Нас уже 285 346
Логин:
Пароль:
Вход через социальные сети
 

Основы фотографии #4.5

24 февраля 2015 - Новости сайта
Каждый сенсель занимает место на сенсоре. Габариты сенселя измеряются в микронах. Обычно, сенсель имеет квадратную форму, поэтому указывается длина одной грани.

С одной стороны, если габариты малы, то на одной и той же площади сенсора можно разместить больше сенселей. Чем больше сенселей будут «собирать» фотоны, тем на большее количество маленьких фрагментов можно разделить оптическое изображение, формируемое объективом. Как следствие, более мелкие детали можно запечатлеть на фотографии.

С другой стороны, чем меньше габариты сенселя, и чем плотнее друг к другу размещены сенсели, тем ниже эффективность его работы: ниже точность «подсчёта» фотонов, выше погрешности при усилении электрического заряда. Вспомните, на какие факторы технического качества влияют указанные особенности.

Также, чем меньше габариты сенселя, тем с меньшими значениями диафрагмы Вы можете фотографировать, не беспокоясь об уменьшении чёткости изображения вследствие явления дифракции. Поясню особенность на примере.

Максимальная чёткость изображения при фотографировании с камерой Canon 1D X (размер сенселя равен 6,9 микрон) может быть получена при значении диафрагмы не большем 11, с камерой Canon 60D (размер сенселя равен 4,3 микрон) – не больше 7,2 [1]. Другими словами, чёткость изображения будет уменьшаться с ростом значения диафрагмы. Но «порог», при котором чёткость начнёт уменьшаться у разных фотоаппаратов отличается.

Если Вы хотите фотографировать с большим значением диафрагмы, учитывайте, каков размер сенселя на сенсоре, установленном в Вашем фотоаппарате. Эта особенность актуальна при макросъёмке, например, ювелирных украшений.

Подробнее о явлении дифракции и его влиянии на чёткость создаваемого объективом оптического изображения читайте в статье, посвящённой оптическим свойствам и искажениям объектива.

Теперь, когда я обозначил, как размер сенселя влияет на техническое качество изображения, перейду к размерам сенсора.

Светочувствительный сенсор – это прибор прямоугольной формы, соответственно, его размеры определяются шириной и высотой. Фактические габариты сенсора менее важны на практике, чем размеры области, которая отведена для размещения сенселей, участвующих в непосредственном «сборе» фотонов. Такие сенсели называются эффективными. Общее количество сенселей, расположенных на сенсоре, может быть больше количества эффективных сенселей.

Ширина и длина области, выделяемой разработчиками под размещение эффективных сенселей, измеряется в миллиметрах. Говоря о размерах сенсора, я буду иметь в виду размеры этой области.

Соотношение длины и ширины сенсора, обычно, равно 3:2. То есть, если разделить длинную сторону на три равных части, то короткая сторона равна двум таким частям. На некоторых современных цифровых фотоаппаратах малого формата соотношение длины и ширины сенсора может равняться 4:3 (например, в беззеркальных фотоаппаратах Olympus OM-D E-M5).

Обычно, чем больше размеры сенсора и чем меньше эффективных сенселей расположено на нём (соответственно, чем больше размер каждого сенселя), тем одновременно шире диапазон чувствительности, шире динамический диапазон и ниже минимальный уровень цифрового шума. Также, чем больше размеры сенсора, тем выше его стоимость.

Пример. В современных зеркальных цифровых фотоаппаратах, предназначенных для профессиональной деятельности, на сенсоре с размерами 36 х 24 мм разработчики располагают в пределах 10 – 21 миллиона эффективных сенселей. То есть, на «выходе» можно получить 10 – 21 мегапиксельное цифровое изображение. Такое же по количеству пикселей изображение можно получить с фотоаппаратом, в котором установлен сенсор с размерами 24 х 17 мм. То есть, в полтора раза меньше. Стоимость последних фотоаппаратов находится в пределах 60 000 руб., стоимость первых начинается от названной суммы.

Резюмирую. Соотношение двух характеристик: размеры сенсора и количество сенселей на нём, – естественным образом влияют на техническое качество изображения сразу по пяти критериям.

Размеры светочувствительного сенсора влияют на глубину резко изображаемого пространства. Чем больше размеры сенсора, тем меньшей ГРИП можно достичь при неизменных значении диафрагмы, дистанции съёмки и фокусного расстояния объектива.

