Солнцем цифры не испортишь или О цифровых источниках получения изображений

Юрий Самарин, докт. техн. наук, профессор МГУП им. Ивана Федорова

Цифровые фотоаппараты (камеры) теперь повсеместно используются в журналистике, издательском деле и полиграфии. Цифровой фотоаппарат по конструкции схож с обычным фотоаппаратом, но вместо фотопленки, на которой фиксируется изображение, у него имеются специальные датчики (фотоматрицы): матричные приборы с зарядовой связью — ПЗС (Charge Coupled Device, CCD) или комплементарные металлооксидные полупроводниковые приборы КМОП (Complementary Metal­Oxide Semiconductor, CMOS). Эти датчики преобразуют проецируемое на них объективом изображение в цифровую форму.

Известно несколько вариантов конструкции цифровых фотоаппаратов: камеры с задней разверткой, трехкадровые камеры и однокадровые камеры с одной или тремя фотоматрицами. В настоящее время в основном применяются однокадровые фотокамеры.

Рис. 1. Принцип действия камеры с задней разверткой

Рис. 2. Принцип действия трехкадровой камеры

Камера с задней разверткой производит сканирование в плоскости изображения. Принцип работы такой камеры (рис. 1) напоминает технологию сканирования, реализованную в сканерах с построчным считыванием информации. Сканирующая головка, содержащая линейку светочувствительных ПЗС, перемещается с небольшим шагом вдоль задней фокальной плоскости камеры поперек изображения, регистрируя за каждый шаг одну строку пикселов. Камеры, в которых применяется такой принцип, позволяют получать изображения с высоким разрешением, но время экспозиции может достигать нескольких минут, что делает технику задней развертки непригодной для съемки движущихся объектов или при работе со вспышкой. Во время сканирования затвор камеры остается открытым, поэтому необходимо применять постоянное освещение, так как ни вспышка, ни стробоскоп в данном случае не годятся.

Трехкадровая камера предназначена для регистрации цветных изображений неподвижных объектов (рис. 2). В качестве светочувствительного датчика используется двумерная матрица ПЗС. Плоские двумерные матрицы имеют гораздо меньшее разрешение, чем линейные. Каждый элемент матрицы формирует одну точку изображения. Экспозиция производится с такой скоростью, что можно пользоваться освещением от обычной вспышки.

Для регистрации цветного изображения нужно сделать три отдельных снимка через три светофильтра (красный, зеленый и синий). Между экспонированиями диск со светофильтрами поворачивается таким образом, чтобы в момент съемки перед матрицей находился красный, зеленый или синий фильтр.

Технология, реализованная в однокадровых камерах с одной матрицей, обеспечивает высокую скорость оцифровывания изображения, но характеризуется более низким разрешением и худшей цветопередачей, чем «многоснимочная» технология. Такие камеры называются также камерами с вычислением цветов.

Как и в трехкадровой, в однокадровой камере с одной матрицей (рис. 3) применяется плоская матрица, но данные о цвете регистрируются не через отдельные фильтры, а через нанесенный на поверхность ПЗС­матрицы пленочный фильтр, состоящий из красных, зеленых и синих элементов. Данные о каждой точке изображения регистрируются только в одном из трех цветов (например, в красном). Для добавления к нему надлежащих долей зеленого и синего программа обработки интерполирует данные о цветах соседних точек. Поскольку требуется всего одна экспозиция, однокадровые камеры обеспечивают съемку движущихся объектов.

Рис. 3. Принцип действия однокадровой камеры с одной матрицей

Рис. 4. Принцип действия однокадровой камеры с тремя матрицами

Принцип действия однокадровой камеры с тремя матрицами (камеры для однокадровой цветной съемки), в состав которой входят три матрицы, заключается в расщеплении приходящего света на красную, зеленую и синюю составляющие, причем каждая из них направляется на свою матрицу (рис. 4). В одних моделях каждая матрица регистрирует свой цвет, в других — объединяются плоская матрица, на поверхность которой нанесены красный и синий пленочные фильтры, и две дополнительные матрицы с зелеными фильтрами. Во втором случае интерполяция производится только по двум цветам, что приводит к повышению качества зафиксированного изображения. Недостаток этого способа регистрации — относительно невысокое разрешение.

Рис. 5. Структурная схема цифрового фотоаппарата

Несмотря на конструктивные различия, цифровые фотоаппараты разного типа имеют в общем одну структуру (рис. 5).

Основными компонентами цифрового фотоаппарата являются объектив, фотоматрица (ПЗС или КМОП), жидкокристаллический дисплей (ЖКД), звуковая карта, карта памяти и процессор, в состав которого входят аналого­цифровой преобразователь, устройство управления экспозицией и фокусировкой и устройство формирования файла и сжатия цифрового изображения.

