Матриця (фото)
Зміст
Характеристики матриць
Світлочутливість (коротше чутливість), відношення сигнал-шум і фізичний розмір пікселя однозначно взаємопов'язані (для матриць, створених за однією і тією ж технологією). Чим більший фізичний розмір пікселя, тим більше співвідношення сигнал-шум при заданій чутливості, або тим вище чутливість при заданому співвідношенні сигнал-шум. Фізичний розмір матриці та її роздільна здатність однозначно визначають розмір пікселя. Розмір пікселя визначає таку важливу характеристику, як фотографічна широта.
Відношення сигнал/шум
Будь-яка фізична величина робить деякі коливання свого середнього стану, у науці це називається флуктуаціями. Тому і кожна властивість будь-якого тіла теж змінюється, коливаючись у деяких межах. Це справедливо і для такої властивості, як світлочутливість фотоприймача, незалежно від того, що являє собою цей фотоприймач. Наслідком цього є те, що деяка величина не може мати певного значення, а змінюється в залежності від обставин. Якщо, наприклад, розглянути такий параметр фотоприймача, як «рівень чорного», тобто значення сигналу, яке буде показувати фотодатчик за відсутності світла, то цей параметр буде певним чином флуктуювати, в тому числі ця величина буде змінюватися від одного фотодатчика до іншого якщо вони утворюють деякий масив (матрицю).
Як приклад можна розглянути звичайну фотоплівку, де фотодатчики — зерна бромистого срібла, і їх розмір і якість неконтрольовано змінюються від точки до точки (виробник фотоматеріалу може забезпечити тільки середнє значення параметра і величину його відхилення від середнього значення, але не самі конкретнізначення цієї величини у конкретних позиціях). Внаслідок цієї обставини плівка, виявлена без експозиції, покаже деяке, дуже маленьке, але відмінне від нуля почорніння, яке називається «вуаль». І у фотоматриці цифрового фотоапарата спостерігається те саме явище. У науці таке явище називається шумом, так як воно заважає правильному сприйняттю та відображенню інформації, і для того, щоб зображення добре передавало структуру вихідного сигналу, необхідно, щоб рівень сигналу певною мірою перевищував рівень шумів, характерних для даного пристрою. Це називається ставленням сигнал/шум.
Чутливість
До матриць застосовується термін еквівалентний «чутливості», тому що: залежно від призначення матриці формальне значення чутливості може визначатися різними способами за різними критеріями; аналоговим посиленням сигналу та цифровою постобробкою можна змінювати значення чутливості матриці у широкому діапазоні.
У цифрових камер значення еквівалентної чутливості може змінюватися в діапазоні ISO 50-12800. Максимальна чутливість, що використовується в масових фотоапаратах, відповідає відношенню сигнал/шум 2-5.
Дозвіл
Фотоматриця оцифровує (поділяє на шматочки — «пікселі») зображення, яке формується об'єктивом фотоапарата. Але, якщо об'єктив в силу недостатньо високої роздільної здатності передає ДВІ світні точки об'єкта, розділені третьою чорною, як одну крапку, що світиться, на ТРИ поспіль розташованих пікселі, то говорити про точну роздільну здатність зображення фотоапаратом не доводиться.
У сучасних цифрових фотоматриць роздільна здатність визначається розміром пікселя, який варіюється у різних фотоматриць в межах від 0,0025 мм до0,0080 мм, а у більшості сучасних фотоматриць він дорівнює 0,006 мм. Оскільки дві точки розрізнятимуться якщо між ними знаходиться третя (несвічена) точка, то роздільна здатність відповідає відстані в два пікселі.
Фізичний розмір матриці
Фізичні розміри фотосенсорів визначаються розміром окремих пікселів матриці, що у сучасних фотосенсорах мають величину 0,005-0,006 мм. Чим більший піксель, тим більше його площа і кількість світла, що збирається ним, тому тим вище його світлочутливість і краще відношення сигнал/шум (у плівковій фотографії шуми називаються «зернистістю» або «гранулярністю»). Необхідна роздільна здатність деталей фотографії визначає загальну кількість пікселів, яка в сучасних фотоматрицях досягає десятків мільйонів пікселів (Мегапікселів), і тим задає фізичні розміри фотоматриці. Закони оптики визначають залежність ГРІП від фізичного розміру матриці. Якщо сфотографувати трьома фотоапаратами з різним фізичним розміром матриці одну і ту ж сцену з одним і тим же кутом зору і одним і тим самим значенням діафрагми на об'єктивах, і вивчити результат (файл на комп'ютері, роздруківку з принтера) в однакових умовах, то ГРИП на знімку, зробленому фотоапаратом із найменшою матрицею, буде найбільшою (більше предметів у кадрі буде показано різко), а фотоапарат із найбільшою матрицею покаже найменшу ГРІП (предмети над зоні різкості будуть сильніше розмиті). Розміри фотосенсорів найчастіше позначають як тип у вигляді дробових частин дюйма (наприклад, 1/1.8" або 2/3"), що фактично більше реального фізичного розміру діагоналі сенсора. Ці позначення походять від стандартних позначень розмірів трубок телекамер у 1950-х роках. Вони виражають не розмір діагоналі самої матриці, а зовнішній розмір колбипередавальної трубки. Інженери швидко встановили, що з різних причин діагональ корисної площі зображення становить близько двох третин діаметра трубки. Це визначення стало усталеним (хоча й мало бути давно відкинуте). Немає чіткої математичної взаємозв'язку між «типом» сенсора, вираженому в дюймах, та її фактичної діагоналлю. Однак, у грубому наближенні можна вважати, що діагональ становить дві третини типорозміру.