Разрешение сенсора – количество эффективных сенселей – влияет на изображение деталей или, другими словами, на максимальный размер отпечатка при заданной плотности печати, а также на уровень кадрирования исходного изображения. Поясню обе особенности на примерах.

Я хочу распечатать цифровое изображение в формате 20 х 30 см (близком к формату А4), чтобы отпечаток можно было комфортно просматривать на среднем расстоянии – 30-35 см. Плотность печати, соответствующая таким условиям просмотра, равна 300-ам точкам на дюйм (от англ. dots per inch – dpi). Если плотность печати будет меньше, я не смогу передать детали. Например, если распечатываемая фотография – лицевой портрет, то отдельные волоски и другие плавные линии будут выглядеть «ступенчатыми», состоять из мелких «квадратиков». Если плотность печати будет выше, то здоровый человек при непосредственном просмотре отпечатка, скорее всего, не увидит улучшений. Потому что возможности зрительной системы человека ограничены.

Одна точка на отпечатке должна соответствовать не менее, чем одному пикселу цифрового изображения, чтобы передать детали. В длинной стороне отпечатка «помещается» 11,8 дюймов (30 см / 2,54 см ~ 11,8 см). Тогда необходимо, чтобы минимальная длина цифрового изображения равнялась 3540 пикселям (11,8 дюймов * 300 точек на дюйм). Учитывая стандартное соотношение длины и ширины (3:2) сенсора, такое изображение я могу получить при следующем условии. Разрешение сенсора моего фотоаппарата должно быть равно примерно 8,4 миллионов сенселей.

Подавляющее большинство современных цифровых фотоаппаратов этому условию удовлетворяет. Другими словами, мне не нужен фотоаппарат, в котором установлен сенсор с разрешением, превышающим 10 миллионов сенселей, чтобы печатать фотографии в формате 20 х 30 см с уровнем детализации, достаточным для просмотра на «повседневном» расстоянии.

Однако, если я захочу распечатать в указанном формате лишь глаза модели, то мне придётся кадрировать исходное изображение. Пусть площадь целевого фрагмента составляет 50% от площади исходного снимка. Тогда мне понадобится фотоаппарат, в котором установлен сенсор с количеством эффективных сенселей равным 20-ти миллионам.

Теперь, когда я показал, на что влияют размеры и разрешение светочувствительного сенсора перейду к форматам. Классификация форматов светочувствительных сенсоров корнями произрастает в классификацию размеров светочувствительных слоёв, используемых в аналоговых, «плёночных», камерах.

Размеры светочувствительного слоя, в частности, сенсора, определяют его формат.

Светочувствительный слой (соответственно, и камера, в котором он установлен) относится к малому формату, если размеры слоя равны 36 х 24 мм. Средний формат обусловлен размерами светочувствительного слоя равными от 40 х 65 мм до 60 х 90 мм. Большой формат «начинается» от 80 х 100 мм.

В настоящее время выпускаются светочувствительные сенсоры малого и среднего формата. Среднеформатные сенсоры позволяют получать превосходные по техническому качеству цифровые изображения благодаря, в частности, большому разрешению (от 30 до 80 миллионов сенселей), широкому динамическому диапазону (более 14 EV), 16-ти битному аналоговому-цифровому преобразованию (возможность фиксировать более 65 тысяч тонов).

Далее, как и прежде, в статьях серии «Основы фотографии» я буду вести речь о фотоаппаратах малого формата, так как в настоящее время они более распространены.

Чтобы уменьшить стоимость цифрового фотоаппарата, а иногда его габариты и вес, размеры светочувствительного сенсора уменьшают относительно исходного формата. Например, если размеры сенсора равны 24 х 17 мм, то говорят, что сенсор имеет формат APS-C (аббр. от англ. Advanced Photo System — Classic – «Улучшенная Фотосистема — Классическая»). При этом в данном примере сенсор формата APS-C в 1,5 раза меньше исходного, малого, формата. Коэффициент уменьшения называется кроп-фактором светочувствительного сенсора.

Кроп-фактор может немного отличаться для сенсоров различных производителей. Например, у сенсоров, используемых в малоформатных фотоаппаратах производства Pentax кроп-фактор равен 1,53; у сенсоров, используемых в некоторых камерах производства Canon, кроп-фактор равен 1,63. Все указанные сенсоры будут относится к формату APS-C.