Объектив фотоаппарата представляет собой набор линз, вставленных в тубус, и предназначен для формирования резкого изображения на поверхности светочувствительного сенсора (ПЗС или КМОП), расположенного в фокальной плоскости объектива.

В современных цифровых фотоаппаратах применяются объективы с переменным фокусным расстоянием, которые имеют сложную оптическую схему, так как при любом положении его подвижных элементов требуется сохранять аберрации в заданных пределах.

Среди технических характеристик объектива важнейшей является разрешающая способность, которая определяет возможности объектива передавать мелкие детали. Измеряется разрешающая способность объектива в линиях на миллиметр, для чего фотографируют испытательную таблицу — специальное тестовое изображение с тонкими линиями. То место, где отдельные линии становятся неразличимы, считается порогом разрешающей способности. Разрешающая способность объектива в оптическом центре линз всегда выше, чем по краям. Хорошим считается объектив, у которого разница между разрешающей способностью в центре и по краям кадра не превышает 30%.

Рис. 6. Зависимость углов обзора от фокусного расстояния объектива

Объективы современных цифровых фотоаппаратов имеют просветление, которое позволяет избавиться от так называемых паразитных лучей, возникающих вследствие попадания в объектив лучей света под большим углом. Поверхность линзы преломляет эти лучи, которые затем многократно отражаются от поверхности внутренних линз. Паразитные лучи не участвуют в построении изображения на поверхности светочувствительного сенсора. Чтобы избавиться от паразитных отражений, переднюю линзу объектива покрывают просветляющим слоем полимера, имеющего иной коэффициент преломления, нежели стекло передней линзы. Толщина слоя подбирается под длину светового луча определенного участка спектра. При попадании на линзу объектива бокового светового луча он отражается от внутренней поверхности просветляющей пленки, возвращается и складывается с совпадающим по фазе колебаний основным световым лучом, участвующим в построении изображения, усиливая при этом общий световой поток. В результате пленка улучшает светопропускающую способность объектива, поэтому и называется просветляющей.

Просветляющее покрытие изготавливается многослойным — оно включает до десяти слоев, расположенных один над другим. Каждый слой настроен на волны определенного участка спектра, поэтому покрытие в целом способно работать с волнами любой длины.

Важнейшей характеристикой цифрового фотоаппарата является фокусное расстояние объектива, вернее — оптический зум (zoom), который определяет способность объектива варьировать фокусное расстояние при неизменном положении плоскости изображения (фотоматрицы). Варьирование фокусного расстояния позволяет динамически изменять масштаб съемки, увеличивать или уменьшать размеры изображения. При изменении масштаба в объективе происходит перестановка линз, в результате которой меняется фокусное расстояние.

На любительских камерах зум фотоаппарата обычно обозначается кратностью (отношение минимального фокусного расстояния к его максимальному значению). Например, зум фотоаппарата 4х — это 4­кратный зум.

На профессиональных камерах указывается непосредственно фокусное расстояние объектива, например 24­70 мм — минимальное и максимальное фокусные расстояния соответственно.

Наряду с оптическим зумом цифровые фотоаппараты обладают цифровым зумом, с помощью которого происходит «программное» увеличение изображения: картинку, которую фотоаппарат получает через объектив, он кадрирует (вырезает и увеличивает фрагмент). При этом снижается качество изображения: возрастает количество шумов, теряется детализация и падает разрешение. При цифровом зуме, увеличивающем изображение вдвое, разрешение 12 мегапикселов превращается в 3 мегапиксела.

От величины фокусного расстояния объектива зависит угол обзора. Чем меньше фокусное расстояние объектива, тем больше угол обзора и, наоборот, чем больше фокусное расстояние, тем меньше угол обзора объектива. На рис. 6 приведены примерная схема углов обзора и фокусных расстояний и классификация объективов.

Длинные фокусные расстояния позволяют снимать удаленные предметы крупным планом с большим увеличением. При фотографировании с большим увеличением особенно сложно стабилизировать изображение из­за дрожания рук фотографа, что приводит к смазыванию кадра. Современные цифровые фотоаппараты снабжены системой стабилизации изображения. Для этого в них встроены специальные сенсоры, работающие по принципу гироскопов или акселерометров. Эти сенсоры постоянно определяют углы поворота и скорости перемещения фотоаппарата в пространстве и выдают команды электрическим приводам, которые отклоняют стабилизирующий элемент объектива или матрицу.

Стабилизирующий элемент объектива, подвижный по вертикальной и горизонтальной осям, по команде с сенсоров отклоняется электрическим приводом системы стабилизации так, чтобы проекция изображения на матрице полностью компенсировала колебания фотоаппарата за время экспозиции.

