Содержание
Светочувствительные матрицы используются во многих устройствах. Самое известное из них — фотокамера. Цифровые сенсоры заменили собой пленку, сделав съемку существенно проще и дешевле, открыв для масс возможность делать тысячи снимков, платя лишь раз — при покупке фотоаппарата.
Откуда берется цвет
Матрица фотоаппарата — весьма непростое устройство, хотя на первый взгляд представляет собой просто ряды светочувствительных фотодиодов. Ее основная задача заключается в преобразовании полученных импульсов в электрический ток. Причем сделать это нужно так, чтобы в итоге получилось цветное изображение с высокой детализацией.
Когда фотографы спорят о том, матрица чьего фотоаппарата более точно и глубоко передает цвет, они даже не задумываются, что каждый из пикселей — монохромный. Цвет появляется благодаря хитрым системам. Таким, как мозаичные фильтры. Это самая распространенная технология получения цветного изображения. Матрица накрыта тончайшим фильтром, который делит сенсор на субпиксели. Каждому из них присваивается свой цвет, в дальнейшем таким образом формируется общая картинка. Существует целый ряд подтипов, наиболее известным из которых является фильтр Байера, названный в честь сотрудника компании Kodak, доктора Брайса Э. Байера (Bryce Bayer), создавшего эту технологию в 1976 году. Данный светофильтр делит каждый пиксель на два зеленых, красный и синий субпиксели. Таким образом изображение делится на точки, но метод не лишен недостатков. Главный из них — потеря четкости, так как недостающую информацию приходится интерполировать, то есть вычислять, дорисовывать. Тем не менее сегодня проблема потеряла остроту, поскольку пиксели стали настолько маленькими,что увидеть потерю резкости крайне сложно.
Какие есть типы матриц
Существует два основных типа: ПЗС (прибор с зарядовой связью — Charge-Coupled Device, CCD) и КМОП (комплементарная структура «металл-оксид-полупроводник» — Complementary Metal-Oxide-Semiconductor, CMOS). Вдаваться в технические подробности я не стану — принципиальная разница заключается в методе снятия заряда со светочувствительного элемента сенсора. На тематических форумах можно прочесть не одну сотню страниц, написанных пользователями, которые пытаются доказать, что ПЗС лучше КМОП и наоборот. Если же взглянуть на механизм формирования изображения, становится ясно, что на цветопередачу влияют многие параметры и способ передачи электрического сигнала от пикселя к процессору — далеко не главный. Вы наверняка замечали, что разные модели фотокамер имеют свою фирменную цветопередачу и даже уровень шумов. При этом производителей матриц немного. Безусловным лидером считается компания Sony, чьи матрицы используют также Nikon и Pentax. Взгляните на необработанные JPEG от Pentax K10D, Nikon D80 и Sony А100. Характерные особенности картинки хорошо видны, несмотря на то, что во всех трех стоит один и тот же ПЗС-сенсор разрешением 10 Мп.
Да что там разные производители! Во времена сотрудничества Samsung и Pentax разница в изображении «клонов» была весьма значительной. Изображения, формируемые на 14-Мп матрице корейского производства более грамотно формировались в «родном» Samsung GX-20, нежели в Pentax K20D, поэтому и цветопередача была точнее, и шумы меньшими. Все это доказывает: гораздо важнее правильно обработать сигнал.
Последним доводом в пользу того, что ПЗС «круче» КМОП является то, что средний формат до последнего времени использовал только матрицы первого типа. Но это происходило скорее из-за того, что данный рынок развивается медленнее, ведь спрос на дорогущие и не универсальные среднеформатные камеры не исчисляется миллионами. А несколькими годами ранее КМОП пришел и в высший сегмент — именно эти матрицы установлены в Pentax 645Z, а также в цифровом заднике Phase One IQ250.
Сколько мегапикселей достаточно
Чем больше — тем лучше. В идеале, конечно. Ведь каждый пиксель —это дополнительная информация, которая повышает резкость, а в конечном итоге и детализацию. Но не все так просто.