Сенсор называют полноформатным или полноразмерным (от англ. full frame – «полный кадр»), если его размеры равны размерам исходного формата. Фотоаппарат, где установлен полноформатный сенсор, могут называть полнокадровым или полноформатным. У полноразмерного сенсора кроп-фактор равен 1. Сенсоры, кроп-фактор которых больше 1, буду называть уменьшенными.

Кроп-фактор сенсоров, применяемых в компактных цифровых фотоаппаратах, может быть значительно больше 2.

В завершение приведу замечание о совместимости объективов и фотоаппаратов относительно формата сенсора.

Оптическое изображение, создаваемое объективом, должно «покрывать» светочувствительный сенсор по всей площади. Если оптическое изображение меньше по диаметру, чем окружность, в которую можно вписать прямоугольник-сенсор, то получится снимок, подобный представленному ниже:

Рис. 14. Снимок сделан с помощью полноформатной камеры с объективом, предназначенным для фотоаппаратов с сенсором формата APS-C. Изображение, сформированное объективом, занимает лишь часть кадра. По краям кадра запечатлён корпус объектива.

Таким образом, существуют объективы, которые пригодны для использования только с фотоаппаратами, где установлен уменьшенный сенсор. Габариты, вес и стоимость таких объективов ниже, потому что оптические элементы меньше по размерам. При этом, качество изображения, создаваемого такими объективами, может быть достаточно высоким.

Объективы, которые предназначены для полноформатных фотоаппаратов, подходят для использования с камерами, где установлен уменьшенный сенсор. Но стоимость, габариты и вес таких объективов выше.

Обычно, производители указывают в маркировке объектива совместимость с форматом сенсора. Например, Canon вносит обозначение в название байонета. Объективы с байонетом EF-S предназначены для фотоаппаратов, где установлен сенсор формата APS-C. Объективы с байонетом EF подходят как для полнокадрового фотоаппарата, так и для камеры с уменьшенным сенсором. Nikon обозначает объективы, предназначенные для использования с сенсорами формата APS-C, с помощью добавления буквосочетания «DX» в маркировку объектива. В частности, чтобы сделать снимок выше, я установил на полноформатную камеру Nikon D3 объектив AF DX Fisheye-Nikkor 10.5mm f/2.8G ED.

Фокусное расстояние, указываемое в маркировке и спецификации объектива, и углы поля зрения объектива соответствуют размерам сенсора малого формата. Когда объектив, предназначенный для полнокадрового фотоаппарата, установлен на камеру с уменьшенным сенсором, говорят об эффективном фокусном расстоянии объектива. Оно равно произведению фокусного расстояния объектива и кроп-фактора сенсора. Приведу пример.

Кроп-фактор сенсора равен 1,5. На фотоаппарат установлен объектив с фокусным расстоянием равным 50 мм (число указано на корпусе объектива). Сенсор уменьшенного размера будет «видеть» такую же картинку, как полноформатный сенсор, на который оптическое изображение проецирует объектив с фокусным расстоянием равным 75 мм. Углы поля зрения объектива «сузятся» в 1,5 раза.

По факту углы поля зрения и фокусное расстояние объектива не зависят от размеров сенсора. Но ощущения, которые вызывает цифровое изображение, полученное при помощи уменьшенного сенсора, соответствуют объективу с меньшими углами поля зрения и большим фокусным расстоянием, установленному на полнокадровый фотоаппарат.

Таким образом, когда Вы подбираете объектив по фокусному расстоянию, учитывайте следующее. Указанное в маркировке фокусное расстояние объектива, установленного на фотоаппараты с уменьшенным сенсором, для оценки «охвата» снимаемой сцены необходимо умножить на кроп-фактор сенсора, а углы поля зрения объектива разделить на кроп-фактор.

При расчёте глубины резко изображаемого пространства используется фокусное расстояние объектива, указанное в маркировке или в спецификации.

Завершая описание характеристик светочувствительных сенсоров, подведу промежуточные итоги. Затем, в конце раздела, приведу краткое сравнение двух типов сенсоров: ПЗС и КМОП-микросхем.