В результате при малых амплитудах колебаний фотоаппарата проекция всегда остается неподвижной относительно матрицы, что и обеспечивает картинке необходимую четкость. Однако наличие дополнительного оптического элемента снижает светосилу объектива.

В некоторых цифровых моделях движение (дрожание) фотоаппарата компенсируется не оптическим элементом внутри объектива, а его матрицей, закрепленной на подвижной платформе.

Подобные объективы являются более дешевыми, простыми и надежными, стабилизация изображения работает с любой оптикой. Это важно для зеркальных фотоаппаратов, имеющих сменную оптику. Стабилизация со сдвигом матрицы, в отличие от оптической, не вносит искажений в изображение и не влияет на светосилу объектива. В то же время считается, что стабилизация со сдвигом матрицы менее эффективна, нежели оптическая стабилизация, так как с увеличением фокусного расстояния объектива матрице приходится совершать слишком быстрые перемещения со слишком большой амплитудой и она не успевает за «ускользающей» проекцией.

Существует электронная (цифровая) стабилизация изображения, при которой примерно 40% пикселов на матрице отводятся на стабилизацию изображения и не участвуют в формировании картинки. При дрожании видеокамеры картинка «плавает» по матрице, а процессор фиксирует эти колебания и вносит коррекцию, используя резервные пикселы для компенсации дрожания изображения. Такая система стабилизации широко применяется в цифровых видеокамерах с матрицами небольшого разрешения — имея более низкое качество, чем прочие типы стабилизации, она оказывается дешевле, поскольку не содержит дополнительных механических элементов.

Существует три типичных режима работы системы стабилизации изображения: однократный, или кадровый, непрерывный и режим панорамирования.

В однократном, или кадровом, режиме система стабилизации активируется только на время экспозиции в момент съемки, что теоретически наиболее эффективно, так как требует минимальных корректирующих перемещений.

В непрерывном режиме система стабилизации работает постоянно, что облегчает фокусировку, но эффективность при этом может оказаться несколько ниже, поскольку в момент экспозиции корректирующий элемент может быть уже смещенным, что снижает его диапазон корректировки. Кроме того, в непрерывном режиме система потребляет больше электроэнергии, что приводит к более быстрой разрядке аккумулятора.

В режиме панорамирования система стабилизации компенсирует только вертикальные колебания. При фотографировании с большим увеличением или при больших выдержках рекомендуется использовать штатив.

Диафрагма фотоаппарата — это устройство, которое влияет сразу на два параметра объектива: светосилу, определяющую количество света, проходящего внутрь фотоаппарата, и глубину резкости, от которой зависит величина предельного несовпадения плоскости светочувствительного материала (в пленочном фотоаппарате) или фотоматрицы (в цифровом фотоаппарате) и плоскости оптического изображения, воспроизводимого на этом материале.

При несовпадении этих плоскостей  изображение получается нерезким.

Диафрагма предназначена для ограничения пучков лучей в оптической системе и позволяет регулировать освещенность фотоматрицы путем изменения диаметра (апертуры) отверстия входного зрачка объектива.

Рис. 7. Изменение апертуры диафрагмы

Широкое применение имеют ирисовые диафрагмы, плавно изменяющие в заданных пределах действующее отверстие объектива. Ирисовая диафрагма состоит из набора тонких дугообразных пластинок (лепестков), кольцевой оправы и поворотного кольца (коронки). На концах лепестков имеются штифты. Один штифт (осевой) каждого лепестка входит в отверстие кольцевой оправы, другой (ведомый) — в соответствующий радиальный паз поворотного кольца. При повороте коронки все лепестки поворачиваются в оправе, изменяя диаметр отверстия диафрагмы.

На рис. 7 схематически показано действие ирисовой диафрагмы при изменении ее апертуры от f/2 до f/22.

Для открывания пути прохождения света в оптическую систему объектива и экспонирования фотоматрицы цифровые фотоаппараты оснащаются механическими или электронными затворами. Механический затвор фотоаппарата приоткрывает шторки для попадания света на фотоматрицу. От продолжительности приоткрытия затвора (выдержки) зависит экспозиция кадра. Электронный затвор встроен в фотоматрицу и управляет ее включением и выключением.

Цифровые фотоаппараты можно разделить по конструкции оптической системы на два типа (рис. 8): зеркальная фотокамера и цифровой компакт. При этом основным признаком типа является система визирования изображения. В процессе визирования фотограф рассматривает в видоискатель оптическое изображение, которое он собирается зарегистрировать в виде цифровых данных.

