из цветов RGB-синтеза, образуя подобие шахматной доски, в которой вместо белых клеток – зелёные, а вместо чёрных – поровну красные и синие. Избыток зелёных элементов обусловлен тем, что человеческое зрение наиболее чувствительно к зелёным оттенкам, кроме того, спектральная чувствительность ПЗС-матриц выше всего как раз в зелёном диапазоне спектра. Данная схема мозаичного светофильтра имеет обозначение R–G–B–G.

При съёмке получается изображение, состоящее из 50% зелёной составляющей исходного кадра, а также из 25% синей и из 25% красной составляющих. Снимок представляет собой разноцветную мозаику. И уже из этой мозаики создаётся полноцветное изображение, для чего производится интерполяция цвета примерно по следующей схеме: имеется синий пиксель, окружённый четырьмя зелёными и четырьмя красными. Берётся среднее значение между верхним и нижним зелёными пикселями, затем среднее между левым и правым. Далее из этих двух средних значений вычисляется третье и присваивается нашему синему пикселю в качестве зелёной составляющей. Подобная процедура повторяется с красными пикселями, после чего получается полноцветный пиксель.

ISO, Светочувствительность (15 минут)

Измеряется в единицах от ISO (International Organization for Standardization). В этих единицах обозначается чувствительность матрицы (по аналогии с плёнкой) к свету. Вспомним плёнку: бывает 100, 200, 300, 400 и т.д. Чем больше цифра, тем меньше требуется света для фиксации изображения на матрице.

Оптимальным диапазоном чувствительности матриц цифровых фотоаппаратов является 50 – 400 ISO. В зеркальных фотоаппаратах максимальная – не ниже 1600 (и до 3200).

Чем больше диапазон светочувствительности – тем больше вариантов для съёмки в разных условиях освещения.

Большая светочувствительность необходима при недостатке света или для быстрой фиксации снимка – например, движущегося объекта. Недостаток – высока вероятность появления «шумов» и уменьшается передача цветовых оттенков.

Малая светочувствительность необходима при ярком освещении (солнечный день) и обеспечивает лучшую цветопередачу. Вероятность появления «шумов» минимальна.

Необходимую светочувствительность все цифровые фотоаппараты могут устанавливать автоматически и в большинстве фотоаппаратов её можно устанавливать вручную.

Тип матрицы (25 минут)

По принципу считывания накопленного заряда различают следующие типы матриц – CCD и CMOS.

· CCD или ПЗС - используют всю поверхность пикселя. Используется в большинстве любительских цифровых фотоаппаратов. Принцип работы таков: считывание информации происходит поочередно с каждого пикселя на процессор обработки, на что требуется определенное время и значительных энергозатрат.

· CMOS или КМОП - встречается реже, в основном, в зеркальных фотоаппаратах, большого размера (4/3” и «APS-С») и с высокой светочувствительностью.

Принцип работы: обработка информации и усиление сигнала производится в каждом пикселе за счет установленного в нем микропроцессора и последующей одновременной передачей на основной процессор.

Такая система дает нам низкое энергопотребление и значительно высокую скорость считывания информации с матрицы, позволяя добиться очень высокой скорости съемки – до 500 к/с, что очень актуально для видеокамер. Главным же недостатком такой схемы является то, что микропроцессор пикселя занимает значительную часть его светочувствительной области – до 70%, в связи, с чем при сравнимых размерах с CCD падает чувствительность матрицы, соответственно возрастает количество шумов. Также стоит отметить и ситуацию с ценой вопроса – производство CMOS матриц значительно дешевле, что становиться актуальным на больших размерах матриц.

Но все же на данный момент судить о возможности матриц по её типу (CCD или CMOS) не возможно. Есть много других важных характеристик и очень важный – производитель матрицы.

Причем производители нередко модернизируют матрицы, например CCD:

- FujiFilm разработала Super ССD SR – это развитие стандартных CCD для увеличения светочувствительности и динамического диапазона. Каждый пиксель матрицы состоял из двух фотоэлементов, один из элементов был меньшего размера и отличался низкой чувствительностью, благодаря чему «переполнение» его потенциальной ямы практически не происходило. Рядом располагался элемент большей площади, его чувствительность была значительно выше, равно как и риск «переполнения» его ямы. После того как информация с сенсора считывалась и обрабатывалась, при этой операции данные «малого» и «большого» фотоэлементов каждого из пикселей складывались. Таким образом, даже при «переполнении» большого фотоэлемента какую-то часть полезной информации можно было снять с малого фотоэлемента. И вместо яркой белой точки, наблюдаемой в матрицах классической конструкции, пиксель мог иметь вполне реальные значения цвета и яркости.

- Sony разработала матрицы Super HAD (Hole Accumulation Diode) CCD – эти матрицы отличаются тем, что у них используется не 3-х цветный фильтр (RGB – Красный, Зелёный, Синий), а 4-х цветный (добавляется Emerald – Изумрудный или Зелёно - Голубой).

Объектив. Основы (15 минут)

Изображение на плёнке (в «традиционном» фотоаппарате) или на матрице (в цифровом) рождается объективом. От его свойств во многом зависит результат. В современной фотоаппаратуре к качеству изображения предъявляются высокие требования.

Сделать собирательную линзу для производителя не составляет особого труда, но здесь выступает ряд негативных факторов, связанный с тем, что изображение, даваемое простой линзой, в силу целого ряда недостатков не удовлетворяет этим требованиям. Изображения, полученные при помощи простых линз, имеют различные недостатки. Устранение большинства недостатков достигается достаточно сложными расчетами и соответствующим подбором ряда линз для взаимной компенсации этих недостатков в центрированную оптическую систему — объектив.

Отсюда и вытекает, что создание одновременно светосильного и дающего минимальные искажения для производителя без ущерба для других характеристик объектива является уже не тривиальной задачей для производителя, особенно усложняясь при создании объективов с переменным фокусным расстоянием, где для каждого шага фокусного расстояния требуется сложные и кропотливые расчеты.

Отклонения от «идеальной» формулы принято называть аберрациями. Их несколько видов. И именно уменьшение этих самых искажений при сохранении других параметров объектива является достаточно сложной задачей для производителей оптики.

Современный объектив на данный момент уже достаточно отработанный прибор.

Дата добавления: 2015-08-20