Нам в Internet News часто задают разные вопросы, связанные с цифровыми камерами. Многие уже решились переходить с пленки на цифровой формат, но боятся покупать аппарат, сталкиваясь с немалым выбором, широким разбросом цен и не всегда вразумительными пояснениями продавцов. Причем большинство людей, желающих купить “цифровик”, хотят использовать его для любительской съемки, в то время как многих профессионалов не устраивает цифровая техника, или она слишком дорога.Нам в Internet News часто задают разные вопросы, связанные с цифровыми камерами. Многие уже решились переходить с пленки на цифровой формат, но боятся покупать аппарат, сталкиваясь с немалым выбором, широким разбросом цен и не всегда вразумительными пояснениями продавцов. Причем большинство людей, желающих купить “цифровик”, хотят использовать его для любительской съемки, в то время как многих профессионалов не устраивает цифровая техника, или она слишком дорога.
С тех пор как на смену фотоаппаратам с плёнкой постепенно приходят цифровые модели с сенсорами, производители очень любят наращивать число мегапикселей у своих камер и рекламировать его как основной критерий, однако качество снимка зависит не только от количества мегапикселей. Здесь мы постараемся дать ответы на интересующие многих потенциальных покупателей вопросы.
1. Роль сенсора
В цифровой камере сенсор располагается там же, где плёнка у традиционных фотоаппаратов. Но сенсор – не единственный фактор, определяющий качество цифровой камеры. Немаловажными критериями являются оптика и программное обеспечение. К примеру, если используется качественный сенсор, но оптика или “прошивка” (специальное программное обеспечение) ему не соответствуют, то пострадает качество изображения.
В цифровой камере по сравнению с предшественником, плёночным фотоаппаратом, изменилось немного – по крайней мере, если рассматривать процесс получения изображения. Все фотоаппараты используют объектив (систему линз), затвор (он регулирует выдержку) и диафрагму (она регулирует свет, проходящий через объектив).
Различие появляется только тогда, когда мы будем рассматривать процессы, происходящие за объективом. Цветная негативная плёнка состоит из трёх слоёв, позволяющих вывести различные оттенки. Чтобы сенсор тоже смог воспроизводить оттенки цвета, ему приходится полагаться на различные решения.
Наиболее часто в камерах используется фильтр Байера (Bayer filter). Он состоит из мозаики прозрачных микролинз. Эти миниатюрные элементы имеют зелёную, красную или голубую окраску. В результате сенсор может выдавать многоцветное изображение.
Одновременно были разработаны и другие технологии. К примеру, американская компания Foveon разработала новый тип сенсора, который работает аналогично фотоплёнке, поскольку он тоже состоит из трёх слоёв, каждый из который чувствителен к своему цвету. Эта комбинация даёт хороший эффект по отношению к некоторым распространённым дефектам цифровых камер типа расплывания изображения (blooming).
Сенсор состоит из миллионов крошечных элементов, которые принято называть пикселями. Впрочем, этот термин наводит путаницу. Изначально, перед появлением цифровых камер, пикселем называли одну точку в цифровом изображении. Если вы откроете фотографию в любом редакторе и сделаете сильное увеличение, то вы увидите, что изображение состоит из маленьких квадратиков одного цвета – это и есть пиксели. Если после печати на фотографии заметны подобные маленькие квадратики, то этот дефект называют “пикселизацией”. Чем больше пикселей содержится в фотографии, тем больше можно увеличивать изображение до появления эффекта “пикселизации” для невооружённого взгляда.
Также иногда эти крошечные светочувствительные элементы называют фотосайтами (photosites или microcells). Они предназначены для накопления определённого электрического заряда, зависящего от количества полученного света. Затем эти электрические заряды передаются, используя различные методы в зависимости от типа сенсора, на электрическую схему, которая усиливает их и преобразует в цифровые данные. Наконец, информация воссоздаётся в виде изображения и записывается на карточку памяти (Secure Digital (SD), Compact Flash (CF), Memory stick, xD Card и т.д.). Определённое количество пикселей остаётся неактивным. Это количество зависит от числа пикселей на сенсоре. К примеру, сенсор, состоящий из 1,3 миллиона фотосайтов (пикселей) выдаст изображение, состоящее из 1,2 миллиона пикселей. По сути, 100 000 фотосайтов остаются за чёрной маской и служат эталоном для других. Такова разница между реальным числом “пикселей” и эффективным их количеством.