Рис. 8. Оптическая система цифрового фотоаппарата: а — зеркальной фотокамеры; б — цифрового компакта

Рис. 9. Светочувствительный элемент фотоматрицы с цветным фильтром и микролинзой

Оптическая система зеркальной фотокамеры (см. рис. 8а) состоит из объектива 1, датчика системы автофокусировки 2, зеркала автофокусировки 3, затвора 4, фотоматрицы 5, поворотного зеркала 6, окуляра видоискателя 7, пентапризмы 8 и фокусировочного экрана 9.

В зеркальной камере при визировании фотограф наблюдает в видоискатель оптическое изображение, спроецированное на фокусировочный экран. Изображение на фокусировочном экране 9 формируется тем же световым пучком, который проецируется на фотоматрицу 5 в момент фотосъемки. Достигается это с помощью поворотного зеркала 6, благодаря которому конструктивный тип фотокамер и получил свое название. Зеркало может фиксироваться в двух положениях. В процессе визирования оно направляет прошедший через объектив световой пучок на фокусировочный экран, а в момент съемки зеркало 6 поднимается, открывается затвор 4, и световой поток попадает непосредственно на фотоматрицу 5. Кроме контроля над будущим снимком, зеркальная камера дает возможность использовать разные объективы, которые конструктивно и оптически совместимы с данной камерой. Большинство профессиональных и полупрофессиональных камер являются зеркальными.

С применением пентапризмы 8, которая имеет крышеобразную (первую по ходу лучей света) отражающую грань, становится возможным наблюдать в окуляр 7 прямое изображение. Фокусировочный экран 9 предназначен не только для того, чтобы на его матированной стеклянной поверхности формировалось спроецированное изображение объекта съемки, но и для точной фокусировки в ручном (не автоматическом) режиме. Соответствие границ изображения, наблюдаемого через видоискатель, тому, что проецируется на матрицу (поле зрения видоискателя), является важной характеристикой качества зеркальной камеры. У хороших камер оно составляет 90­100%. Меньшие показатели заставляют фотографа делать мысленную поправку, учитывая, что реально снятый кадр будет несколько больше того, что он видит в видоискателе.

В цифровом компакте (см. рис. 8б) световой поток всегда направлен на светочувствительную матрицу 5, данные об изображении с которой после соответствующих преобразований в электронном блоке 6 обработки видеосигнала поступают на жидкокристаллический экран малогабаритного дисплея 7. В момент фотографирования срабатывает затвор 4, который закрывается, открывается на время экспонирования и после получения данных об изображении закрывается и снова открывается для визирования следующего кадра. Такой системе визирования присущи следующие недостатки: жидкокристаллический экран имеет ограниченное разрешение и ограниченный цветовой охват, поэтому по изображению на небольшом экране сложно оценить резкость. Преимущество данной системы в том, что яркость изображения на электронном экране может быть всегда достаточной для комфортного просмотра, в то время как в зеркальных камерах яркость изображения в видоискателе зависит от условий освещенности объекта или вспышки. Разрешение встроенных дисплеев в современных цифровых камерах обычно составляет 230 000 пикселов, но может достигать 920 000 пикселов при размере экрана 2­3 дюйма.

Цифровые фотоаппараты снабжены системой автоматической фокусировки объектива — так называемым автофокусом. Автофокус построен на основе оптико­электронных устройств, которые оценивают резкость создаваемого объективом оптического изображения. Результаты этой оценки обрабатываются процессором и преобразуются в сигнал управления встроенными в объектив миниатюрными электроприводами подвижных компонентов объектива. Автофокус осуществляет настройку фотоаппарата на съемку конкретного объекта быстрее, чем это делает фотограф вручную с помощью видоискателя.

Применяются два режима работы системы автофокуса: контрастно­детекторный и фазодетекторный. Цифровой компакт наводит на резкость, ориентируясь на контраст оптического изображения, сфокусированного объективом в целом в плоскости фотодетектора 2 (см. рис. 8б), — это контрастно­детекторный метод.

Принцип работы контрастно­детекторной системы автофокуса основан на том, что диапазон яркостей — разность яркостей между самым ярким и самым темным участками — в сфокусированном изображении больше, чем в размытом.

В цифровых компактах сигнал изображения, снимаемый с фотоматрицы 5 (см. рис. 8б), используется для работы системы автофокусировки. Система управления постепенно перемещает подвижные линзы объектива, фокусируя объектив. По мере наводки объектива на резкость изображение становится более контрастным.

В зеркальных камерах применяется фазодетекторный метод, при котором автофокус работает с несколькими резкими изображениями, сформированными разными частями объектива.