Прежде всего, хочу разочаровать всех жаждущих заполучить фотокамеру с условными тремя мегапикселями и рабочими ISO 102400. Дело ведь не в том, что производители не хотят считаться с энтузиастами, которым не нужно сверхвысокое разрешение при отсутствии шумов. Такую матрицу сделать даже с современными технологиями непросто.
Но не надо расстраиваться! Прогресс не стоит на месте, и сегодняшние матрицы лучше прежних. Не верите? Хорошо, давайте рассмотрим вопрос во времени. Загляните на тематический форум, и вы найдете не один десяток сообщений, что, мол, новая 24-Мп камера — это уже слишком, вот есть же матрица с 14 Мп — на ней пиксели «жирные», а значит, лучше! Открываешь темы трехпятилетней давности, где говорят: «Эх, наделали целых 14 Мп, куда столько? Лучше бы сделали новую 10-Мп, но с меньшими шумами». Восемь лет назад та же история наблюдалась при переходе от 6 Мп к 10 Мп. К чему это я? К тому, что, несмотря на рост разрешения, раньше камерой с матрицей формфактора APS-C можно было снимать на ISO 200-400, сегодня же я без опаски могу выставить и ISO 1600, а иногда и 3200. При этом следует учитывать, что, если снизить разрешение кадра с 24 до 6 Мп, шумы тоже снизятся, даже без применения дополнительных алгоритмов. Если добавить к этому возможность вырезать фрагменты кадра (если позволяет оптика) в значительно большей степени, нежели при низком разрешении, действительно получается, что чем больше пикселей, тем лучше. Главное, чтобы делали матрицы опытные инженеры.
Светочувствительные матрицы используются во многих устройствах. Самое известное из них — фотокамера. Цифровые сенсоры заменили собой пленку, сделав съемку существенно проще и дешевле, открыв для масс возможность делать тысячи снимков, платя лишь раз — при покупке фотоаппарата.
Откуда берется цвет
Матрица фотоаппарата — весьма непростое устройство, хотя на первый взгляд представляет собой просто ряды светочувствительных фотодиодов. Ее основная задача заключается в преобразовании полученных импульсов в электрический ток. Причем сделать это нужно так, чтобы в итоге получилось цветное изображение с высокой детализацией.
Когда фотографы спорят о том, матрица чьего фотоаппарата более точно и глубоко передает цвет, они даже не задумываются, что каждый из пикселей — монохромный. Цвет появляется благодаря хитрым системам. Таким, как мозаичные фильтры. Это самая распространенная технология получения цветного изображения. Матрица накрыта тончайшим фильтром, который делит сенсор на субпиксели. Каждому из них присваивается свой цвет, в дальнейшем таким образом формируется общая картинка. Существует целый ряд подтипов, наиболее известным из которых является фильтр Байера, названный в честь сотрудника компании Kodak, доктора Брайса Э. Байера (Bryce Bayer), создавшего эту технологию в 1976 году. Данный светофильтр делит каждый пиксель на два зеленых, красный и синий субпиксели. Таким образом изображение делится на точки, но метод не лишен недостатков. Главный из них — потеря четкости, так как недостающую информацию приходится интерполировать, то есть вычислять, дорисовывать. Тем не менее сегодня проблема потеряла остроту, поскольку пиксели стали настолько маленькими,что увидеть потерю резкости крайне сложно.
Какие есть типы матриц
Существует два основных типа: ПЗС (прибор с зарядовой связью — Charge-Coupled Device, CCD) и КМОП (комплементарная структура «металл-оксид-полупроводник» — Complementary Metal-Oxide-Semiconductor, CMOS). Вдаваться в технические подробности я не стану — принципиальная разница заключается в методе снятия заряда со светочувствительного элемента сенсора. На тематических форумах можно прочесть не одну сотню страниц, написанных пользователями, которые пытаются доказать, что ПЗС лучше КМОП и наоборот. Если же взглянуть на механизм формирования изображения, становится ясно, что на цветопередачу влияют многие параметры и способ передачи электрического сигнала от пикселя к процессору — далеко не главный. Вы наверняка замечали, что разные модели фотокамер имеют свою фирменную цветопередачу и даже уровень шумов. При этом производителей матриц немного. Безусловным лидером считается компания Sony, чьи матрицы используют также Nikon и Pentax. Взгляните на необработанные JPEG от Pentax K10D, Nikon D80 и Sony А100. Характерные особенности картинки хорошо видны, несмотря на то, что во всех трех стоит один и тот же ПЗС-сенсор разрешением 10 Мп.
