Матрица

Матрица – электронное устройство, расположенное в той самой светорегистрирующей плоскости, в которой объектив формирует изображение и, фактически регистрирующее это самое изображение.

Обычно размышления на тему цифровой фотокамеры начинаются с оценки разрешающей способности матрицы и других ее характеристик. Во многом это правильно. Упрощенно, матрица, она же сенсор, это аналого-цифровой преобразователь (АЦП преобразует аналоговый сигнал – количество света, в цифровой – электрический импульс) на основе кремниевого кристалла в котором сформирована плоскость (матрица) фотодиодов каждый из которых и есть пиксел. Все вместе эти элементы преобразуют световой поток падающий на плоскость в поток данных в виде совокупности электрических сигналов. Матрицы различаются по типу и размеру (подробно об этом в статье Салавата Фидаева). Не вдаваясь в технические подробности, можно отметить, что для получения фотоотпечатков удовлетворительного качества традиционного бытового формата 10× 15 см достаточно 2-мегапиксельной матрицы (два миллиона светочувствительных элементов). Понятно, что тем, кто учится фото-мастерству, бытовой формат не интересен, а значит нужно более высокое разрешение. К счастью, большинство цифровых фотокамер уже давно перешагнули за пятимегапиксельный рубеж. Почему пять мегапикселей имели такое принципиальное значение? Потому что, в профессиональной фотографии, самый распространённый формат - это 20х30 см, размер стандартного листа (А4), и пяти мегапикселей как раз достаточно для получения качественного изображения такого формата. Итак, по пунктам.

• разрешение – количество точек из которых формируется изображение. В общем виде, надеюсь, интуитивно понятная характеристика – чем разрешение выше, тем лучше.

• динамический диапазон – фактически, качество точек – очень важный параметр матрицы, который характеризует способность аналого-цифрового преобразователя (сенсора), фиксировать и детализировать световую информацию в диапазоне от минимального количества света (темная часть изображения) до максимального (светлая часть изображения). Иначе говоря, способность качественно зафиксировать детали изображения одновременно в самой светлой и в самой темной частях снимка. Естественно, чем больше динамический диапазон, тем точнее и мягче изображение. Динамический диапазон определяется битностью представления данных. Для понимания того, что такое битность, приведу упрощенный пример. Один бит – одна позиция в двоичной системе счисления (использует компьютер), которая может принимать значения 0 или 1, то есть либо черный, либо белый. Два бита – две позиции по два значения – 2х2=4 всего четыре: черный, темно серый, светло серый, белый. Три бита – 2х2х2=8 – восемь уровней (ступеней) детализации от черного до белого; четыре бита – 2х2х2х2=16 – соответственно, шестнадцать уровней. И так далее. На сегодняшний день в большинстве систем фиксации, преобразования и отображения изображений используется восьмибитный диапазон, то есть 2 в восьмой степени, что соответствует 256 ступеням от абсолютно белого до совершенно черного. Это, конечно, существенно меньше, чем диапазон человеческого глаза, но для решения фото-задач в большинстве случаев достаточно. Подробнее мы это обсуждаем в лекции «Свет и освещение в фотографии».

• физический размер матрицы и кроп-фактор – площадь которую занимают пикселы в столь важной для нас плоскости и пропорция отношения к стандартному размеру 24х36. Что здесь важно понять?

- размер пикселя – как нетрудно догадаться, если есть маленькая восьмимегапиксельная матрица и существенно большая, скажем, шестимегапиксельная, значит размеры пикселей у них отличаются. Влияет ли это на что-нибудь и как именно? Чем больше размер ячеек (фотодиодов) тем “глубже” и “чище” получается фотоизображение. Это обусловлено тем, что во-первых. светочувствительность пикселя и его точность как АЦП пропорциональна его площади и, во-вторых чем пиксели крупнее, тем меньше влияние тепловых шумов, неизбежно возникающих при работе и разогреве матрицы. Поэтому маленькие, много-мегапиксельные матрицы, чаще всего имитируют 8-битный диапазон, существенно экстраполируя зашумленные данные. Как вы понимаете, нет ничего удивительного в том, что фотографии, сделанные “цифромыльницами” с крошечными восьмимегапиксельными матрицами, такие шумные и нечёткие. Кроме того, такие матрицы гораздо чувствительнее к ошибкам экспозиции. Минимальная недодержка ведет к повышенному уровню шума в тенях, а при небольшой передержке, детали в светах “выжигаются”.

- кроп-фактор или нет худа без добра. Кроп-фактор всего лишь, показывает насколько матрица по площади меньше стандартного узкопленочного формата (см. статью Салавата Фидаева). Что здесь важно понимать? Во-первых, использование малой светорегистрирующей площади позволяет делать светосильные объективы с большими фокусными расстояниями весьма небольшого размера. Эта возможность, в полной мере используется в цифрокомпактах и фотокамерах просьюмерского формата с суперзумами. Во-вторых, в цифрозеркалках со стандартной оптикой периферийная часть изображения «обрезается», а именно там, как вы помните основные искажения.

Еще есть такое понятие как тип матрицы, но в эти технологический дебри мы пока не будем углубляться. В качестве резюме хочется сказать, если технологический прорыв позволит создать достаточно маленькую десятимегапиксельную «холодную» (без тепловых шумов) матрицу с реальным динамическим диапазоном больше двенадцати, то фотоаппарат профессионального качества легко разместится в любом телефоне. Вопрос в том возможно ли это, когда ожидать такого чуда и будет ли это выгодно фотографической промышленности?