Объединенный Открытый Проект

Раз уж возник вопрос по цифровикам - думаю, этот материал будет не бесполезен.

Источник:
Цифровые камеры №9-2005,
авторы:

Никита Павлов (mailme@kitp.ru) Давид Мзареулян (david@hiero.ru) Алексей Дорофеев (email@leshka.ru)

Итак,

КАК УСТРОЕНА ЦИФРОВАЯ КАМЕРА
==============================

2. Начинка
Что находится внутри цифрового фотоаппарата
Современная камера - это сложный электронный прибор. За качество снимка теперь отвечает не только оптика объектива, но и устройства захвата, обработки и записи изображения, не считая аналого-цифровых преобразователей... Кажется, еще что-то упустил... Ах да, еще фотограф!
Сегодня в цифровых камерах работает настоящий компьютер со своим аналогом Фотошопа. Многое из того, что еще недавно тебе пришлось бы делать самому за экраном компьютера, твоя маленькая камера способна сделать сама.
До матрицы
Свет, пройдя через объектив, попадает внутрь фотоаппара-та и... Дальше возможны варианты, в зависимости от того, ка-кого типа камера у тебя в руках. Цифровые зеркалки (DSLR), как следует из их названия, содержат внутри зеркало, которое (до нажатия на спуск) отражает прошедший свет наверх, на ма-товое стекло, которое мы и наблюдаем в оптический видоиска-тель. Странно, но для многих является открытием тот факт, что раз на пути света стоит зеркало, то на матрицу свет не попада-ет! Более того, матрица еще и прикрыта шторками затвора, точ-но такого же, как и в пленочных аппаратах. И только после на-жатия на спуск зеркало поднимается, затвор открывается, и матрица получает свою долю света. Именно поэтому ЖК-дисплей DSLR-камеры не показывает изображение в реальном вре-мени, к чему уже привыкли владельцы компактных аппаратов. Все, что он может показать - это либо уже снятые кадры, либо настроечное меню. Казалось бы, это очевидно, но многие, впервые взяв в руки цифровую зеркальную камеру, подолгу недоуменно глядят на ее черный дисплей, который «почему-то» и не думает работать видоискателем. Впрочем, стоит взгля-нуть в глазок видоискателя, как об этом неудобстве сразу за-бываешь - чистая и яркая оптическая картинка оставляет дале-ко позади даже самые лучшие ЖК-экраны.
В компактных камерах все проще - матрица постоянно нахо-дится «на свету» и постоянно транслирует изображение на ЖК-экран. В перерыве между снимками фотоаппарат работает, фактически, как видеокамера с низким разрешением и малой частотой кадров.
Перед тем, как сделать снимок, фотоаппарат должен произ-вести некоторые приготовления - сфокусироваться и измерить экспозицию. В компактных камерах обе эти операции проделы-ваются с помощью матрицы - раз уж она все равно постоянно считывает текущую картинку, то измерить по ней экспозицию проще простого. В качестве датчиков автофокуса тоже исполь-зуется матрица - в определенных зонах (зонах автофокусиров-ки) измеряется контраст изображения, и объектив двигается туда-сюда, пока контраст не станет максимальным, а изображе-ние - резким.
В цифровых зеркалках все сложнее, поскольку матрицу ис-пользовать нельзя. В них используются традиционные датчики автофокуса, такие же, как и в пленочных аппаратах. Принцип работы тот же - датчик измеряет контраст изображения в опре-деленных точках. Так же по-пленочному измеряется и экспози-ция - свет падает на несколько светочувствительных зон (зон экспозамера), а процессор камеры вычисляет по ним оптималь-ную для данного кадра экспозицию.