Да что там разные производители! Во времена сотрудничества Samsung и Pentax разница в изображении «клонов» была весьма значительной. Изображения, формируемые на 14-Мп матрице корейского производства более грамотно формировались в «родном» Samsung GX-20, нежели в Pentax K20D, поэтому и цветопередача была точнее, и шумы меньшими. Все это доказывает: гораздо важнее правильно обработать сигнал.
Последним доводом в пользу того, что ПЗС «круче» КМОП является то, что средний формат до последнего времени использовал только матрицы первого типа. Но это происходило скорее из-за того, что данный рынок развивается медленнее, ведь спрос на дорогущие и не универсальные среднеформатные камеры не исчисляется миллионами. А несколькими годами ранее КМОП пришел и в высший сегмент — именно эти матрицы установлены в Pentax 645Z, а также в цифровом заднике Phase One IQ250.
Сколько мегапикселей достаточно
Чем больше — тем лучше. В идеале, конечно. Ведь каждый пиксель —это дополнительная информация, которая повышает резкость, а в конечном итоге и детализацию. Но не все так просто.
Прежде всего, хочу разочаровать всех жаждущих заполучить фотокамеру с условными тремя мегапикселями и рабочими ISO 102400. Дело ведь не в том, что производители не хотят считаться с энтузиастами, которым не нужно сверхвысокое разрешение при отсутствии шумов. Такую матрицу сделать даже с современными технологиями непросто.
Но не надо расстраиваться! Прогресс не стоит на месте, и сегодняшние матрицы лучше прежних. Не верите? Хорошо, давайте рассмотрим вопрос во времени. Загляните на тематический форум, и вы найдете не один десяток сообщений, что, мол, новая 24-Мп камера — это уже слишком, вот есть же матрица с 14 Мп — на ней пиксели «жирные», а значит, лучше! Открываешь темы трехпятилетней давности, где говорят: «Эх, наделали целых 14 Мп, куда столько? Лучше бы сделали новую 10-Мп, но с меньшими шумами». Восемь лет назад та же история наблюдалась при переходе от 6 Мп к 10 Мп. К чему это я? К тому, что, несмотря на рост разрешения, раньше камерой с матрицей формфактора APS-C можно было снимать на ISO 200-400, сегодня же я без опаски могу выставить и ISO 1600, а иногда и 3200. При этом следует учитывать, что, если снизить разрешение кадра с 24 до 6 Мп, шумы тоже снизятся, даже без применения дополнительных алгоритмов. Если добавить к этому возможность вырезать фрагменты кадра (если позволяет оптика) в значительно большей степени, нежели при низком разрешении, действительно получается, что чем больше пикселей, тем лучше. Главное, чтобы делали матрицы опытные инженеры.
В каждом современном фотоаппарате есть матрица. Этот фотосенсор является одним из главных компонентов аппаратуры. Она преобразует полученный свет в набор битов и затем в цифровое изображение. Именно она отвечает за цветопередачу, полноту кадра и четкость.
Что собой представляет матрица? Это микросхема с фотодиодами, которые генерируют лучи света и как бы «рисует» картинку. Цвет на изображении появляется благодаря мозаичным фильтрам.
Типы матриц
По технологии считывания и используемым полупроводникам выделяют два основных вида матрицы:
- Прибор зарядовой связи или ПЗС (CCD);
- Комплиментарный металл-оксид-полупроводник или КМОП-матрица (CMOS).
Матрица фотоаппарата типа ПЗС имеет невысокую стоимость и постепенно уходит в прошлое. В камерах, оснащенных ей, информация об изображении считывается с каждой ячейки последовательно, поэтому время выдержки значительное. По этой причине делать быстро кадры не получится, а если недостаточно освещения, то придется использовать штатив.
