Что представляет из себя сенсор? #
Сенсор изображения, он же фотоматрица или светочувствительная матрица — это сетка из светочувствительных ячеек, способных улавливать свет, преобразовывать его в электрический сигнал, накапливать этот сигнал и отдавать наружу. Каждая такая ячейка называется пикселем, от английского pixel, что есть сокращение от picture cell, “ячейка картинки”.
Процесс получения цифрового изображения с помощью фотоматрицы выглядит примерно следующим образом.
- Матрица сбрасывается, все ячейки обнуляются.
- Ячейки собирают свет в течение заданного времени. Это время называют выдержкой.
- Накопленный свет каждой ячейки, преобразованный ей в электричество, подаётся на усилитель, затем на аналого-цифровой преобразователь.
- Собираем все полученные цифровые значения в вид, с которым дальнейшие узлы способны работать. Это и есть полученное изображение.
Тут в пору указать, что существуют технологии CCD и CMOS, что в CCD построчное чтение значений, а в CMOS у каждого пикселя свой усилитель и АЦП, их преимущества и недостатки. Но автор не силён в этом, не уверен в справедливости данных утверждений, и потому не будет дублировать информацию. Если кому интересно — поищите подробности в Интернете.
Rolling shutter #
Если использовать описанную выше процедуру как есть, то может возникнуть временной параллакс, он же rolling shutter. Проблема в том, что считывание занимает некоторое время, при этом ячейки могут считываться одна за другой, особенно в сенсорах CCD. Пока мы читаем последние в очереди пиксели, изображение может существенно измениться по сравнению с первыми. Если выдержка сравнима со временем считывания, а изображение за этот период менялось, то в результате получим нечто комбинированное из состояний на начало чтения и на конец чтения.
Чтобы снизить эффект, в любительских фотоаппаратах до сих пор используют механическую шторку. Суть в том, что по истечению времени выдержки сначала закрывается затвор, блокируя свет, затем начинается считывание. Естественно, что механика тоже имеет какую-то скорость, поэтому полностью эффект не исключается. Он значительно уменьшается, оставаясь незаметным в большинстве жанров съёмки.
Так как шторка механическая, то у неё есть свой ресурс и износ. Она является одной из частых причин поломки фотоаппарата. Поэтому при съёмке видео такое устройство не используют, там проще смириться с rolling shutter.
В качестве альтернативы механической шторке можно использовать синхронизацию со вспышкой, если она является доминирующим источником света. Выключили вспышку — в кадре стало достаточно темно, можно считывать значения. Но, очевидно, такое решение может выручить только в очень специфических случаях, например в специальном оборудовании. Также может быть важно, что вспышка гаснет не мгновенно, а имеет небольшой период затухания.
И, наконец, не так давно в потребительских камерах начали использовать “электронный глобальный затвор”, который позволяет избавиться от rolling shutter без дополнительных устройств. Надо полагать, камеры с его использованием будут доступны широким массам нескоро.
Размер сенсора #
Большинство фотоматриц прямоугольные. Для простоты будем говорить о прямоугольных сенсорах, хотя для любой формы можно придумать термины аналогичные тому, о чём сейчас расскажем.
Одна из важнейших характеристик сенсора — его размер, то есть физические длина и ширина, например в миллиметрах. Мы уже упоминали популярные размеры, как их называют, и что такое кроп-фактор, не будем повторяться.
Также мы упоминали, что длина и ширина фотоматериала влияют на угловое поле. К этому добавим, что объективы всегда рассчитывают на работу с определённым размером материала, так как достаточно отобразить в хорошем качестве пятно, покрывающее целевую плёнку или сенсор. Отсюда следует, что объектив для полнокадровой камеры можно использовать с кропом. Обратное не очень верно: если надеть кроповый объектив на полнокадровую камеру, то на углах кадра получится сильное виньетирование и другие эффекты, так как оптика даёт пятно меньшего размера, чем фотоматериал.
Вспоминая подобное утверждение про зеркальную и беззеркальную камеры, приходим к выводу, что объектив для полнокадровой беззеркальной камеры можно использовать для любой другой камеры этого же производителя (кроме редких устройств с фотоматериалом ещё больше, чем full frame).