Принцип работы фазодетекторного способа автофокусировки основан на том, что в сфокусированном состоянии различные области объектива формируют в фокальной плоскости одинаковые оптические изображения, которые, будучи совмещенными друг с другом, формируют одно резкое изображение предмета. Если же объект не сфокусирован, то в плоскости фотодетектора формируется несколько сдвинутых друг относительно друга изображений предмета.

При хорошей фокусировке все лучи, исходящие из одной точки предмета, фокусируются в одну точку на фотодетекторе. В результате сенсор захватывает одно резкое и контрастное изображение предмета, которое и фотографируется.

На большинстве цифровых фотоаппаратов установлена встроенная вспышка. Такое приспособление способно осветить пространство на расстоянии не более 3 м от фотографа. Необходимость в ней появляется, когда недостаточно естественного или искусственного освещения. Вспышка применяется при репортажной съемке. В случае если светит солнце или есть возможность осветить объект лампами, она не нужна. Если расстояние до объекта более 3 м, приходится использовать отдельную, более мощную вспышку; для нее на многих аппаратах предусмотрены специальные крепежные салазки и контакт синхронизации. Объект, расположенный дальше 10 м, не удастся осветить никакой вспышкой.

Элементы ПЗС­ и КМОП­матриц примерно одинаково чувствительны ко всем цветам видимого спектра света. Поэтому для получения цветного изображения в цифровых фотоаппаратах применяются в основном три технологии цветоделения, каждая из которых имеет свои достоинства и недостатки. В первой технологии используются специальные цветоделительные призмы с дихроичными светофильтрами и три фотоматрицы (3 CCD), каждая из которых создает цифровое цветоделенное изображение одного из основных цветов: красного, зеленого, синего (цветовая модель RGB). Во второй технологии применяются цветоделительные светофильтры Байера и одна фотоматрица, а в третьей — специальные «трехслойные» фотоматрицы, каждая из которых позволяет получить сразу все три цветоделенных изображения.

Достоинствами использования цветоделительных призм являются:

• лучшая передача цветовых переходов, полное отсутствие цветного муара;
• отсутствие алгоритмов для восстановления потерянной информации, обязательных для одноматричных систем с массивом цветных фильтров;
• более высокое разрешение, так как каждая из трех матриц полностью используется для создания цифрового цветоделенного изображения;
• возможность цветокоррекции за счет постановки дополнительных фильтров перед отдельными матрицами, что позволяет добиться гораздо более высокой цветопередачи при нестандартных источниках света;
• возможность повышения эффективного разрешения вдвое по одной из координат путем сдвига трех матриц друг относительно друга на 1/3 пиксела и проведения интерполяции трех изображений с учетом этого сдвига.

Недостатками этой технологии являются:

• принципиально большие размеры цифрового фотоаппарата из­за наличия трех фотоматриц и использования объективов с большими рабочими отрезками;
• проблема сведения цветов, для решения которой требуется точная юстировка. Чем больше размер матриц и выше их физическое разрешение, тем сложнее добиться необходимого класса точности.

В технологии с применением цветоделительных светофильтров на каждом светочувствительном элементе фотоматрицы устанавливается светофильтр, который пропускает свет с определенным спектром излучения. Часто в таких фотоматрицах цветной фильтр сверху закрывается микролинзой (рис. 9), которая служит для дополнительной фокусировки света, что повышает светочувствительность матрицы.

Наиболее популярным массивом цветных фильтров на фотоматрице является байеровский RGBG­фильтр, построенный по цветовой модели Брайса Байера (Bryce Bayer) в начале 70­х годов прошлого века компанией Kodak. Фильтры, построенные по принципу Байера (рис. 10), выглядят мозаичными с преобладанием зеленого цвета.

Рис. 10. Фильтр Байера

Особенно важным здесь является наличие преобладающего цвета (не обязательно зеленого), который служит для обеспечения частоты дискретизации яркостного канала, превышающей частоту двух оставшихся цветовых. Подобный принцип реализован и в телевидении. Зеленый цвет выбран в качестве яркостного канала только потому, что кривая чувствительности глаза человека по яркости имеет максимум около 550 нм, что соответствует именно зеленому тону. Да и число рецепторов, чувствительных к зеленому цвету, на сетчатке глаза вдвое больше, чем тех, которые воспринимают красный или синий цвет.

