Светочувствительные матрицы в цифровых камерах

Употребляя термин «цифровой», мы как-то не задумываемся, а что же он означает и чем цифровая техника отличается от традиционной. Ведь была же другая техника - магнитофоны, пленочные фотоаппараты, радиоприемники. Почему же все стало меняться на «цифровое»? И в чем разница?
Мир, окружающий нас, является аналоговым. Это означает, что звуки и изображения доносятся до наших органов чувств в виде волн - звуковых или электромагнитных. Волны воспринимаются органами чувств (слух и зрение) и в виде импульсов передаются в мозг. Информация, передаваемая аналоговым способом, легко искажается при передаче и требует огромных емкостей при использовании в технике. Для упрощения процессов, связанных с передачей и обработкой информации, был изобретен способ «оцифровки» информации. Оцифровка - это процесс преобразования аналоговой информации в цифровую. Техника, которая работает с такой формой информации, стала называться цифровой. Цифровая информация легко контролируется, она дает стабильное и регулируемое качество для звука и изображений. Она требует меньших емкостей для хранения, т.е. для мира техники цифровая информация подходит гораздо лучше, чем аналоговая.
Процесс оцифровки аналоговой информации проходит два основных этапа. На первом этапе аналоговая информация разбивается на небольшие равные части. Вторым этапом каждая часть анализируется и зашифровывается некоторыми алгоритмами в последовательности единиц и нолей.
Если применить термины «аналоговый» и «цифровой» к фотографии, то можно сказать, что пленочный фотоаппарат - аналоговый, потому что пленка фиксирует излучение на светочувствительном слое посредством объектива фотоаппарата. А что происходит в цифровой камере? В камере таким светочувствительным слоем является матрица - микросхема с миллионами светочувствительных ячеек.
Свет, который падает на матрицу, распределяется по этим ячейкам. Каждая ячейка фиксирует интенсивность упавшего на нее света, накапливая заряд, пропорциональный интенсивности света. Это и есть первый этап оцифровки. Аналоговое изображение разбивается на одинаковые маленькие фрагментики. Затем каждая ячейка передает эту информацию на встроенный компьютер камеры. Обработав ее, компьютер камеры формирует полное изображение. Заметьте, что конечное изображение все равно будет состоять из множества точечек, которые называют пикселями. Каждый пиксель - это информация, переданная с матрицы от одной ячейки. Легко догадаться, что чем больше ячеек в матрице и чем меньше их размер, тем меньше цифровое изображение будет отличаться от аналогового. И тем незаметнее будут эти отличия. Каждый квадратик-пиксель несет информацию только об одном цвете.
А как шифруется полученное изображение? Общий принцип шифрования одинаков, но существуют варианты его использования. Начнем с самого простого.
Если мы возьмем изображение и будем шифровать его только двумя состояниями пикселей - включенное и выключенное (или два цвета - черный и белый), то получим двухцветную цифровую картинку.
Про такое изображение говорят, что оно имеет цветовую глубину (Color Depth) в 1 бит. Понятие «цветовая глубина» описывает, сколько бит выделяется для хранения одного пикселя изображения в процессе кодирования. Ячейки матрицы либо уловили свет, либо нет. На самом деле все немного сложнее.
В цветовой модели Grayscale (Градации серого) как и в рассмотренном выше примере, пиксели могут быть представлены только градациями серого. Но в ней цветовая глубина увеличена до 8 бит на пиксель, т.е. информация об одном пикселе хранится в 8 битах, а не в одном. Это позволяет иметь 256 уникальных комбинаций бит, и соответственно, 256 различных оттенков серого. Каждая ячейка матрицы при восприятии света как бы накапливает некий заряд, и размер этого заряда пропорционально переводится в один из оттенков серого.
В модели RGB на каждый пиксель выделяется 24 бита. Но пиксель содержит информацию о трех каналах - красном, зеленом и синем. На каждый из каналов выделяются те же 8 бит, что и в Grayscale, a 24 бита получаются при сложении информации обо всех трех каналах, таким образом и получается, что эта модель может отобразить 16 млн. оттенков (два в 24-й степени). Цифровые камеры как раз и используют эту цветовую модель.