Разрешение #
Ещё один важный, но в последнее время всё менее решающий параметр — разрешение сенсора. Чаще всего его задают как количество пикселей по ширине и высоте, например 6000x4000. Реже используют размер пикселя, например в микронах. Зная размеры сенсора и одну из этих характеристик разрешения, несложно посчитать вторую.
Многие путают размер и разрешение. Особенно когда рассматривают картинки на компьютере, ведь, например прямоугольник 6000x4000 пикселей вдвое больше, чем 3000x2000. Но между ними значительная разница. Физический размер — это буквально размер в реальной жизни, который можно померить хоть линейкой. Он определяет угловое поле, то есть какая часть сцены уместится в кадре. Разрешение — это сколькими точками мы закодировали изображение сцены при оцифровке. Ниже это проиллюстрировано на матрице вымышленного размера и разрешения. Сетка схематично показывает пиксели на фоне изображения, в действительности каждая ячейка закрашена сплошным цветом.
В фотографии чаще всего встречаются пиксели примерно квадратной формы, то есть вдоль длины и ширины они занимают одинаковый размер. Но это необязательно, где-то можно встретить и прямоугольные.
Высокое разрешение — хорошо или плохо? #
Любой, кто застал мониторы 90-х или телефоны с фотоаппаратом 00-х, знает, зачем нужно высокое разрешение. Чем большим количеством пикселей мы закодируем изображение, тем больше деталей сможем потом увидеть.
В современных матрицах разрешение позволяет регистрировать тысячи пикселей вдоль каждой стороны, даже на телефонах. Но нужно ли это, если мониторы не способны отобразить столько точек, а для печати даже на рекламный баннер это перебор? Давайте разберёмся.
Большое разрешение даёт следующие преимущества.
- При фотографировании или съёмке видео можно дать себе большее поле для ошибок. Не понравилась композиция? Поиграйся с кропом. Не смог снять объект крупным планом? Кропни. Качество не упадёт, пока не выйдешь за допустимые рамки разрешения итогового изображения.
- В специфических областях, например высокоточных оптических измерительных приборах, большее разрешение означает большую точность. Конечно, если разрешающая способность оптики, возможности освещения и алгоритмы позволяют её вытащить.
Но оно приносит и проблемы.
- В среднем более высокая стоимость.
- Много точек занимают много места на носителе, их дольше обрабатывать.
- Так как в маленькую ячейку попадёт меньше света за время выдержки, а шум чтения кадра усугубляется из-за большей плотности, то один маленький пиксель будет более шумным, чем один большой. Если допустимо продецимировать изображение, комбинируя несколько соседних пикселей в один, то шум можно уменьшить. Однако объединение \(N\) пикселей в один уменьшит шум всего в \(\sqrt N\) раз. Тогда как физическое увеличение пикселя в \(\sqrt N \times \sqrt N\) раз улучшит отношение сигнал/шум в \(N\) раз.
- Вокруг каждого пикселя есть немного пространства, которое поглощает свет хуже или совсем никак. Чем пикселей больше, тем площадь такого пространства может быть больше.
Если первую проблему можно решить деньгами, вторую либо деньгами, либо программным масштабированием картинки, то последние две просто так не решить. Поэтому много пикселей — это хорошо, но до разумного предела. В конце концов, у любого объектива есть оптическая разрешающая способность. Нет смысла делать сверхвысокую детализацию на уровне сенсора, если целевая оптика не способна выдавать изображение такого качества.
В последнее время даже появились адепты большого пикселя, которые специально покупают камеры с низким разрешением, чтобы шума было поменьше. Иногда старые, где с электроникой было похуже, и шума там больше, но это не важно.
Промежутки между пикселями #
У каждой светочувствительной ячейки есть небольшая рамка вокруг неё. Отсюда вытекают следствия:
- не всё световое пятно, проецируемое объективом, будет эффективно использовано, часть энергии уйдёт на нагрев рамок;
- полученное изображение будет с пробелами между пикселями; на самих картинках этого не будет видно, потому что почти любой софт отображает пиксели как квадратики без прогалов, но в действительности между ними будут крошечные слепые зоны, которые возможно заметить только на очень тонких линиях и точках.