Динамический диапазон сенсора обусловливает второй фактор технического качества изображения и зависит от текущего значения чувствительности, а также совокупно рассматриваемых размера и разрешения сенсора. Чем ближе текущее значение чувствительности к базовому значению, тем шире динамический диапазон. Чем больше размеры и меньше разрешение сенсора, тем шире динамический диапазон. Ширина динамического диапазона измеряется в EV.

Точность аналогово-цифрового преобразования обусловливает первый и третий критерии технического качества изображения. Эта характеристика неизменна (в некоторых фотоаппаратах, можно выбирать между 12-ти и 14-ти битным кодированием) и не зависит от других регулируемых параметров фотоаппарата или характеристик сенсора. RAW-файл содержит больше информации о цвете и тонах, чем цифровое изображение, сформированное «конвейером» камеры.

Чувствительность сенсора к свету обусловливает пятый критерий технического качества изображения, а также оказывает посредственное влияние на все остальные критерии. Изменение чувствительности создаёт возможности для съёмки в условиях с непостоянной интенсивностью освещения, когда параметры, влияющие на экспозицию – значение диафрагмы и выдержка – необходимо зафиксировать. Чувствительность измеряется в единицах ISO. Изменение значения чувствительности в два раза, ведёт к изменению экспозиции на 1 EV. Чем шире диапазон изменения чувствительности, тем при более низкой интенсивности освещения можно вести съёмку. Чем выше текущее значение чувствительности, тем выше уровень цифрового шума и, как следствие, уровень цветовых и тоновых искажений на изображении. Цифровой шум – «издержки» – есть всегда. Для различных сенсоров уровень цифрового шума при одинаковом значении чувствительности может отличаться. Важна не только ширина диапазона, на котором меняются значения чувствительности, но и «стабильность» ширины динамического диапазона и уровня цифрового шума на некотором отрезке значений чувствительности.

Разрешение сенсора обусловливает четвёртый критерий технического качества изображения. Чем выше разрешение (количество эффективных сенселей), тем больший по размеру отпечаток цифрового изображения можно получить. Также появляются более гибкие возможности кадрирования. Чем выше разрешение сенсора, тем выше требования к оптическим свойствам и искажениям объектива.

Размеры сенсора в совокупности с его разрешением влияют на динамический диапазон и диапазон значений чувствительности. Чем выше размеры сенсора, тем меньшей глубины резко изображаемого пространства можно достичь. Чем выше размеры сенсора, тем выше его стоимость. В зависимости от размеров сенсора цифровые фотоаппараты подразделяют на камеры малого и среднего формата (теоретически, и большого формата). Для уменьшения стоимости, габаритов и веса фотоаппарата применяют сенсоры уменьшенных размеров относительно исходного формата. Уменьшение размеров сенсора определяется кроп-фактором. К формату APS-C относятся сенсоры с кроп-фактором от 1,3 до 1,74. Объективы совместимые с фотоаппаратами, в которых установлен сенсор уменьшенного размера, несовместимы с полнокадровыми фотоаппаратами. Объективы, совместимые с полнокадровыми фотоаппаратами, могут применяться с фотоаппаратами, где установлен сенсор уменьшенного размера. Соотношение длины и ширины сенсора, обычно, равно 3:2.

В завершение второго раздела, посвящённого светочувствительным сенсорам, приведу подробности о ПЗС и сенсорах, построенных по КМОП-технологии.

Сравнение ПЗС и КМОП-сенсоров

В приборе с зарядовой связью «подсчёт» фотонов, которые попали в каждый сенсель, производится за пределами области, где расположены эффективные сенсели. Усиление энергии, которую отдали фотоны, осуществляет элементы-усилители, каждый из которых обслуживает группу сенселей. Аналогово-цифровым преобразованием занимаются электронные компоненты, установленные на электрической схеме фотоаппарата. Другими словами, производитель ПЗС создаёт, по сути, «датчик» фотонов. Обработка информации, поступающей с «датчика», осуществляется компонентами электронной схемы, которую разрабатывает и реализовывает, обычно, производитель камеры. Каковы следствия такого устройства и принципа работы ПЗС?