Матрица
Матрица, наверное, самый главный компонент цифровой камеры. Какой будет в результате картинка, зависит прежде всего от пара-метров матрицы. Основных таких параметров три: тип матрицы, ее «мегапиксельность» и ее физический размер.
Тип матрицы
Базовых типов матриц всего два - это ПЗС («прибор с зарядовой связью», или по-английски CCD) и КМОП («комплемен-тарный металло-оксидный полупровод-ник», CMOS). Названия страшноватые, но понять суть дела можно и без них. Каждая матрица состоит из множества светочув-ствительных ячеек, которые под воздей-ствием света накапливают в себе электри-ческий заряд. По способу считывания этих зарядов и отличаются ПЗС и КМОП.
Приятная новость состоит в том, что, с точки зрения пользователя, совершенно все равно, КМОП-матрица стоит в его каме-ре, или ПЗС. Раньше ПЗС-матрицы давали лучшее качество изображения, но разви-тие технологии сделало КМОП-матрицы практически равноценными. Достаточно сказать, что фирма Canon использует КМОП-матрицы во всех своих профессио-нальных цифровых зеркалках.
Однако, помимо способа считывания информации с ячеек, есть еще один важный момент - то, как эти ячейки на матрице расположе-ны. Ячейки сами по себе не различают цвета - они просто рапортуют о количестве света, попавшего на них. Значит, чтобы получить цвет-ное изображение, перед ячейками надо установить светофильтры. В подавляющем большинстве матриц фильтры (красные, зеленые и синие) установлены по так называемой схеме Байера - см. рисунок. Видно, что зеленые ячейки расположены вдвое чаще, чем синие или красные, потому что человеческий глаз наиболее чувствителен к зе-леной зоне спектра, и ее следует передавать более качественно.
Казалось бы, все хорошо, но потом из полученной цветной мозаи-ки нужно сделать нормальную полноцветную картинку, в которой каждый пиксель имеет три цветовые составляющие - красную, зеле-ную и синюю. И вот тут начинаются сложности, ведь для каждой точ-ки мы имеем только одну составляющую, а остальные надо собирать по соседним ячейкам (которые, вообще говоря, уже относятся к дру-гим точкам изображения). В результате картинка получается слегка размытой, так как каждый пиксель «собирается» из нескольких яче-ек. Даже самые продвинутые алгоритмы не позволяют получить цветную картинку с полным разрешением матрицы - в лучшем слу-чае их эффективность составляет 80-90%. Помимо падения разре-шения, есть и еще один неприятный эффект - муар. Муаровые раз-воды возникают, когда одна регулярная структура накладывается на другую с небольшим сдвигом. Матрица Байера - готовая регулярная структура, поэтому при съемке, например, ткани или любой мепкопопосатой поверх-ности часто возникает цветной муар - раз-ноцветные разводы, похожие на мазутные пятна на воде. С муаром, конечно, борются, совершенствуя алгоритмы, но при этом опять страдает резкость.
Эти недостатки схемы Байера хорошо известны, поэтому неудивительно, что поя-вились альтернативные (хотя и не слишком распространенные пока) варианты. Один из таких вариантов - матрица SuperCCD фир-мы FUJI с восьмиугольными (!) ячейками, расположенными немного в другом поряд-ке, чем в схеме Байера. Инженеры FUJI ут-верждают, что такая матрица позволяет получить заметно большее разрешение картинки, т.к. ячейки расположены с боль-шей горизонтальной и вертикальной часто-тами (в ущерб частотам диагональным). У Fuji есть и еще одна очень интересная раз-работка - так называемая «матрица SuperCCD 4-го поколения». На ней между обычными попноразмерными сенсорами расположены сенсоры меньшего размера. Это поз-воляет значительно расширить диапазон яркостей, которые воспри-нимает матрица - в темных местах изображения работают большие сенсоры, а в светлых (там, где большие оказываются «засвечены») - маленькие, с меньшей чувствительностью. Такое изящное решение позволяет получить почти пленочный диапазон воспринимаемых яр-костей.
Нельзя не упомянуть и о матрице фирмы Foveon - Foveon X3. В ней каждая ячейка воспринимает сразу три цветовых компоненты. Оказывается, свет, падая на полупроводник, поглощается неравномерно - красные волны проникают глубже, чем синие. Инженеры Foveon воспользовались этим и разместили в каждом пикселе три светочувствительных ячейки друг под другом. Таким образом, с мат-рицы сразу, без интерполяции, снимается полноцветная картинка. Это позволяет убить сразу двух зайцев - во-первых, не падает раз-решение при вычислении цветов (все три цвета снимаются в одной точке), а во-вторых, исчезает муар. В результате изображение полу-чается четким и резким. Увы, за все приходится платить, и матрицы Foveon, при всех их прекрасных резкостных характеристиках, отличаются по-вышенными шумами и довольно низкой чувствительностью. Впрочем, для сту-дийной съемки (где нет недостатка в свете) они очень хороши.
Мегапиксельность
Для обычных байеровых матриц пра-вило следующее: указывается полное количество светочувствительных яче-ек, независимо от их цветов. Т.е. на 6-мегапиксепьной матрице реально раз-мещено 3 миллиона «зеленых» ячеек и по 1,5 миллиона «красных» и «синих». И из них «собирается» 6-мегапиксельное полноцветное изображение.
Кроме этого, часть пикселей по краям матрицы обычно не участвует в формировании изображения (закрыта непрозрачными шторками) и ис-пользуется в служебных целях - например, для определения собственно-го теплового шума матрицы. Но доля таких пикселей невелика.
Физический размер матрицы
С точки зрения качества изображения, физический размер матри-цы - чуть ли не самый важный ее параметр. И правило тут простое - чем больше, тем лучше. К сожалению, приходится добавить - и до-роже. Чем больше размер матрицы, тем больше размер каждой от-дельной ячейки на ней. Чем больше размер ячейки, тем больше она собирает света за время экспозиции. Чем больше она собирает све-та, тем больший в ней накапливается заряд и (вот это важно!) тем меньше влияние собственного теплового шума матрицы, тем чище получается сигнал (а значит и изображение) и тем больше его мож-но усилить (т.е. тем выше чувствительность матрицы).
Каждый владелец компактной цифровой камеры знает, что без крайней нужды лучше не пользоваться чувствительностью ISO 400 - шумы будут такими, что могут напрочь испортить изображение. Одна-ко для цифровых зеркалок (DSLR) ISO 400 - вполне рабочая чувстви-тельность, и картинка получается практически лишенной шумов. Де-ло как раз в размере матрицы - для компактных камер типичный раз-мер матрицы 7x5 мм (в спецификациях обозначается как «1/1.8» мат-рица»), а для DSLR - 24x18 мм («APS-матрица»). Значит, даже при оди-наковом числе пикселей, пиксель на DSLR втрое-вчетверо больше, а по площади он больше вдесятеро (и во столько же раз больше он со-бирает света)! Неудивитель-но, что шумы на DSLR стано-вятся заметны только при ISO 800-1600, тогда как на компактных камерах такие чувствительности практичес-ки недостижимы.
АЦП преобразует аналоговый сигнал, полученный с ячеек матри-цы, в цифровые импульсы. После АЦП сигнал становится обычными двоичными данными, и вся его дальнейшая обработка производится программным образом.
Главная характеристика АЦП - его разрядность или «битность». Например, 10-битный АЦП преобразует каждый сигнал в 10-битное число, т.е. в целое число со значением от 0 до 1023. Таким образом, весь возможный диапазон сигнала разбивается на 1024 (2 в 10-й степени) уровня. Дробить сигнал слишком мелко не имеет смысла из-за уже упоминавшихся шумов - важно оцисрровать полезный сигнал, а не мелкую рябь шума. Поэтому разумная разрядность АЦП зависит от матрицы, к которой он «приставлен». На недорогих компактных камерах обычны 8-10-битные АЦП, на полупрофессио-нальных камерах и цифровых зеркапках - 12-битные (4096 уровней сигнала). Иногда (правда, редко), производители ставят на дешевые компактные камеры 12-битные АЦП и гордо об этом пишут в описа-нии аппарата. Но важно понимать, что для полноценного использо-вания всех двенадцати бит, матрица камеры должна выдавать соот-ветствующего качества сигнал. Если же качественный АЦП уста-новлен на дешевом компакте с маленькой матрицей, то никаких преимуществ это не даст.
При сохранении картинки в JPEG всегда сохраняются только 8 бит на каждый канал. Однако «лишние» биты при этом активно ис-пользуются при предварительной обработке картинки, и чем выше качество исходного сигнала, тем более богатая цветами и полутона-ми получится картинка (даже после конвертации в 8-битный цвет). Если же картинка сохраняется в формате TIFF или RAW, то все зна-чащие биты сохраняются без потерь и очень помогают при дальней-шей обработке изображения.

