Відмінності цифрового фотоапарата від плівкового.

Чим відрізняється цифровий фотоапарат від плівкового? Сущою дрібницею: способом фіксування світла, що пройшло через об'єктив. По суті, все зводиться до одних лише матрицями, який заміняє собою плівку.

Для початку розберемо принципові відмінності плівки від якоїсь гіпотетичної матриці. Відмінність головне: світлочутливі елементи плівки (зерна галоїдного срібла) за своєю природою стохастичну - як їх розміри і форма, так і розташування в емульсії підпорядковуються закону нормального розподілу, а всі елементи матриці розташовані у вигляді регулярної решітки, причому їх розмір і форма чітко фіксовані. Відмінність менш принципова: елементом, що створює зображення в кольоровій плівці, є "хмарка" барвника, конденсирующегося при обробці навколо зерна металевого срібла. Природно, контури "хмарки" розмиті, а кордони піксела цифрового зображення позначені чітко. Решта відмінностей відносяться не до всіх типів матриць, про що буде сказано нижче.

Дозвіл

Дозвіл залежить від кількості точок зображення. Чим вище чутливість плівки, тим нижче її дозвіл, і навпаки. У матриць все йде інакше: розмір пікселя фіксований, і чутливість матриці визначається чутливістю піксела. Теоретично вона обмежена одним фотоном, але практично при дуже слабкому сигналі флюктуаційних шуми "забивають" корисний сигнал.

Є і ще один чинник, що перешкоджає підвищенню дозволу матриць без збільшення їх геометричних розмірів, - дифракція. Якщо піксел буде порівняти з довжиною хвилі уловлюваного світла, неминучі дифракційні ефекти, так що розмір піксела знову-таки обмежений знизу довжиною хвилі. Справа ускладнюється тим, що матриці чутливі до інфрачервоної складової спектру (у чому легко переконатися, направивши в об'єктив світлодіод ПДУ телевізора), що має значну (в рамках видимого спектру) довжину хвилі, а галоїдні срібло без спеціальної обробки не бачить її в упор.

Далі, теоретична чутливість може бути досягнута лише при охолодженні матриці до абсолютного нуля, що практично недосяжна, тому реальна чутливість сенсорів обмежена знизу рівнем теплових шумів, а зверху - рівнем насичення, коли додаткова експозиція вже не підсилює сигнал (що, гадаю, очевидно, і в коментарів не потребує). Тут, треба зауважити, принципову роль відіграє тип самих датчиків: ПЗС (він же CCD) або КМОП (CMOS).

Тип датчика

У обох систем є і переваги, і недоліки. Принципово датчики з потоково-зарядної зв'язком (ПЗЗ) відрізняються від комплементарних пар тим, що під впливом світла втрачають заряд, а КМОП-датчики, навпаки, набувають. Цікаво, що, оскільки друга схема передбачає можливість перенасичення, при подальшій експозиції виникає зворотний ефект: КМОП-матриця починає втрачати заряд, що веде до ефекту істинної соляризації (на знімку потрапило в кадр сонце може виявитися темно-фіолетовим або навіть чорним), що ріднить КМОП-матриці з пленкой2.

При цьому спектральні характеристики ПЗС-матриць дещо краще, що, здавалося б, дає їм перевагу перед КМОП-сенсорами, але не тут-то було: компанія Canon на черговому витку розвитку цифрових технологій звернулася до технології КМОП, як більш перспективною. Інші виробники професійної фототехніки поки ставляться до цього починання з обережністю, і хто виявиться далекогляднішим, поки неясно, але Canon зробила надзвичайно сильний хід, викинувши на ринок дзеркальну камеру 300D з КМОП-матрицею за демпінговими цінами.

Битий (і бітний) колір

Ще одна принципова відмінність цифри від плівки: матриця (за однією обмовкою, ім'я якої Foveon) не бачить кольору піксела , сприймаючи лише інтенсивність світла, що впало, внаслідок чого кожен піксел зображення повинен складатися з групи пікселів різних кольорів. Колір подпіксела при цьому визначається прикриває його світлофільтром. Як легко здогадатися, при розташуванні пікселів у вигляді прямокутника кольору доводиться розбивати не на тріади, як в основній колірній схемі RGB (червоний-зелений-синій), а на тетради. Найчастіше пріоритет віддається зеленому кольору, і найбільш активним у схемі розташування світлофільтрів виступає зелений - GRGB - як найпоширеніший і що втілює середню частину спектру, де людське око має найбільшу чутливість. Втім, серед відхилень від норми, крім дальтонізму, як нещодавно з'ясувалося, існує тетрахроматізм, коли на очному дні присутні колбочки, чутливі не до трьох, а до чотирьох цветам4, додатковим серед яких виступає смарагдово-зелений. Мабуть, саме це і спонукало компанію Sony на створення матриці з чотирма різними фільтрами, з яких додатковим виступає якраз смарагдово-зелений. Наскільки такий підхід виправданий, покаже лише практика.