Габариты сенселей в ПЗС малы, потому что каждый сенсель выполняет свою узкоспециальную роль: «ловит» фотоны, сохраняет и передаёт их энергию преобразователю энергии фотонов в электрическое напряжение. Поэтому сенсели в ПЗС «чувствуют себя» более «свободно», более эффективно «собирают» фотоны. Как следствие, высокая точность «подсчёта» фотонов, малый нижний порог и большой верхний пороги «чувствительности».

ПЗС осуществляет точную передачу цветов, обладает широкими динамическим диапазоном и диапазоном значений чувствительности. Уровень цифрового шума ниже, так как один и тот же компонент-усилитель обслуживает группу сенселей – результаты усиления равномерны. Возможность использовать один и то же прибор с различными электрическими схемами позволяет производителям фотоаппаратов, совершенствуя аппаратные компоненты и программные алгоритмы, более эффективно обрабатывать информацию, фиксируемую одним и тем же ПЗС-«датчиком».

Однако, производство приборов с зарядовой связью является дорогим. К тому же, они потребляют много энергии, требуют более ёмких источников питания, устанавливаемых в фотоаппараты.

Также ПЗС «выдерживает» длинные паузы между соседними кадрами, что первоначально не позволяло использовать прибор для видео- и скоростной съёмки. Однако, скорость съёмки с фотоаппаратом, в котором установлен ПЗС, в процессе развития технологии удалось существенно увеличить. В настоящее время приборы с зарядовой связью применяют в видеокамерах. Здесь они обладают определённым преимуществом перед КМОП-сенсорами, о котором я расскажу далее.

В светочувствительном сенсоре, произведённом по КМОП-технологии, каждый сенсель – это «минифабрика». Энергия «собранных» фотонов преобразуется в электрическое напряжение «на месте». Каждый сенсель имеет свой компонент-усилитель. На сенсоре установлены элементы, выполняющие аналогово-цифровое преобразование. Другими словами, КМОП-сенсор – это самостоятельно обслуживающий себя электронно-оптический прибор. На его «вход» поступают фотоны. На «выходе» электрическая схема фотоаппарата может «забирать» готовую числовую таблицу.

КМОП-сенсоры изображают движущиеся объекты с искажениями, создают, так называемый, эффект «рулонных ворот» (от англ. rolling shutter). Его демонстрируют два видеоролика: видео #1 и видео #2.

Следствием «универсальности» каждого сенселя являются его большие габариты. Точность «подсчёта» фотонов, нижний порог «чувствительности» выше и верхний порог «чувствительности» ниже, чем в ПЗС. Со всеми вытекающими особенностями. Наличие в каждом сенселе своего компонента-усилителя обусловливает неравномерность усиления и, как следствие, больший уровень цифрового шума.

Однако, производителям фотоаппаратов не требуется создавать «развитую» электронную схему, потому что преобразование световой энергии в числа производится в пределах сенсора.

КМОП-сенсоры дешевле, чем ПЗС, и потребляют меньше энергии. Изначально, КМОП-сенсоры применяли в продуктах, не требующих высокого технического качества изображения. В течение более 50-ти лет, в процессе развития КМОП-технологии для применения её в фотографическом оборудовании чувствительность к свету, ширину динамического диапазона удалось увеличить, а уровень цифрового шума снизить, сохранив при этом низкие энергопотребление и стоимость.

В настоящее время КМОП-сенсоры приблизились по качеству к ПЗС. В фотоаппаратуре высшего класса (например, в съёмных задниках производства Sinar для среднеформатных фотоаппаратов) по-прежнему применяются ПЗС. В современных цифровых фотоаппаратах малого формата установлены в основном КМОП-сенсоры.

Более подробно о различиях ПЗС и КМОП-сенсоров Вы можете прочитать в статьях на английском языке, подготовленных специалистами компании Dalsa, производителя КМОП-сенсоров и ПЗС, например, в [2] и в поздней публикации [3].

Я завершил рассмотрение «вселенной» светочувствительных сенсоров. Зеркала опускаются, затвор закрывается.

Одновременно, числовая таблица с данными, полученными с помощью сенсора, отправляется на «конвейер», чтобы превратиться в визуально воспринимаемое цифровое изображение. Этому отрезку пути я уделяю внимание в следующем разделе четвёртой части «основ».

02/05/2014    Просмотров: 18239    Источник: photo-monster.ru    Автор: Марк Лаптенок
 
Комментарии
Комментарии могут оставлять только авторизованные пользователи.