Первая проблема снижает эффективность сенсора. Вторая обычно незаметна, хотя в узкоспециализированных приложениях, где требуется высокая точность, может быть уместным учитывать такой эффект. Очевидно, что чем толще рамки, тем хуже.
Микролинзы #
Чтобы улучшить ситуацию, каждый пиксель накрывают микролинзой. Они ставятся довольно плотно друг к другу и сконструированы так, чтобы направлять любой свет, попавший на их поверхность, в их светочувствительную ячейку.
Такой подход не решает проблему полностью, так как часть света всё равно попадает не туда, а сама крошечная оптика имеет свои недостатки. Но может заметно улучшить ситуацию. То есть пучок из объектива эффективнее распределяется по пикселям, оставляя заметно меньше света вне ячеек.
Пробелы между пикселями тоже не устраняются полностью. Свет, попавший на край микролинзы, будет виньетирован, а также частично отражён, поэтому попадёт в ячейку с потерями.
Наклон лучей на краях сенсора #
Если интерпретировать объектив как пинхол с более насыщенным потоком света, то нетрудно видеть, что пропускаемый свет попадает на сенсор под прямым углом возле оптической оси. Но чем ближе к краю сенсора, тем острее угол между лучом и его плоскостью. Такая геометрия вызывает некоторые проблемы.
По краям кадра из-за этого могут возникнуть дополнительное виньетирование, сдвиг цветов, ухудшение резкости изображения. Причины примерно следующие.
- Хотя микролинза и должна собирать весь свет в точку фокуса, в действительности она это делает откровенно плохо. Попробуйте спроектировать линзу в пару микрон в диаметре из максимально дешёвого материала (плохой показатель преломления), да так, чтобы её можно было производить сверхмассово и крепить к крошечным пикселям.
- У каждой ячейки сам светочувствительный элемент (фотодиод) утоплен в свой маленький колодец. По бокам те самые стенки, о которых говорили в прошлом параграфе. Сверху микролинза. Между ней и элементом ещё стопка микрофильтров. Так как лучи не могут быть направлены в фокус идеально, то часть попадает в стенки колодца, а то и на соседние пиксели (стенка не обязательно сплошная; особенно плохи дела у маленьких FSI сенсоров).
- Чем больше луч отклоняется от нормали, тем больше рассеяние и отражение. Микролинза и куча слоёв из разного материала в колодце хуже пропускают такой луч, потери больше.
Чтобы бороться с указанными отрицательными эффектами, в идеале разрабатывать оптику так, чтобы она направляла все лучи вдоль оптической оси. Или, как говорят, объектив должен быть “близким к телецентричному”. Естественно, что это непросто и не всегда возможно, особенно если в целях стоят компактность и ограниченная цена прибора. Наибольшую сложность представляют широкоугольные объективы, потому как у них разброс углов падения наибольший.
Могут применяться различные трюки на самом сенсоре, например микролинзы различной формы, на каждом пикселе своей. Фактически у каждой линзы есть небольшой диапазон углов, при падении под которыми она работает хоть немного близко к идеальной. Можно менять её форму, чтобы смещать этот диапазон, учитывая наиболее вероятные падения лучей. При этом сверхмассовость производства всё равно не гарантирует, что каждая линза будет работать хорошо, но хоть какое-то улучшение. Из минусов, что оптика объектива должна принимать во внимание такие решения.
В большинстве случаев пользователям камер не приходится думать об этих эффектах. Просто имейте в виду следующее.
- На краях кадра качество обычно хуже, чем в центре. Хотя это справедливо и при идеальном сенсоре, ведь объективы обладают таким же свойством.
- Если использовать объектив от “чужого” байонета через адаптер, то можно нарваться на несостыковку того, на что спроектирована оптика, и того, что ожидает фотоэлектроника. Особенно это касается объективов для плёночных фотоаппаратов. На плёнке таких проблем не было, и свет параллельно оптической оси направлять было незачем.
Встроенные в камеру фильтры #
В рядовой цифровой фотоаппарат встраивают дополнительные фильтры. Они улучшают работу устройства и нужны практически всегда, поэтому они несъёмные. Разберём несколько основных.