После того, как нажат затвор фотоаппарата, фотосайты сенсора передают информацию на электрическую схему. Данные в той или иной степени усиливаются, в зависимости от реальной чувствительности сенсора и чувствительности, выбранной пользователем (100, 200, 400 ISO или больше). Чем большую чувствительность выбирает пользователь, тем сильнее усиливается сигнал. В свою очередь, это усиление негативно сказывается на изображении. Оно создаёт помехи, которые часто называют “шумом”. Помехи проявляются в виде наличия пикселей ошибочных цветов в тёмных областях изображения.
Затем информация от усилителя преобразуется в цифровой вид. Именно на этом этапе производители пытаются компенсировать дефекты, связанные с усилением сигнала, с помощью программных решений.
2. Типы сенсоров: CCD, CMOS и т.д.
CCD
Сенсоры типа CCD (Charge-Coupled devices, ПЗС – прибор с зарядовой связью) встречаются в большинстве цифровых камер. Информация в таких сенсорах передаётся с помощью последовательного перехода заряда от одного пикселя к другому. Для корректной работы подобного сенсора должен использоваться внешний электронный таймер. Сенсоры CCD дают великолепное качество, однако производить их очень дорого.
Super CCD
Весной 2000 года компания Fujifilm анонсировала первую цифровую камеру с сенсором Super CCD (Fuji FinePix 4700 Zoom). Новый тип сенсора, разработанный Fuji, казался революционным, поскольку он позволял получать фотографии с 4,3 миллионами пикселей, используя сенсор всего с 2,4 миллионами фотосайтов. Но в реальности Fuji просто осуществила следующее: структура сенсора была изменена и информация трактовалась таким образом, что изображение подвергалось “инфляции”. В сенсоре Fuji интересна структура. На классическом CCD-сенсоре фотосайты состоят из крошечных квадратиков, расположенных друг с другом как на шахматной доске. На сенсоре Super CCD форма фотосайтов изменилась – они стали уже не квадратными, а шестиугольными, и их расположение напоминает соты. Цепи передачи электрических сигналов также подверглись преобразованиям, чтобы оптимизировать скорость передачи от сенсора до чипа. Данный сенсор даёт хорошие результаты по вертикальному и горизонтальному разрешениям, к которым привык человеческий глаз.
CMOS
Сенсоры CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor, КМОП – комплементарный металло-оксидный полупроводник) работают по-иному, хотя базовый принцип не изменился. Фотосайты, как и на CCD-сенсоре, чувствительны к свету и получают определённый электрический заряд в зависимости от количества полученного света. Однако внутри каждого пикселя заряд, образующийся при попадании света, преобразуется напрямую в ток. Более того, сенсоры CMOS производить дешевле, чем CCD. В начале цифровой эры CMOS-сенсоры использовались в цифровых камерах первых поколений или даже web-камерах. Однако сегодня, когда в этом направлении были проведены масштабные исследования, существуют коммерчески-доступные камеры, легко обходящие конкурентов с CCD-сенсорами.
3. ВлиЯет ли Число пикселей на каЧество сенсора?
Производители систематично привлекают внимание к своим цифровым камерам, подчёркивая число мегапикселей на сенсоре. Чем больше число фотосайтов, тем больший формат фотографии можно получить без появления эффекта пикселизации. Это сильный аргумент. Но он не единственный. На самом деле, существуют и другой важный параметр – размер сенсора. Если сенсор крошечный, как бывает в случае компактных камер, качество получившейся фотографии будет не таким хорошим, как картинка SLR-камеры с большим сенсором. Как и в традиционном фотоделе, чем больше площадь освещённой поверхности (будь то кадр плёнки или сенсор), тем больше деталей изображения можно получить.