Если взять элементарный байеровский квадрат 2Ѕ2, на котором один синий элемент, один красный и два зеленых (RGBG), то можно определить яркость по зеленому, а цвет пиксела (RGB­значение) получить в результате интерполяции — усреднения по нескольким близко расположенным ячейкам одного цвета. Из­за того, что цвет итогового пиксела изображения размывается по нескольким соседним ячейкам, происходят потери в цветопередаче и в разрешении. Например, резкие контуры (цветовые переходы) размываются, мелкие детали (сравнимые по размеру с шириной интерполяции) теряются, а на изображении может появиться дефект, который называется Blooming (расплывание). Это становится возможным тогда, когда изображение имеет сильную локальную контрастность, то есть если светлый объект находится по соседству с темным. При увеличении этой области фотографии можно увидеть, что пикселы на их границах имеют очень странные цвета. Дело в том, что алгоритмы обработки изображения не могут разобраться в цвете на границе контрастных областей, ведь при интерполяции они переходят на соседнюю область, что дает неправильные яркость и тон.

С ростом вычислительной мощности процессоров цифровых камер линейная интерполяция постепенно заменяется кубической, сплайновой и другими видами. Если алгоритм получения изображения настолько сложен, что его трудно реализовать в самом фотоаппарате, то его можно применить в программных RAW­конверторах. Для этого после сохранения фотографии в RAW­формате, когда изображение не подвергается обработке внутри камеры, в файл записываются данные, полученные напрямую с матрицы, а процесс интерполяции, повышения четкости, подавление шумов и другие операции со снимками выполняют на компьютере.

В последние годы производители цифровых фотоаппаратов с целью повышения разрешения и улучшения цветопередачи пытаются модернизировать классический фильтр Байера. Например, фирма Sony предлагает использовать матрицы с четырехцветным RGBE (Emerald — изумрудный) фильтром. Применение такой технологии, по сравнению с классическими трехцветными фильтрами Байера, обеспечивает более естественную передачу цвета. Четырехцветный фильтр, в котором к привычным цветам RGB добавлен изумрудный (Emerald, E), позволяет наполовину уменьшить количество ошибок при конвертировании цвета и приблизить качество снимков к натуральной гамме цветов, воспринимаемой человеческим зрением.

Предлагается также (фирма Kodak) вместо классического фильтра Байера использовать в качестве четвертого, добавочного светочувствительного сенсора сенсор, не покрытый светофильтром (W). Данный тип сенсора чувствителен ко всем зонам видимого спектра, что позволяет сократить потерю светлоты в изображении. Вследствие этого RGBW­фильтры, изготовленные по данной технологии, обладают лучшим, по сравнению с RGB­фильтром, соотношением «сигнал/шум». Наличие W­сенсоров также приводит как к повышению монохроматической чувствительности матрицы, так и к улучшению разрешающей способности в условиях недостаточной освещенности, например при использовании осветительной аппаратуры с узким спектром излучения или при съемке в условиях вечернего либо ночного освещения, что вызвано увеличением актиничного потока излучения.

RGBW­фильтр имеет свои недостатки: в режиме работы в нормальных световых условиях неизбежны потери мелких цветовых деталей. На сенсорах есть области 2Ѕ2 пиксела, состоящие только из W­ и B­сенсоров. В этих областях невозможно выделить цвет изображения по осям R и G. При совпадении же тонкой цветной линии с одним из выделенных направлений в матрице она может даже пропасть или стать пунктирной.

RGBW­фильтры могут различаться между собой расположением в ячейке светочувствительных сенсоров. Однако такие альтернативные схемы не получили широкого распространения и сегодня в большинстве цифровых камер по­прежнему применяются классические байеровские фильтры.

При использовании трехслойных фотоматриц Х3 (матрицы компании Foveon) цветоделение на основные цвета RGB проводится в толщине полупроводникового материала послойно, с применением физических свойств кремния, заключающихся в том, что с увеличением длины волны световых волн растет и глубина их проникновения в кремний (рис. 11а). Фотодиоды, созданные чередованием зон проникновения света, размещают один под другим на характерных глубинах для улавливания фотонов синего, зеленого и красного цветов.

Рис. 11. «Трехслойная» фотоматрица: а — принцип действия; б — структура фотоматрицы

Синяя часть спектра поглощается верхним слоем (толщина 0,2 мкм), зеленая — средним (толщина 0,4 мкм), а красная — нижним (более 2 мкм). Толщина каждого слоя выбрана по результатам экспериментальных исследований глубины проникновения квантов соответствующего спектрального диапазона в кремний. Слои, в которых происходит фотоэффект, разделены дополнительными тонкими зонами низколегированного кремния и имеют отдельные выводы сигнала.

Таким образом, получается датчик, регистрирующий информацию о всех трех цветовых компонентах изображения в одной точке, точно соответствующей координатам формируемого пиксела.

Благодаря малой (менее 5 мкм) толщине сенсора возможное влияние хроматических аберраций на изображение минимально. Однако, как и в других разновидностях матриц, поглощение красной части спектра происходит на максимальной глубине. В результате паразитной диффузии фотоэлектронов и засветки косыми лучами в области максимальных длин волн происходит дополнительное размытие изображения. Этот эффект затрудняет дальнейшее уменьшение размера элемента и повышение разрешения.

