2.1. Матрица
Матрица состоит из множества светочувствительных ячеек – пикселей. Каждая ячейка при попадании на нее света вырабатывает электрический сигнал, пропорциональный интенсивности светового потока. Поскольку используется информация только о яркости света, картинка получается черно-белой, а чтобы она была цветной, приходится прибегать к разным ухищрениям. Так, например, ячейки покрывают цветными фильтрами – в большинстве матриц каждый пиксель покрыт красным, синим или зеленым фильтром (только одним!) в соответствии с известной цветовой схемой RGB (red-green-blue). Эти цвета – основные, а все остальные получаются путем их смешения и уменьшения или увеличения их насыщенности.
На матрице фильтры располагаются группами по четыре, так что на два зеленых приходится по одному синему и красному. Так делается потому, что человеческий глаз наиболее чувствителен именно к зеленому цвету. Световые лучи разного спектра имеют разную длину волн, поэтому фильтр пропускает в ячейку лучи лишь своего цвета. Полученная картинка (рис. 3) состоит только из пикселей красного, синего и зеленого цвета – именно в таком виде записываются файлы формата RAW (сырой формат). Для записи файлов в наиболее популярном для хранения фотографических изображений графическом растровом формате JPEG и универсальном формате TIFF процессор камеры анализирует цветовые значения соседних ячеек и рассчитывает цвет пикселей. Этот процесс обработки называется цветовой интерполяцией, и он исключительно важен для получения качественных фотографий.
Рис. 3. Принцип получения цветного изображения
Существует два основных типа матриц. Они различаются способом считывания информации с сенсора. В матрицах типа ПЗС (рис. 4) информация считывается с ячеек последовательно, поэтому обработка файла может занять довольно много времени. Хотя такие сенсоры «задумчивы», они относительно дешевы, и к тому же, уровень шума на полученных с их помощью снимках меньше.
Рис. 4. Матрица типа ПЗС Рис. 5. КМОП-матрица
В матрицах типа КМОП (рис. 5) информация считывается индивидуально с каждой ячейки. Каждый пиксель обозначен координатами, что позволяет использовать матрицу для экспозамера (измерение уровня освещенности фотографируемого объекта) и автофокусировки (автоматическое наведение оптической системы объектива на резкость изображения в фокальной плоскости).
Описанные типы матриц – однослойные, но есть еще и трехслойные, где каждая ячейка воспринимает одновременно три цвета, различая разноокрашенные цветовые потоки по длине волн (рис. 6).
Рис. 6. Трехслойная матрица
Лучшей альтернативой линейному ПЗС является трехлинейный (trilinear) ПЗС. Он имеет три ряда фильтров, фактически включенных в элементы ПЗС.
Каждый фильтр блокирует свой первичный цвет. Таким образом, ПЗС снимает информацию сразу о трех цветах, при этом время на съемку кадра значительно сокращается. Эти системы довольно медлительны и используются в студийных фотоаппаратах. Цифровые фотоаппараты “в режиме реального времени”, использующие матрицу элементов ПЗС, управляют цветом одним из двух способов. При первом способе цвет попадает на матрицу ПЗС, в которой смежные пиксели содержат различные цветовые фильтры.
В процессе записи изображения микропроцессор, расположенный внутри фотоаппарата, считывает сигнал от каждого пикселя и усредняет полученное значение. Этот способ позволяет мгновенно отснять кадр. Единственный недостаток состоит в том, что полученное изображение “размывается” из-за использования средств математической обработки. Если, например, сфотографировать белый лист с черным квадратом посередине, то мы не увидим абсолютно четкую грань квадрата. Цвет пикселей, которые окажутся на грани черного и белого цветов, будут определяться как средний между 100% черного и 100% белого, и поэтому примет значение 50% серого цвета. Цвет пикселей, смежных с 50% серого цвета, будет, в свою очередь, определяться как средний между ним и цветом пикселей с другой стороны, и так далее.