2. Цифровые фотокамеры

Как работает цифровая камера

Цифровая камера во многом похожа на традиционный пленочный фотоаппарат. Она имеет такую же оптическую систему. Но свет, проходящий через объектив, попадает не на светочувствительную пленку, а на специальную светочувствительную CCD-матрицу (CCD - Charge Coupled Device - Прибор с зарядовой связью (ПЗС), состоящую из миллионов электронных датчиков, фиксирующих изображение (рис.020).

CCD-матрица представляет собой фоточувствительный, размером с почтовую марку кристалл полупроводника и служит для преобразования воспринимаемого изображения в пиксели — элементы изображения (рис.021). ПЗС содержат сотни тысяч или даже миллионы резисторов, или элементов выборки. Чем больше элементов-ячеек в ПЗС, тем выше разрешение и качество изображения. При открывании затвора цифровой фотокамеры свет, попадая на ячейки ПЗС, приводит к образованию электрического заряда; чем больше света, тем больше ток. В темных местах заряд не образуется. Аналого-цифровой преобразователь заменяет электрические заряды цифровой информацией. Для получения цветного изображения оно пропускается через многослойный набор, содержащий красный, синий и зеленый светофильтры. После этого свет попадает на элементы ПЗС, которые чувствительны к красному, синему или зеленому цвету. Эта комбинация элементов и образует полноцветное изображение. Точно такие же приборы с зарядовой связью используются в сканерах, факсимильных аппаратах и видеокамерах. Но в отличие от планшетного сканера, ПЗС цифрового фотоаппарата захватывает сразу все изображение.

В некоторых моделях цифровых фотоаппаратов (продвинутые зеркалки), например Sony Alpha DSLR-A700 (рис.022), Canon EOS 5D, вместо ПЗС используются КМОП-датчики (CMOS-датчики). КМОП - комплиментарные структуры металл-окисел-полупроводник (рис.023). Они выполняют функцию регистрации попадания луча света на каждый из сотен тысяч элементов выборки. В кристаллах КМОП можно реализовать множество других функций, таких, как аналого-цифровое преобразование, обработка загружаемого сигнала, управление балансом белого и др. Они значительно дешевле и проще в изготовлении и потребляют меньше энергии.

Зафиксированное на CCD-матрице или КМОП-датчиках изображение сохраняется в памяти и уже через несколько секунд после съемки его можно увидеть на жидкокристаллическом дисплее, которым снабжается большинство камер.

Разрешающая способность фотокамеры, требования печати.

Качество изображения, получаемого цифровым фотоаппаратом, зависит от используемой оптической системы и от светочувствительности матрицы, которая, в свою очередь, определяется количеством элементов CCD-матрицы.

Но важнейшей характеристикой CCD-матрицы является ее физический размер.

Рисунки показывают размер матриц типичных сенсоров цифровых камер на фоне 35-милиметрового кадра фотопленки (рис.024).

Типичный размер матрицы 6 или 8-мегапиксельной цифровой компактной камеры.

Типичный размер матрицы цифровой 10 - 13-мегапиксельной зеркальной камеры.

Как видно из этих рисунков, площадь сенсоров цифровых зеркальных камер обычно составляет от 40% до 100% от площади пленочного кадра. У цифрокомпактов примерно то же количество мегапикселей (или чуть меньшее) размещается на значительно меньшей площади. Пиксели цифрокомпактов значительно меньше по размеру, в этом главная причина худшего качества изображения, даваемого цифрокомпактами, если говорить о цифровом шуме и динамическом диапазоне (разнице между самым ярким и самым темным фрагментом изображения).

Размеры сенсоров. Размеры сенсоров обычно указываются в дюймах, например, 1/1.8" или 2/3" (знак кавычки – это обозначение дюймов), которые на самом деле больше реальных размеров сенсоров. Эти обозначения восходят к обозначениям трубок в телекамерах в 50-х годах прошлого века. Эти числа обозначают не размер диагонали самой матрицы, а внешний размер стеклянной оболочки или подложки. Реально полезный размер матрицы составляет примерно 2/3 от этого размера (рис.025).

Ниже в качестве примера приведен перечень некоторых цифровых камер и размеры их матриц (рис.026).