Достоинствами «трехслойных» фотоматриц является то, что они не требуют установки цветных фильтров и в связи с этим повышения соотношения «сигнал/шум», так как фильтры поглощают примерно 2/3 светового сигнала, а также потенциально более высокое разрешение.

Недостатками «трехслойных» фотоматриц следует считать невысокую точность цветопередачи, так как в наибольшей степени она определяется свойствами кремния, а также относительно высокий уровень цифрового шума из­за того, что часть фотонов поглощается в «не своей» области.

Одной из важнейших характеристик фотоматриц является чувствительность — способность определенным образом реагировать на оптическое излучение, то есть генерировать электрический заряд. Чем выше чувствительность, тем меньшее количество света требуется для реакции фотоматриц при регистрации изображения. Чувствительность измеряется в единицах ISO (International Standards Organization — Международная организация стандартов). Различают интегральную и монохроматическую чувствительность.

Интегральная чувствительность представляет собой отношение величины фототока (в миллиамперах) к световому потоку (в люменах) от источника излучения, спектральный состав которого соответствует вольфрамовой лампе накаливания. Этот параметр позволяет оценить чувствительность сенсора в целом.

Монохроматическая чувствительность есть отношение величины фототока (в миллиамперах) к величине световой энергии излучения (в миллиэлектронвольтах), соответствующей определенной длине волны. Набор всех значений монохроматической чувствительности для интересующей части спектра составляет спектральную чувствительность — зависимость чувствительности от длины волны света. Таким образом, спектральная чувствительность показывает возможности сенсора по регистрации оттенков определенного цвета.

В характеристиках цифрового фотоаппарата обычно приводят так называемую эквивалентную чувствительность ПЗС­матрицы, указываемую в общепринятых единицах ISO в виде диапазона (ISO 100­800) либо набора значений (ISO 50, 100, 200, 400). Вычисляется она каждым производителем по­своему, но в основу расчетов положена пара стандартных формул для определения экспозиционного числа (индекса).

Экспозиционный индекс EV выражает значение экспозиции в логарифмической шкале, которая удобна тем, что вместо перемножения коэффициентов можно просто складывать соответствующие индексы.

Экспозиционный индекс равен:

EV = S + N,

где S — индекс чувствительности фотоматрицы; N — индекс освещенности.

За N = 0 принята освещенность, при которой фотоматериал светочувствительностью 100 единиц ISO при экспонировании с относительным отверстием 1:1 и выдержкой 1 с получает корректную экспозицию.

Соотношение индекса чувствительности и единиц чувствительности ISO представлено в табл. 1.

Экспозиционный индекс может быть выражен через индекс А диафрагменного числа К объектива и индекс Т выдержки t:

EV = A + T.

В табл. 2 представлена зависимость экспозиционного индекса EV для различных комбинаций стандартных значений диафрагменного числа К и выдержки t. Любая комбинация выдержки и диафрагменного числа, если сумма их индексов, значения которых указаны соответственно в первом столбце (индекс выдержки Т) и первой строке таблицы (индекс диафрагменного числа А), одинакова и обеспечивает одинаковую экспозицию.

Цифровые фотоаппараты настраиваются на нужную для фотографирования экспозицию автоматически. При этом путем анализа индексов освещенности и чувствительности встроенный в цифровой фотоаппарат фотоэкспонометр достаточно точно определяет значение экспозиции, при которой объекты со средней отражательной способностью попадают в среднюю часть диапазона фотографической широты. В большинстве случаев автоматическая настройка параметров съемки (диафрагменное число, выдержка) оказывается корректной.

Таблица 1. Соотношение индекса чувствительности и единиц ISO

В ситуациях, когда осуществляется фотографирование объектов с очень высокой или низкой отражательной способностью, возникает необходимость вводить в ручном режиме экспокоррекцию в автоматическую настройку экспозиции. Современные цифровые фотокамеры позволяют осуществлять экспокоррекцию в диапазоне ±2 EV ступенями в 1/3 EV или даже точнее.

Одним из параметров цифрового фотоаппарата является размер фотоматрицы, который складывается из размеров светочувствительных элементов и расстояния между ними. Больший размер матрицы при одинаковом разрешении позволяет иметь большие размеры светочувствительных ячеек, которые с большей площади могут накопить больший электрический заряд. Это позволяет получить высокую чувствительность и широкий динамический диапазон. При одинаковом количестве светочувствительных ячеек фотокамера с матрицей большего размера снимает более качественные изображения.