Буферная память
После того как сигнал оцифрован, его надо обработать и запи-сать на фпеш-карту. Поскольку каждый кадр, снятый с матрицы, представляет собой блок данных весом несколько мегабайт, то на его обработку тратится заметное время (порядка нескольких се-кунд). Чтобы не заставлять фотографа подолгу ждать после каждо-го нажатия на спуск, используется промежуточная оперативная па-мять - буфер.
Буфер может быть конструктивно реализован несколькими способами:
- Данные с матрицы обрабатываются встроенным процессором каме-ры, после чего попадают в буфер и не торопясь скидываются на флешку. Это имеет смысл, если обработка происходит быстро, а за-пись - медленно. К тому же, данные после обработки и конверта-9 ции в JPEG значительно «теряют в весе», а значит, в буфер можно уместить много кадров.
'Необработанные данные с матрицы сразу попадают в буфер, после чего процессор в фоновом режиме извлекает оттуда кадры по оче-реди, обрабатывает и сохраняет. Эта схема позволяет снимать оче-редями, не тратя времени на обработку - пока есть место в буфере. Но при этом буфер должен быть достаточно большим - ведь необ-работанные данные имеют большой объем.
- Наконец, возможна комбинация этих двух подходов - буфер, в ко-торый помешаются как «сырые» данные, так и данные после обра-ботки процессором. При этом обработка новых кадров и запись уже обработанных происходят параллельно, что еще больше уве-личивает скорость работы, но, конечно, требует еще больших объ-емов буферной памяти.