Если перейти к сенсорам полупрофессиональных цифровых камер, занимающих промежуточное положение между SLR-камерами и компактными моделями, и здесь размер сенсора не всегда меняется, в то время как число число пикселей на поверхности постоянно увеличивается. Инфляция числа пикселей позволяет получать фотографии большего размера, однако пиксели становятся всё меньше и меньше – поэтому и их светочувствительность тоже снижается. Сигнал, полученный светочувствительным элементом, усиливается. По мере уменьшения светочувствительности пикселей это усиление начинает играть всё большую роль. Но чем сильнее усиление, тем больше “шума” появляется в тёмных областях. Таким образом, сенсор с большим числом фотосайтов необязательно даёт изображение лучшего качества, чем сенсор того же размера, но с меньшим числом пикселей.
4. Размер сенсора
1 – сенсоры 1/2,7″ или 1/2,5″ по диагонали
Размер: 0,527 x 0,396 см
Число пикселей: 3,3 или 4,1 миллиона
Эти сенсоры действительно крошечные, при этом они используются в 3-мегапиксельных камерах типа Ricoh Caplio RX, Fuji Finepix F420 и Nikon Coolpix 3200. Камера Nikon Coolpix 4100, к примеру, имеет 4 миллиона пикселей. Данные сенсоры предназначены для камер начального уровня.
2 – сенсоры 1/1,8″ по диагонали
Размер: 1,085 x 0,814 см
Число пикселей: 4,1, 5 или 6,1 миллиона
Эти сенсоры используются в большинстве качественных компактных цифровых камер. В диапазоне четырёх мегапикселей здесь можно отметить модели Canon Digital Ixus S430 и Nikon Coolpix 4200. Сенсоры на 5 миллионов используются в камерах типа Nikon Coolpix 5200 и Casio QVR51. Что касается 6,1 миллиона, то здесь можно привести Olympus C60 и Kodak DX7630.
3 – сенсоры 2/3″ по диагонали
Размер: 0,88 x 0,66 см
Число пикселей: 8 миллионов
Эти сенсоры давно использовались в полупрофессиональных моделей и сегодня они могут похвастаться 8 миллионами пикселей против 5 миллионов почти три года тому назад. Подобные сенсоры можно встретить в камерах Sony DSC-F828, Olympus C-8080, Canon PowerShot Pro 1 и Konica Minolta Dimage A2.
4 – сенсоры в формате APS
Размер: 2,27 x 1,51 см
Число пикселей: 6,1 миллионов
Именно такие сенсоры применяются в SLR-камерах, типа Nikon D70 и Canon 300D на шесть миллионов пикселей.
5 – сенсоры в формате 24 x 36
Размер: 3,6 x 2,4 см
Число фотосайтов: 6,1, 8,5 или 14 миллионов
Эти сенсоры являются синонимами высочайшего качества в цифровой фотографии перед переходом на формат 6 x 6. Камера Kodak DCS slr/n использует именно такой сенсор с 14 миллионами пикселей. Модель Contax N Digital имеет скромные шесть миллионов. Камера Canon EOS 1D Mark II оснащёна сенсором 24×36 с 8,5 миллионов пикселей. Всё это оборудование является профессиональным, поэтому стоит очень дорого.
5. ВсЁ решают деньги
Несмотря на все вышесказанное, производители почти не используют в своих камерах сенсоры большого размера. С одной стороны, основным препятствием на этом пути является цена. Сенсор большого размера (как и процессор) производить намного дороже. Кроме того, корпусы последних моделей камер часто очень похожи на на корпусы ранних моделей – крупный производитель может использовать тот же корпус, что и для старого сенсора, заменив сенсор на более новый, с большим количеством пикселей. После чего производитель выпускает новую модель, которая кажется лучше, поскольку она использует сенсор с большим числом мегапикселей, однако умещается он в том же корпусе, что и у предшественницы.
Технологии обработки сигналов, особенно по критерию скорости, претерпели значительные улучшения. Иначе было бы просто невозможно обработать информацию от сенсора с восемью миллионами фотосайтов с помощью чипа, разработанного для обработки сигналов с сенсора на пять миллионов пикселей. Каждый производитель разрабатывает своё собственное программное решение, чтобы уменьшить вредные последствия усиления. Поскольку сенсоры у камер одинаковы, каждый производитель пытается выделиться именно разработкой лучшего программного решения. И при таких условиях некоторые производители справляются лучше других.