Раньше мы немного погрешили против истины, сказав, что один светочувствительный элемент формирует один пиксель. Дело в том, что светочувствительные элементы матрицы не различают цветов. Они могут зарегистрировать только интенсивность света, но не могут отличать цвета друг от друга.

CCD-матрица
В основной массе цифровых фотокамер используются так называемые CCD-матрицы (Charge Coupled Device - прибор с зарядовой связью (ПЗС)). В качестве чувствительных ячеек в таких матрицах используются конденсаторы, которые накапливают заряд пропорционально продолжительности и интенсивности падающего на них света. CCD-технология была изобретена в октябре 1969 года инженерами Джорджем Смитом (George Smith) и Уиллардом Бойлем (Willard Boyle), которые работали в Bell labs. Сейчас эта технология широко используется не только в цифровой фотографии, но и в сканерах, факсах и других устройствах.
CCD-матрица - это кремниевый чип, покрытый множеством маленьких электродов, которые называются фотосайтами (Photosites). Фотосайты выстроены в виде решетки, и каждый из них соответствует одному пикселю на полученном снимке. Таким образом, можно сказать, что количество фотосайтов соответствует разрешению изображения - изображение будет состоять из стольких пикселей, сколько фотосайтов содержит матрица.
Перед съемкой все фотосайты заряжаются электронами. Когда свет попадает на фотосайт, электроны собираются на нем в количестве, пропорциональном количеству и интенсивности упавшего света, таким образом каждый фотосайт набирает некоторый отрицательный заряд, пропорциональный интенсивности света. После засветки матрицы остается только измерить заряд каждого фотосайта и перекодировать его в некую цифру, в соответствии с глубиной цвета, предусмотренной для этой матрицы. Обычно используется глубина цвета в 8 бит. Заряд кодируется цифрами от 0 до 255.
Название CCD-матрицы возникло от способа, которым камера считывает заряды с отдельных фотосайтов. Дело в том, что заряды считываются только с одного ряда фотосайтов, а ряды связаны друг с другом. После считывания ряда заряд удаляется с него, затем на него переходят заряды следующего ряда, и так - пока не будут считаны все ряды. После этого вся матрица перезаряжается и готова к съемке следующего изображения.
Как говорилось ранее, фотосайты не различают цветов. Они воспринимают только интенсивность света. Чтобы получить цветное изображение, используют цветовые фильтры (маски) для матрицы. Самой распространенной является схема, основанная на шаблоне Байера. Этот шаблон состоит из 4 фильтров - двух зеленых, одного красного и одного синего. Глаз человека воспринимает зеленый цвет лучше, чем остальные, поэтому изображение, насыщенное зеленым, субъективно воспринимается более натуральным. Из-за своей структуры схема Байера иногда называется GRGB (зеленый-красный-зеленый-синий).
Фотосайты, находящиеся под маской, воспринимают интенсивность света одного определенного цвета. Конечная картинка получается с помощью интеллектуальной интерполяции соседних фотосайтов в изображении, получившемся на матрице. Процесс интерполяции называется демозаикой. Алгоритм демозаики у каждого производителя свой и очень сильно влияет на качество получаемого изображения. Простая квадратичная интерполяция анализирует все фотосайты, соседние с рассматриваемым. Она используется в основной массе CCD-матриц. Фирма Hewlett-Packard использует аналогичный метод, но в данном случае анализируются области размером 9x9 пикселей. А фирма Canon» используя квадратичную демозаику, взяла другую схему цветовых фильтров. Вместо GRGB-схемы она использует CYGM-схему (голубой, желтый, зеленый, пурпурный).
Размер матрицы небольшой. В компактных недорогих камерах используются матрицы размером 1/1.27", т.е. с диагональю всего около 10 мм. В более качественных камерах размер матрицы - 1/1.8", а в полупрофессиональных моделях размер еще больше - 2/3".