Camera	Sensor Type	Pixel count	Sensor size
Panasonic Lumix DMC-FX55	1/2.5" CCD	8.3 million	5.8 x 4.3 mm
Nikon Coolpix P5000	1/1.8"CCD	10.4 million	7.2 x 5.3 mm
Olympus E-400	4/3" CCD	10.8 million	17,3 x 13.0 mm
Panasonic Lumix DMC-L10	4/3" CCD	11.8 million	17,3 x 13.0 mm

Canon EOS 450D	CCD (ПЗС)	12.4 million	22.2 х 14.8 mm
Sony Alpha DSLR-A700	CMOS (КМОП)	13.0 million	23.6 x 15.8 mm
Nikon D300	CMOS (КМОП)	12.3 million	23,6 x 15,8 mm
Canon EOS 5D	CMOS (КМОП)	13.3 million	36 x 24 mm

Первые цифровые камеры имели около 300 тысяч таких элементов. В современных моделях число элементов достигает 16 миллионов.

Разрешающая способность или оптическое разрешение цифрового фотоаппарата основывается на количестве горизонтальных и вертикальных элементов изображения, которые он может захватить. Эти элементы изображения называются пикселами. Чем больше количество пикселов по горизонтали и вертикали может быть захвачено, тем выше разрешающая способность камеры и, следовательно, более четким получается изображение и более мягкими цветовые переходы.

Обычно разрешение цифрового фотоаппарата соответствует количеству элементов CCD-матрицы. Например, матрица камеры Canon EOS 5D, размер кадра которой совпадает с размером кадра стандартной 35-миллиметровой пленки (36 x 24 mm), содержащая 13 миллионов элементов (13 мегапикселов), обеспечивает разрешение 4288x2856, т.е. 4288 пикселов по горизонтали и 2856 пикселов по вертикали. Если вы перемножите эти числа, то получите приблизительно 13 миллионов.

А матрица цифрокомпакта Nikon Coolpix P5000 имеет физический размер 7.2 x 5.3 mm. Она содержит 10,4 миллионов элементов, хотя ее площадь в 16 раз меньше матрицы камеры Canon EOS 5D. И это сказывается на качестве изображения.

Поэтому, КОЛИЧЕСТВО ЭЛЕМЕНТОВ матрицы НЕ ВСЕГДА является основной характеристикой цифрового фотоаппарата. А ФИЗИЧЕСКИЙ РАЗМЕР МАТРИЦЫ является важнейшим показателем при выборе цифровой камеры.

Требования печати. Камеры с CCD-матрицами, содержащими более 3 миллионов элементов, позволяют получать снимки с максимальным разрешением 2048х1536 пикселов. Такое разрешение считается достаточным даже для печати. А для просмотра на экране достаточным будет разрешение 1024х768.

Мы уже говорили о том, что для получения наилучшего качества печатного оттиска, используемого в полиграфии, разрешение изображения должно в 1,5 раза превышать частоту полутонового растра (линиатуру), используемую при печати. Напомним также, что высококачественные изображения в полиграфии печатаются с линиатурой 150 lpi (линий на дюйм) и выше. Это значит, что если планируется напечатать снимок в журнале, то его разрешение должно быть не менее чем 225 ppi (точек на дюйм). Если вы предполагаете напечатать фотографию с таким разрешением размером 18х13 см, или, что то же самое, 7,10 х 5,12 дюйма, то, умножив эти значения на 225, получите требуемую для такого снимка разрешающую способность камеры: 7,10 х 225 = 1597; 5,12 х 225=1152. Это значит, что для поставленной задачи вполне пригодна камера со стандартным оптическим разрешением 1600х1200 и выше. Если же вам потребуется печатать снимки высокого качества большего размера, чем 18х13, то придется использовать фотоаппарат с более высоким оптическим разрешением. При использовании камеры с максимальным разрешением 640х480 пикселов оптимальный размер изображения с разрешением 225 ppi будет равен 2,84х2,13 дюйма (640:225=2,84, 480:225=2,13) или 7,2х5,4 см. Повторим, что приведенные расчеты касаются подготовки фотографий для полиграфического воспроизведения. Для качественной печати на принтерах Epson, например, достаточно разрешения 150 ppi, при котором большинство людей не сможет увидеть никаких артефактов. Это достигнуто технологией печати.