6. Проблема оптики
Ограничения маленького сенсора на этом не кончаются. Цифровые камеры, использующие сенсор на 4 миллиона пикселей или на 3,34 миллиона с диагональю 1/1,8″, упираются в ограничения объектива. В чём же здесь проблема? – спросите вы. Всё дело в области покрытия. Чем больше сенсор, тем легче оснастить камеру широкоугольным объективом. Именно поэтому полупрофессиональные модели (использующие сенсор с диагональю 2/3″) имеют минимальное фокусное расстояние 28 мм.
7. Дефекты изображениЯ, вызванные сенсором
Расплывание (Blooming)
За этим странным словом скрывается дефект, который хорошо известен всем тем, кто практикуется в области цифровой фотографии. Он появляется, когда изображение имеет сильную локальную контрастность – область, где светлый объект находится по соседству с тёмной областью. Если посмотреть на эти области изображения под увеличительным стеклом, обнаруживается, что пиксели на границе двух областей имеют не тот цвет, который нужно. Фотосайты на границе просто не могут разобраться в подобной ситуации. Они “переходят” на соседнюю область, что даёт неправильную яркость и распределение, в результате чего появляется эффект расплывания соседних ячеек.
Для решения этой проблемы производители выработали различные аппаратные и программные решения. К примеру, Foveon со своим сенсором 3x, решила наложить друг на друга три CMOS-сенсора, каждый из которых чувствителен к своему цвету. Это решение позволило нейтрализовать эффект расплывания, хотя привело к появлению некоторых проблем в других областях.
“Шум” (Noise)
Слово “шум” обычно связывают не с изображениями, а со звуком, однако с появлением цифровых камер оно стало ассоциироваться и с этой областью. Под “шумом” понимают пиксели светлых оттенков, наблюдаемые в тёмных областях – хотя их здесь не должно было быть. Результат напоминает частицы пыли. Этот дефект являются следствием усиления сигнала, выходящего из сенсора. Чем меньше светочувствительность сенсора, тем сильнее необходимо усиливать сигнал, и тем больше будет “шум”.
8. Итог
Можно сказать, что CMOS-сенсор Canon эквивалентен по качеству CCD-сенсору. Технология Fuji Super CCD является интересной альтернативой для камер, обеспечивающих высокое разрешение по приемлемой цене. Технология сегодня вполне отработана, так что её качество не вызывает нареканий.
Что касается размера сенсора, то он приближается к пределам. Преимущество от увеличения числа фотосайтов сегодня уже не так очевидно, особенно если учесть недостатки высокой цены и немалого уровня “шума”. Что касается компактных моделей с сенсором 1/1,8″, то шесть миллионов пикселей здесь вряд ли следует считать технологическим достижением. Учитывая способ использования подобных камер, то есть, чаще всего, это распечатка фотографий 10×15, сенсор на 4 миллиона фотосайтов справится с работой не хуже за меньшую цену. То же самое относится и к печати с полупрофессиональных камер, оснащённых 2/3″ сенсором. Прирост качества от восьми миллионов фотосайтов по сравнению с пятью миллионами не очевиден, особенно если учесть проблемы с повышением уровня “шума”.
Если посмотреть на ситуацию только с точки зрения сенсора, не принимая во внимание компактность камеры, то лучшим выбором будет, конечно же, CCD-сенсор формата APS на 6 миллионов пикселей. Он встречается в SLR-камерах типа Nikon D70 или CMOS-эквивалент Canon 300D. Эти камеры обладают лучшим соотношением качество/цена и дают лучшее качество изображения для любителей, причём его размер будет достаточен для распечатки на формате вплоть до A3.
Если вам все еще что-то неясно или вы хотите поделиться впечатлениями, то ждем вас на нашем форуме (www.forum.az) в теме “Какая у вас цифровая камера?”.

Владимир Зимин
(c) Internet News
5 aug 2004

ссылка на статью