Матрицы цифровых фотоаппаратов принято характеризовать числом, указывающим на диагональ сенсора в долях дюйма (1/2,5, 1/1,8, 2/3 и т.д.). Данное число, именуемое формфактором, не соответствует реальной диагонали матрицы, составляющей примерно 2/3 от формфактора. Например, ПЗС­матрица с формфактором 1/1,8 имеет диагональ 9 мм. Несовпадение это вызвано тем, что термин «формфактор», описывающий размер регистрирующего элемента, перекочевал в цифровую фотографию из телетехники. Размеры матриц даже одного формфактора, но разных производителей могут немного различаться.

В пленочных фотоаппаратах применялась 35­мм фотопленка с размером кадра 36Ѕ24 мм. В большинстве цифровых фотоаппаратов используются сенсоры меньшего размера. В очень дорогих зеркальных фотокамерах применяются полноформатные сенсоры, размер которых равен кадру 35­мм пленки и даже еще больше. Например, известны цифровые фотокамеры с полноформатными сенсорами размером 48Ѕ36 мм и разрешением 28 и 33,3 Мпикс.

Процессор в цифровых фотоаппаратах управляет работой затвора, объективом, вспышкой, определяет экспозицию, формирует и выдает на дисплей информацию о выбранных режимах съемки, настройках, само изображение и т.д.

Рис. 12. Схема процесса оцифровывания изображения цифровым фотоаппаратом

На рис. 12 представлена схема процесса оцифровывания оптического изображения, сформированного объективом цифрового фотоаппарата на светочувствительных элементах фотоматрицы.

Светочувствительные элементы фотоматрицы фиксируют монохромное изображение, точнее величину яркости каждого пиксела, для трех основных цветов: красного, зеленого и синего.

Оцифрованные АЦП данные в процессоре преобразуются в изображение на основе внесенных производителем алгоритмов (программного обеспечения). Алгоритмы определяют координаты полученных от сенсора точек и присваивают им значения трех основных цветов (RGB), из которых формируются все возможные из воспроизводимых оттенки. Процессор учитывает цифровое значение уровней сигнала в трех каналах основных цветов соседних пикселов. Такая операция преобразования называется demosaic. Процессор также регулирует яркость, контрастность, насыщенность, резкость изображения, убирает шумы, при этом учитываются особенности человеческого зрения. В некоторых моделях применяется несколько процессоров, каждый из которых выполняет отдельные задачи. Процессор камеры преобразует поток данных в файл изображения в формате JPEG, TIFF или RAW. К этому файлу прикрепляются и метаданные фотографии (значение диафрагмы, выдержки, баланс белого, коррекция экспозиции, режим съемки и работы вспышки, чувствительность, фокусное расстояние, разрешение, модель камеры, версия программного обеспечения камеры, время, дата и т.д.).

Таблица 2. Экспозиционная таблица

При этом графический формат RAW, название которого в дословном переводе означает «сырой материал», представляет изображение в виде первичного необработанного цифрового оригинала. Массив данных в формате RAW содержит данные, зафиксированные (непосредственно) фотоматрицей и откорректированные в соответствии с калибровочной таблицей фотокамеры. В RAW­файл образ кадра записывается с разрядностью, с которой он был оцифрован АЦП камеры. Во многих современных моделях цифровых фотокамер используются 10­ и 12­разрядные АЦП, а следовательно, образ кадра в RAW записывается с более высокой разрядностью, нежели стандартный 8­битовый JPEG или TIFF. Если файл не записывается в форматы RAW или TIFF, то он сжимается в соответствии с выбранным пользователем коэффициентом сжатия и алгоритмами работы программного обеспечения камеры. Алгоритмы сжатия в фотоаппарате стараются соблюсти баланс между размером файла, скоростью обработки и качеством изображения.

Наиболее экономичным из упомянутых форматов является JPEG. Типичный размер 4­мегапиксельного JPEG, сохраненного с максимальным качеством, колеблется в пределах 1,8­2,5 Мбайт (в зависимости от конкретного сюжета разброс может быть и больше). Объем изображений, сохраненных в формате TIFF, для 4­мегапиксельного снимка занимает почти 12 Мбайт, а 8­мегапиксельный — 24. Объем файла формата JPEG (даже при установке минимальной степени компрессии) получается в 5­6 раз меньше аналогичного по разрешению TIFF. Файлы формата RAW содержат необработанные (или обработанные в минимальной степени) данные, что позволяет избежать потерь информации. В таких файлах находится полная информация об оцифрованном изображении, причем в несжатом виде. Поэтому файлы формата RAW имеют больший размер, чем файлы прочих форматов. После того как сформирован файл в каком­либо формате, изображение записывается либо на встроенную память, либо на съемную карту памяти.

КомпьюАрт 1'2012