Відношення сторін кадру
Формат кадру 4:3 переважно застосовується в аматорських цифрових фотоапаратах. Деякі фірми, наприклад, Canon, допускають у цих фотоапаратах налаштування співвідношення сторін у діапазонах 4:3 та 16:9. Формат кадру 3:2 застосовується у дзеркальних цифрових фотоапаратах, крім виконаних за стандартом 4:3. Випускається незначна кількість моделей з кадром 16:9. У цифрових дзеркальних камерах Olympus використовується матриця зі співвідношенням сторін 4:3 (стандарт 4:3).
Пропорції пікселя
Типи матриць за застосовуваною технологією
Довгий час ПЗЗ-матриці були практично єдиним масовим видом фотосенсорів. Реалізація технології Active Pixel Sensors близько 1993 року та подальший розвиток технологій призвели до того, що до 2008 року КМОП-матриці стали практично альтернативою ПЗС.
ПЗЗ-матриця
Складається зі світлочутливих фотодіодів, виконана на основі кремнію, використовує технологію ПЗЗ - приладів із зарядним зв'язком.
КМОП-матриця
Виконано на основі КМОП-технології. Кожен піксел має підсилювач зчитування, а вибірка сигналу з конкретного пікселя відбувається, як у мікросхемах пам'яті, довільно.
SIMD WDR матриця, також виконана на основі КМОП-технології, має в обрамленні кожного пікселя ще й автоматичну системуналаштування часу експонування, що дозволяє радикально збільшити фотографічну широту пристрою.
Live-MOS-матриця
Створена та застосовується компанією Panasonic. Виконана на основі МОП-технології, проте містить меншу кількість з'єднань для одного пікселя та живиться меншою напругою. За рахунок цього і за рахунок спрощеної передачі регістрів і сигналів, що управляють, є можливість отримувати «живе» зображення за відсутності традиційного для такого режиму роботи перегріву і підвищення рівня шумів.
Матриці з пікселями різного розміру
У фотоапаратах фірми Fujifilm застосовуються матриці, що отримали назву Super CCD, в яких присутні зелені пікселі двох різних розмірів. Великі – для малих рівнів освітленості. І малі, що збігаються за розміром із синіми та червоними. Це дозволяє збільшити фотографічну широту матриці на величину до 4 ступенів.
Методи отримання кольорового зображення
Сам собою піксель фотоматриці є «чорно-білим». Для того щоб матриця давала кольорове зображення, застосовуються спеціальні технічні прийоми.
Триматричні системи
Світло, що надходить в камеру, потрапляючи на пару дихроїдних призм, ділиться на три основні кольори: червоний, зелений і синій. Кожен із цих пучків іде окрему матрицю (найчастіше використовується CCD матриці, у найменуванні відповідної апаратури використовується позначення 3CCD).
Переваги трьох матриць у порівнянні з одноматричними
краще передача колірних переходів, повна відсутність кольорового муару; вище роздільна здатність: відсутня необхідний для усунення муара low-pass фільтр; вище світлочутливість та менший рівень шумів; можливість введення корекції кольору постановкою додаткових фільтрів передокремими матрицями, а не перед знімальним об'єктивом, дозволяє домогтися істотно кращої передачі кольору при нестандартних джерелах світла.
Недоліки трьох матриць порівняно з одноматричними
принципово великі габаритні розміри; триматрична система не може використовуватись з об'єктивами з малим робочим відрізком; у триматричній схемі є проблема зведення кольорів, так як такі системи вимагають точного юстування, причому, чим більшого розміру матриці застосовуються і чим більший їх фізичний дозвіл, тим складніше досягти необхідного класу точності.
Матриці з мозаїчними фільтрами
У всіх таких матрицях пікселі розташовані в одній площині, і кожен піксель накритий світлофільтром якогось кольору. Відсутня колірна інформація відновлюється шляхом інтерполяції.
Існує кілька способів розташування світлофільтрів. Ці методи відрізняються чутливістю і передачі кольорів, причому чим вище світлочутливість, тим гірше кольоропередача: RGGB - фільтр Байєра, історично самий ранній; RGBW мають більш високу чутливість і фотографічну широту (типово виграш чутливості в 1,5-2 рази та 1 ступінь по фотографічній широті), окремий випадок RGBW-матриці - CFAK-матриця компанії Kodak; RGEB (червоний - зелений - смарагдовий - синій); CGMY (блакитний – зелений – фіолетовий – жовтий).
Матриці з повнокольоровими пікселями
Існують дві технології, що дозволяють отримувати з кожного пікселя усі три колірні координати. Перша застосовується в камерах фірми Sigma, що серійно випускаються, друга — на середину 2008 року існує тільки у вигляді прототипу.
Багатошарові матриці (Foveon X3)
Фотодетектори матриці X3 компанії Foveon розташовані в три шари – синій, зелений, червоний. Назва сенсора "Х3"означає його «трьохшаровість» та «трьохвимірність».
Матриці X3 застосовуються у цифрових фотоапаратах Sigma.
Повнокольорова RGB-матриця Nikon
Незважаючи на те, що прототип матриці вже створено (2008 рік), цей патент навряд чи знайде своє застосування найближчим часом через значні труднощі в технології.
Порівняно з усіма іншими системами, окрім триматричних, дана технологія має перевагу в ефективності використання світлового потоку, 1.5-кратну порівняно з RGBW і трикратну порівняно з матрицями з фільтром Байєра.
У порівнянні з Foveon X3, ця технологія виграє як кольоропередачу.
У порівнянні з 3CCD системами, даний тип матриці виграє у можливості використання в дзеркальних апаратах та у відсутності необхідності точного юстирування оптичної системи.