КМОП-матрица фотоаппарата появилась на рынке относительно недавно (2008 год), хотя разработка технологии началась еще в 1993 году. Принцип работы основывается на выборке отдельных пикселей и схож с работой карты памяти. Зачастую полноразмерные матрицы изготовляют именно по этой технологии, так как нет потери низа, верха и боковых границ. Она позволяет делать кадры с малой выдержкой. Сам полупроводник светочувствительный и работает тихо.
ВАЖНО! Основная разница между ПЗС и КМОП – последовательность считывания ячеек. CCD технология позволяет использовать в фотоаппарате автофокус и экспонометр. Последний тип матрицы является более дешевым и потребляет меньше энергии в сравнении с ПЗС.
Live-MOS-матрица фотоаппарата является улучшенной версией КМОП. Имеет небольшое количество соединений, светочувствительная, потребляет немного энергии.
Используется, производиться исключительно компанией «Panasonac». За счет того, что размеры матрицы небольшие, фотоаппараты с ней имеют компактные размеры.
Live-MOS имеет недостатки. Из-за того, что на каждый пиксель выделена отдельная электрическая цепь, на изображении часто появляется шум и возникает перегрев.
Super CCD-матрица камеры имеет пиксели с восьми углами, часть из которых зеленого цвета, маленького и большого размера. Остальные пиксели синего и красного цвета совпадают по размеру с малыми пикселями зеленого цвета. За счет разного размера увеличивается фотографическая широта, а коэффициент заполнения пикселями равняется 100%. Из-за сложного принципа считывания сигнала, камеры с этой матрицей потребляют большое количество энергии и дорого обходятся для производителя.
QuantumFilm. Эти типы матриц фотоаппаратов изготовляются на основе кремния и квантовых точек. Именно последние позволяют захватить световые лучи практически на 100%. Отсюда высокая резкость изображения даже при низкой освещенности. Сенсор за счёт наличия квантовых точек имеет компактные размеры.
Стоит отметить, что человеческий глаз не заметит принципиальных различий между разными матрицами. Главное отличие в них – процесс производства.
Тип матрицы фотоаппарата классифицируют в зависимости от светофильтра:
- RGB, встречается чаще всего;
- RGBW, позволяет получить хорошие кадры даже при низкой освещенности;
- С фильтрами Байера RGBE, имеет много зеленых пикселей, благодаря чему цветность кадра максимально приближена к естественным оттенкам.
RGB расшифровывается как красный – зеленый – синий. На базе смешивания этих трех базовых цветов формируются все остальные.
Приставка «W» означает «белый», то есть светофильтр имеет дополнительный белый фотодиод. На что это влияет? Матрицы, где белых фотодиодов до 50%, сокращают потерю света примерно на 1/3. У камер с RGBW лучшее соотношение шум-сигнал. Недостаток – утрата мелких цветных деталей при нормальном освещении.
Физический размер матрицы
На качество снимком влияет не только тип матрицы, но и ее размер. Обозначается он в дюймах.
Размер матрицы фотоаппарата напрямую зависит от количества и размера пикселей. Размер пикселей зависит от того, какой светочувствительностью он наделен. И чем больше пиксели по размеру, тем больше световых лучей они могут собрать. Соответственно, чем больше матрица, тем меньше шума на снимках и больше светочувствительность.
Полная матрица равна кадру снимка пленочным фотоаппаратом в 35 мм (2,4Х3,6 см) или crop 1. После появления цифровых камер, принцип работы не изменился, только пленку сменила матрица. Но, полномерный фотодатчик имеет большие размеры, вес и производители пошли на уменьшение его размера.
Если размер матрицы фотоаппарата меньше стандартного, то она называется кроп-фактор, в обиходе «камера с кропнутой матрицей». Значение отображает во сколько раз фотодатчик меньше кадра пленки.
ВАЖНО! Размер матрицы фотоаппарата имеет большое значение: объектив с меньшим фотодатчиком обрежет изображение, а если съемка делается полноразмерным, то кадр будет шире и угол обзора больше.
Самые распространенные модели фотоаппаратов имеют кроп-фактор размером 1,3; 1,5; 1.6 и 2, то есть меньше пленочного кадра в 1,3 раза и так далее. Хотя на рынке представлены модели с полноразмерной матрицей и называются они полнокадровыми цифрозеркальными аппаратами.