З інших "светофільтрових" відхилень від стандарту найбільш помітним є матриці Foveon X3, де використовується квантовий ефект: світло з різною довжиною хвилі поглинається на різній глибині напівпровідника.


Таким чином, за колірною схемою ця матриця найбільш близька до плівки: кожна точка зображення виступає не групою розташованих поруч точок, а одним "бутербродом" різнокольорових пікселів. Подібна схема усуває колірні артефакти, що виникають із-за "розмазування" однієї точки по групі з чотирьох різнокольорових пікселів, що можна ототожнити із збільшенням дозволу в три рази.

Єдиний елемент плівки, відсутній у всіх варіантах, - це протиореольний подслой, потреба в якому відпадає тому, що вся енергія світла поглинається кристалом і паразитні відображення неможливі за визначенням.

Компонування пікселів

Хоча пристрої відображення цифрових зображень "розуміють" лише один формат - у вигляді прямокутної матриці,-пристрої зчитування інформації можуть сприймати її по-різному, перекладаючи відповідальність за прямокутну компоновку на процесор.

В ідеалі варто було б застосувати гексагональної розташування подпікселов, оскільки воно забезпечує найбільшу щільність компонування, але на нинішньому рівні розвитку технологій така компоновка видається занадто складною, вимагаючи зчитування інформації не по двох координатах (вертикаль і горизонталь) , а за трьома (умовно: горизонталь, +60 градусів, -60 градусів) і куди більш складної інтерпретації даних. Ймовірно, з часом ці труднощі подолають, поки ж компанія Fujifilm5 знайшла прийнятний паліатив, названий матрицями SuperCCD (як легко здогадатися, на базі технології CCD), розташувавши восьмикутні пікселі у вигляді ромба, що забезпечило більш зручне (хоча і не більш швидке) зчитування інформації . Інтерполіруя отримані дані, можна теоретично отримати дозвіл в 1,4-1,76 разів вище, ніж у прямокутної матриці (чи то корінь з 2, чи то корінь з 3 - треба б проробити геометричні викладки, та все якось лінь).

А якщо вже виробництвом настільки дивовижних матриць може займатися лише компанія, їх породила, на досягнутому вона не зупинилася, спробувавши ще більше уподібнити їх звичайній плівці.

Розмір зерна і чутливість

У минулому році Fujifilm створила матрицю SuperCCD четвертого покоління. Правда, на відміну від попередніх поколінь, нинішнє породило два підвиди: HR і SR. І те й інше рішення грунтуються на елементарному подвоєння кожного пікселя і підсумовуванні сигналів, від них надходять. Вододіл проходить по геометричних розмірах пікселів. У матрицях з індексом HR - обидва піксела одного і того ж розміру, що забезпечує більш високу чутливість. Куди цікавіше вирішення SR, де один піксел вчетверо менше іншого, за рахунок чого досягається висока чутливість в тінях (великий, або Н-пікселів) і низька - у світлі (малий, або S-піксель). Завдяки цьому динамічний діапазон матриці збільшується в чотири рази, фактично змагаючись з плівкою (зауважимо, що досягає такого результату за рахунок того ж рішення - поєднання великих [високочутливих] і малих [низькочутливих] зерен галоїдного срібла).

Фізичні межі

Внаслідок менших фізичних розмірів матриць об'єктиви цифрових камер виходять менше і легше, ніж у плівкових, проте конструктора тут підстерігають свої підводні камені: чим менше розмір лінзи, тим важче зробити її якісною (тут є свої хитрі ходи - наприклад, рідинні лінзи, але це окрема розмова) і тим менше окремий піксель! А коли розмір піксела порівняємо з довжиною хвилі, як уже згадувалося, неминучі дифракційні і інтерференційні ефекти ... Так що мікромініатюризація абсолютно чітко обмежена знизу довжиною хвилі близько 1000 нм (з-за чутливості сенсорів до інфрачервоного світла). І подальше підвищення якості можливе тільки за рахунок збільшення матриці при збереженні геометричних розмірів окремого пікселя.

Спроба прорікання

Узагальнивши вищесказане, можна намалювати образ ідеальної матриці, що усуває всі недоліки та акумулюючої всі достоїнства існуючих і неіснуючих (поки що), але теоретично можливих матриць. Їй має бути притаманна гексагональна структура, причому кожен піксель повинен бути представлений двома-трьома подпікселамі різного розміру (і, очевидно, чутливості), а кожен піксел має представляти собою трьох-чотиришаровий "бутерброд" по різних довжинах хвиль. Можна дробити і дрібніше, поки не буде досягнутий поріг сприйняття людського ока. Ось і вийде щось на кшталт Foveon UltraSuperCCD x3. Тільки виробники повинні спершу домовитися про перехресне ліцензування технологій, а такі питання, на жаль, вирішуються куди повільніше, ніж технічні проблеми.