Антильясинговый фильтр #
Предназначение антильясингового фильтра довольно интересное: ухудшать качество изображения небольшим размытием. Делается это для того, чтобы убрать муар в некоторых условиях. Грубо говоря, из-за дискретизации резкие детали могут выглядеть неестественно ступенчато, часто порождая неприятные глазу психоделичные паттерны. Чтобы этого не было, оптический фильтр чуть “подмыливает” картинку ещё до дискретизации. Устанавливается он сплошной пластинкой перед сенсором.
Есть мнение, что в современных камерах эффект не так просто воспроизвести из-за огромных разрешений матриц, его можно устранить программно при желании, поэтому производители потихоньку отказываются от такого решения. Также есть любители удалять фильтр. Особенно кто используют фотоаппарат только для астрофотографии, где муар маловероятен, а высокой чёткости хочется. Ну и понятно, что специализированные камеры могут его не иметь, например те же астрокамеры. Его наличие — скорее забота о рядовом пользователе, который не хочет видеть некрасивую картинку на своём новом фотоаппарате.
Инфракрасный фильтр #
Ячейки чувствительны к инфракрасному спектру. Поэтому иногда устанавливают инфракрасные фильтры, чтобы лишнее излучение не портило изображение. Как и антиальясинговый, он ставится перед сенсором, единой пластинкой.
Есть любители съёмки в инфракрасном спектре, они удаляют этот фильтр и модифицируют камеру.
Микрофильтры для мозаики Байера #
Фильтр Байера нужен для формирования цвета. О нём поговорим в отдельной статье.
Ультрафиолетовый фильтр? #
Считается, что цифровые сенсоры плохо восприимчивы к ультрафиолету. Также инфракрасный фильтр может комбинироваться с ультрафиолетовым, чтобы подавить его ещё больше. Фильтр Байера также отсеивает, особенно красные и зелёные ячейки. Многие виды стекла, используемые в оптике, тоже его поглощают.
Как следствие, покупать внешний ультрафиолетовый фильтр, который устанавливается на объектив, для цифровой камеры незачем. Ультрафиолет и без того эффективно удаляется. Некоторые фотографы их используют как дешёвое защитное стекло, хотя есть противники такого приёма. Если Вы являетесь его сторонником, то можно взять и защитное стекло, без напыления, эффект будет тем же.
Если сомневаетесь, то приобретите ультрафиолетовый фильтр и попробуйте, сравните изображения с ним и без. Стоит он недорого.
Есть энтузиасты, которые, наоборот, модифицируют камеру для возможности “видеть” в ультрафиолетовом спектре. Так как зарегистрировать такие магнитные волны гораздо сложнее, чем инфракрасные, то это очень нишевый жанр.
Защита сенсора #
Если у Вас обычная потребительская камера со сменным объективом, и она не подвергалась модификациям, то с большой вероятностью там стоит антиальясинговый фильтр и, возможно, инфракрасный. Они дают дополнительную защиту: снимая объектив, Вы не можете добраться до самих светочувствительных ячеек. Более того, перед Вами сплошная пластинка, а не набор микронных колодцев, и её можно чистить.
Очевидно, что не стоит трогать эту конструкцию грязными руками, пачкать или царапать. Но по крайней мере не бойтесь аккуратно почистить сенсор специальной микрофибровой палочкой (продаются на том же Ali Express) с небольшим количеством спирта. Это нормальная часть обслуживания устройства, рано или поздно матрица притягивает пыль, а иногда забрызгивается маслом из внутренних механизмов прибора.
Итоги #
- Матрица состоит из кучи маленьких светочувствительных ячеек, у каждой есть микролинза и фильтр, есть общие большие фильтры перед сенсором, всё это обвязано мельчайшей электроникой.
- Можно столкнуться с rolling shutter, но у фотоаппаратов этот эффект снижается механической шторкой.
- Не следует путать размер и разрешение сенсора. Они довольно слабо связаны.
- Чем дальше от центра, тем изображение хуже, там сенсору работать сложнее из-за наклона лучей.