Запись файлов
В цифровой фотографии существуют три формата файлов: JPEG, TIFF и RAW.
Формат JPEG наиболее привычен и практически идеален для «до-машнего» любительского использования. Его понимают все программы, работающие с графикой, да и по размерам JPEG-файлы невелики. К со-жалению, за скромный размер приходится расплачиваться качеством Дело в том, что JPEG - это так называемый формат «сжатия с потеря-ми». То есть, при сохранении в JPEG компьютер анализирует картинку и слегка ее «подправляет», так, чтобы сжималась лучше Эти искаже-ния почти незаметны глазу (если сжатие не слишком сильное). Но все меняется, когда возникает необходимость подредактировать картинку в графическом редакторе - откадрировать, убрать провода с неба или что-нибудь в том же духе. JPEG-файп (в котором уже есть искажения) открывается, редактируется, а потом опять сохраняется в JPEG - и на старые искажения накладываются новые. После пары-тройки сохране-ний неприятные JPEG-артефакты становятся заметны невооруженным глазом в виде квадратиков на ровном фоне (особенно они заметны на небе) или ореолов вокруг резких границ
Поэтому если предполагается обработка фотографий, то использу-ется формат TIFF TIFF - это формат без потерь, информация в нем хра-нится точно и без искажений и может быть пересохранена сколько угодно раз Но за это приходится платить объемом - TIFF-файлы гораз-до больше JPEG-файпов. TIFF идеален, когда изображение уже в компьютере, и с ним предстоит поработать. Некоторые камеры умеют сохранять на фпешку файлы сразу в TIFF-формате, но топку от этого немного по нескольким причинам'
1. TIFF-файлы очень велики и моментально забьют любой носитель. Разумнее снимать в JPEG-формате, а потом, на компьютере, пересохра-нять в TIFF. Тогда искажения картинки будут только от первого JPEG-сохранения, а они почти не заметны.
2. Если нужны именно расширенные возможности формата (напри-мер, в TIFF можно записать до 16 бит на каждый цветовой канал), то го-раздо разумнее воспользоваться форматом RAW, который компактнее и гораздо гибче.
RAW - самый сложный и мощный из форматов цифрового фото. Под-робно о нем мы рассказывали в одном из предыдущих номеров (июль 2005, стр. 114). Коротко говоря, RAW - это необработанные данные с матрицы фотоаппарата, к которым прикреплен заголовок с параметра-ми съемки (модель камеры, дата съемки, выдержка, диафрагма и т.д.). Чтобы получить из этих данных изображение, их следует обработать специальной программой-конвертером (поставляется вместе с камерой, но есть и универсальные конвертеры сторонних фирм), которая делает, фактически, то же самое, что и встроенный процессор камеры. Однако есть и отличие - процессор камеры работает по жестко заданным алго-ритмам, а работой программы-конвертера можно управлять. В этом и заключается преимущество RAW - так как в нем содержится полностью вся информация с матрицы, то при обработке возникает огромная сво-бода действий.
Наверное, самая эффектная возможность - возможность произволь-но изменять баланс белого уже после съемки. Матрица ничего не знает про баланс белого - цвет корректируется только при обработке процес-сором камеры или RAW-конвертером. Поэтому при съемке в RAW можно вообще забыть про баланс белого и снимать в совершенно разных све-товых условиях с одними и теми же настройками. А при конвертации достаточно выбрать одну из предустановленных настроек баланса или просто ткнуть мышкой в объект на кадре, который должен быть нейт-рально серым - и все цвета в кадре «волшебным образом» станут пра-вильными. Эта возможность для некоторых кадров бывает просто спа-сительной. Еще одна возможность - при обработке RAW-файпа можно скорректировать экспозицию, если кадр получился недодержанным или передержанным. Причем вытягиванию поддаются даже кадры с силь-ным экспозиционным «промахом» - помогают те самые 10-12 бит, кото-рые выдает АЦП и которые сохранены в RAW.
Недостатки RAW - продолжение его достоинств. RAW-данные не яв-ляются конечным продуктом фотосъемки. Это только полуфабрикат, своеобразный негатив, который еще нужно правильно проявить (обра-ботать в программе-конвертере). К тому же, RAW-файлы гораздо боль-ше по размеру, чем JPEG (хотя и меньше, чем TIFF) и на многих камерах записываются довольно медленно.