Размеры матриц фотоаппаратов компактного типа меньше полноценного фотодатчика в 25 раз.
Таблица самых распространенных размеров:
| Размер в дюймах | В какой технике устанавливается | Ширина, мм | Высота, мм |
| 35 мм | полноразмерной | 36 | 24 |
| 1/2 от 35 мм | в дорогой, профессиональной | 22 | 15 |
| 4/3 | 18 | 13,5 | |
| 2/3 | в дорогих компактных аппаратах с несъемной техникой | 8,8 | 6,6 |
| 1/1,8 | в дорогих и средних по цене камерах | 7,2 | 5,3 |
| 1/3,2 | в дешевой компактной аппаратуре | 4,5 | 3,4 |
СОВЕТ! Выбирая камеру, отдавайте предпочтение той, у которой размер фотосенсора больше.
Физический размер матрицы видеокамеры, фотоаппарата влияет на общий вес камеры и габаритные размеры.
Количество мегапикселей и разрешение матрицы
Любой продавец, пытаясь продать фотоаппарат, обязательно отметит количество пикселей в камере. Что это и насколько важен этот показатель? На самом деле, их количество важно в том случае, если в дальнейшем снимок будет печататься или просмотр изображения будет производиться с увеличением на мониторе компьютера.
Фотоаппарат с большим количество пикселей должен иметь большую матрицу, в противном случае избежать дифракции не удастся, снимки будут замыленными, нечеткими. А чтобы распечатать фотографию формата 10Х15, потребуется всего лишь 3 мегапикселя, а самый навороченный телевизор вещает с разрешением 2 мегапикселя. Сразу становится понятно, что количество pel в фотоаппарате – это всего лишь маркетинговый ход, рассчитанный на привлечение клиентов.
ВАЖНО! Цифровая камера с большим количеством пикселей должна иметь большой физический размер матрицы. Несоответствие этих параметров приведет к тому, что снимки будут «шумными» и обрезанными по широте.
Второй важный критерий – разрешение. Что такое разрешение матрицы фотоаппарата? Эта величина определяет количество точек на единицу изображения. Большее разрешение обеспечивает более точное изображение. Разрешение складывается из размера пикселя, который на сегодняшний день варьируется от 2 до 8 мкм.
Не стоит забывать, что объектив также имеет свое разрешение, и если оно будет небольшим, то высокое разрешение фотосенсора не позволит сделать четкие снимки.
Светочувствительность
Параметры чувствительности (ISO) демонстрируют возможность камеры снимать в условиях плохой освещенности. Фотоаппарат с высокой чувствительностью будет делать более четкие изображения. Важность это показателя заключается в том, что при помощи ISO, не меняя параметры диафрагмы и выдержки, можно отрегулировать яркость кадра. Принцип работы состоит в усилении электрического тока, а не в усилении светочувствительности фотоэлементов. Однако при сильном увеличении, появляются шумы.
Увеличивать значение ISO рекомендуется только в случаях, когда слабо освещен задний план, нет возможности воспользоваться вспышкой либо съемка идет с руки.
Рекомендуемые параметры ISO:
- 100-200 единиц для съемки на улице и при хорошем освещении;
- 400-800, для помещений с искусственным освещением;
- 800-1600, для создания фотографий ночью.
Более высокие показатели рекомендованы для съемок концертов.
Как проводить чистку матрицы в домашних условиях
Матрица цифрового фотоаппарата требует периодической профилактической чистки. Мусор на матрицу может попасть во время смены объектива, при долгой эксплуатации камеры в неблагоприятных погодных условиях или при нарушении герметичности соединений. Это может привести к появлению эффекта «битого пикселя». Для устранения мусора можно обратиться в сервисный центр, но можно все сделать дома.
Существует несколько способов чистки, и самый сложный – «мокрый». Размер матриц в данном случае не имеет никакого значения. Для этого потребуется приобрести специальные салфетки, грушу, пинцет и жидкость Eclipse E2. В магазинах можно найти специальные наборы, в которых уже есть все необходимое.
Для чистки матриц видеокамер подойдут все нижеописанные способы.