Чем больше геометрический размер матрицы (измеряемый в мм, а не в мегапикселях), тем выше разрешение, чувствительность, точнее цветопередача изображения и, главное, меньше шумы, вносимые матрицей в изображение.
По количеству светочувствительных ячеек матрицы называют 3-, 5-, 7- и т.д. мегапиксельными, т.е. матрица имеет 3, 5, 7 млн. ячеек (пикселей) соответственно. Не все фотосайты (пиксели), которые есть в матрице, используются ею для формирования изображения. Некоторые пиксели не попадают в область, засвечиваемую объективом. Некоторые используются для определения баланса черного. Поэтому разрешение камеры надо определять не по максимальному количеству пикселей матрицы, а по эффективному разрешению. Для его определения узнайте максимальное разрешение снимка, который может сделать данная камера. Например, 2048x1536. Перемножьте эти цифры - и вы получите эффективное количество пикселей - 3,1 млн.
Надо помнить, что маленькая матрица с большим количеством пикселей дает большие шумы при светочувствительности свыше ISO 400. Поэтому оценивать фотоаппарат надо не по максимальному значению количества ячеек (мегапикселям), а но шумам, вносимым матрицей при каком-то конкретном значении светочувствительности.
У маленьких матриц с большим количеством мегапикселей есть еще один враг -дифракция света. Свет имеет волновую природу, и строгие точки геометрической оптики размываются в пятнышки при низком качестве оптической системы. В результате для матриц размером 1/1,8" и 2/3" разрешение больше 5 мегапикселей теряет весь смысл, так как требует очень точной и мощной оптики.
Описанная выше система формирования цветного изображения использует одну матрицу для всех трех каналов цветов. Естественно, такой подход приводит к потере качества изображения. Фотосайт, замаскированный красным фильтром, не воспринимает информацию о синем и зеленом каналах. Замаскированный синим, не воспринимает зеленый и красный и т.п. Чтобы повысить качество были придуманы другие способы получения цветного изображения с помощью CCD-матрицы.
Примером может служить технология «тройной съемки» (Three-shot). При этом методе делается три последовательных засветки матрицы с разными цветовыми фильтрами. Таким образом получается информация по каждому из цветовых каналов, которая потом собирается вместе. В этом методе исключена демозаика, что повышает качество снимка. Но тройное последовательное сканирование занимает достаточно много времени, что позволяет использовать этот метод только в студийных условиях. Ведь свет должен иметь одинаковую интенсивность, а объект - быть неподвижным во время тройного сканирования.
Другая технология - линейная сканирующая система - использует только один ряд сенсоров, который трижды сканирует объект с разными фильтрами. Один ряд сенсоров позволяет сильно увеличить разрешение матрицы без заметного увеличения цены. Но недостаток тот же, что и у предыдущей системы - время тройного сканирования достаточно велико.
Трилинейная сканирующая система аналогична предыдущей, но использует три ряда сенсоров, имеющих свои фильтры. Такая система делает только один проход при сканировании, что дает высокую скорость. Но она дороже линейной.
И, наконец, система с несколькими матрицами. Эта система использует призмы для разделения цветов исходного изображения, а затем каждый цвет воспринимается отдельной CCD-матрицей. Скоростная и высококачественная система. Главный недостаток - наличие трех матриц резко увеличивает стоимость камеры.

CMOS-технология матриц
Кроме описанной выше CCD-технологии, существует еще одна технология, которая называется CMOS (Complimentary Metal Oxyde Semiconductors).
CMOS-матрицы сделаны из полевых транзисторов. Они сразу формируют цифровой сигнал и позволяют выполнять некоторые обрабатывающие функции непосредственно на матрице. У транзисторов есть большой недостаток - значительный разброс рабочих характеристик. Но в последнее время появление более совершенных алгоритмов борьбы с этим недостатком предполагает массовое использование CMOS-матриц.
Существует еще один вид матриц - SuperCCD. Более высокое разрешение по сравнению с CCD здесь достигается поворотом матрицы на 45 градусов и интерполяцией, т.е. реального увеличения разрешения не происходит. Обычные CCD все же предпочтительнее, чем SuperCCD.