Подготовительный этап
Батарею фотоаппарата необходимо зарядить до 100%, чтобы исключить вероятность того, что зеркало опустится и механизм заклинит. Обязательно ознакомьтесь с инструкцией к камере, в каком меню можно активировать режим чистки, то есть важен режим подъема зеркала. Помещение, где будет проводиться работа, должно быть чистым, без сквозняка и пыли.
Затем выставляется диафрагма на максимальную величину, подбирается самая длинная выдержка и делается тестовый кадр. Для кадра необходимо выбрать монотонную поверхность. Фотосъемка должна делаться в движении, чтобы смазать картинку.
«Мокрый» способ
Поэтапно чистка выглядит следующим образом:
- Сдувается грушей пыль. Байонет в это время должен быть направлен вниз.
- Делается опять тестовый кадр. Как правило, большие частички пыли исчезают.
- На пинцет наматывается салфетка и вытягивается примерно на 3-5 мм наружу, чтобы образовалась мягкая «подушка». На салфетку капается пара капель жидкости;
- Проводится чистка матрицы. Одной салфеткой можно провести только один раз. Процедура повторяется с новой салфеткой. После каждой обработки необходимо делать тестовый кадр, чтобы было видно, с какой стороны необходимо дополнительно почистить.
- Самый последний этап – очистка от остатков жидкости поверхности фотосенсора сухой салфеткой.
Окончательная проверка чистоты матрицы проводится при помощи чистого белого листа. Снимок делается при закрытой диафрагме и полной расфокусировки.
Швабра
Для работы можно использовать специальную швабру.
Они бывают двух видов:
- Для кропных фотосенсоров;
- Для полноформатных матриц.
Они различаются шириной, в первом случае – 16 мм, во втором – 24 мм. Для одной процедуры потребуется одна швабра, если загрязненность матрицы небольшая.
После подготовительной процедуры, работы проводятся в несколько этапов:
- На швабру капается 2 капли жидкости;
- Щетка ставится на самом краю фотосенсора и прижимается;
- Плавным движением, швабра передвигается к другому краю матрицы;
- У второго края, щетка не поднимается, а ведется обратно, к стороне, где началась чистка.
В итоге делается две проводки, без отрыва от поверхности матрицы. После процедуры, швабра выбрасывается и делается тестовый снимок.
Карандаш
Матрица в фотоаппарате может чиститься при помощи карандаша. Он намного проще в использовании в сравнении со шваброй и «мокрым» способом очистки. Для фотосенсоров подойдут карандаши треугольной формы, для объективов – округлой.
Процедура простая. Карандаш ставится посередине матрицы и круговыми движениями расширяется круг движения. Края карандаша сгибаются на 35 градусов, поэтому проблем с очисткой краев матрицы не будет.
Какой лучше способ – выбирает каждый фотограф индивидуально. Если нет времени или желания возится самостоятельно, то камеру всегда можно отнести в сервисный центр.
Заключение
Что такое матрица? Это светочувствительное сенсорное устройство, отвечающее за преобразование полученного светового сигнала в цифровой.
Она представляет собой большое количество светочувствительных элементов, которые называют «пиксели». Каждый из них формирует одну точку на кадре.
Существует два основных вида матриц: ПЗС и КМОП. Отличаются они последовательностью считывания информации. По второй классификации, матрицы разливают по светофильтрам на: RGB, RGBW и RGBE. При работе с мало освещенными предметами, преимущество имеют матрицы с фильтром RGBW.
Следующий критерий, который влияет на итоговое изображение – физический размер фотосенсора. Во-первых, размер влияет на цифровой шум, чем меньше размер матрицы, тем шум больше. Во-вторых, полномерные матрицы весят больше, чем те, что устанавливаются в компактной технике. Фотоаппарат с матрицей 1/1,8 будет весить намного меньше, чем с фотосенсором размером 4/3.
Несомненно, количество пикселей влияет на качество картинки, но при малых размерах матрицы, на снимках будет появляться шум, и они будут обрезаться по широте.
Значение ISO определяет светочувствительность фотоаппарата. Самые высокие показатели рекомендованы для ночной съемки.
