Павел Шалин: Цифровые фотокамеры - обзор технологийНазад
Павел Шалин: Цифровые фотокамеры - обзор технологий
Специально для "Книжного клуба "Клуб семейного досуга"
С тех пор, как в 1822 году француз Жозеф Нисефор Ньепс изобрел фотографию, прошло не просто почти два века - с этого момента минула целая эпоха. И если бы сегодня ему показали современный цифровой фотоаппарат, он вряд ли узнал бы в этом хитроумном устройстве собственное изобретение. Действительно, цифровая камера - достаточно сложное и многофункциональное приспособление, позволяющее получать качественные снимки, фактически не обладая какими-либо профессиональными способностями фотографа. Обладателю цифровой фотокамеры даже не обязательно знать смысл таких терминов, как "выдержка", "экспозиция" или "резкость": для того, чтобы отснять нужный кадр, по большому счету необходимо обладать лишь одним обязательным навыком: умением вовремя нажать на кнопку. Все остальное камера сделает сама.
В основе конструкции любого цифрового фотоаппарата лежит так называемая светочувствительная матрица - фотоприемник или фотосенсор, состоящий из множества мелких элементов, на каждом из которых при попадании света накапливается небольшой электрический заряд. С помощью встроенной в камеру электроники этот заряд преобразуется в напряжение и считывается с матрицы в виде массива данных о степени освещенности каждой отдельной точки фотоприемника. А вот как получить таким образом цветную картинку? Один из самых простых способов - использование фильтра Байера. Давайте попытаемся разобраться, что это такое. Известно, что для того чтобы отобразить практически любой оттенок из всего многообразия существующих на свете цветов, достаточно смешать в определенных пропорциях всего лишь три краски: красную, зеленую и синюю. Этот принцип, открытый физиками еще в конце XIX века, получил наименование "цветовая модель RGB", по первым буквам английских слов, обозначающих эти самые базовые цвета: Red - красный, Green - зеленый, и Blue - синий. Количество каждого из трех базовых цветов в некоем оттенке определяется условным значением от 0 до 255, то есть, белый цвет обозначается последовательностью 255,255,255 (максимальное количество всех трех цветов), черный, соответственно, значениями 0,0,0, красный - 255,0,0, зеленый - 0,255,0, синий - 0,0, 255, а для того чтобы получить какой-либо другой оттенок, необходимо изменить значение каждого из цветов триады соответствующим образом. Фильтр Байера удаляет из падающего на каждый отдельный элемент фотосенсора света два из трех компонент триады RGB, и в результате данный крошечный участок матрицы накапливает ровно то количество энергии, которое соответствует интенсивности лишь одного из трех цветов RGB. Соседние пикселы матрицы реагируют на другие цвета, составляющие палитру RGB, при этом точек, определяющих интенсивность зеленой (Green) компоненты триады, обычно в два раза больше, чем точек, реагирующих на красную (Red), и синюю (Blue) компоненты: это связано с особенностями человеческого зрения, для которого потеря зеленого цвета в изображении наиболее заметна. Таким образом, каждая конкретная точка матрицы определяет интенсивность какого-то одного из цветов RGB. А как же два остальных цвета, спросите вы? Да очень просто: зная точное количество любого из цветов триады и интенсивность цветов соседних точек изображения, конкретные значения двух остальных цветов для данной точки нетрудно вычислить методом интерполяции. Таким образом, в общих чертах, и получается цветное цифровое фотоизображение.
В настоящее время наиболее распространено три типа светочувствительных матриц. Во-первых, это так называемые приборы с зарядовой связью, или ПЗС-матрицы, изготавливаемые из поликремния, во-вторых, КМОП-матрицы, собранные на основе миниатюрных транзисторов и светочувствительных элементов, и, наконец, в-третьих, многослойные фотосенсоры производства компании Foveon, которые, впрочем, не получили на сегодняшний день широкого распространения. Думается, сейчас не имеет смысла излишне глубоко вдаваться в технические принципы работы матрицы цифрового фотоаппарата, важно лишь понять суть ее функционального назначения, а именно - преобразование светового потока, падающего на отдельные точки матрицы, в набор электрических сигналов. Современные матрицы могут насчитывать несколько миллионов светочувствительных точек, из которых в итоге формируется видимое нами изображение. Отсюда и взяла свое наименование одна из наиболее значимых характеристик цифровых камер: количество так называемых "мегапикселов". Иными словами, если кто-либо из ваших знакомых решит похвастаться, что в его камере насчитывается восемь мегапикселов, это означает только одно: матрица (фотосенсор) его цифровой камеры содержит восемь миллионов светочувствительных точек, из которых формируется кадр. И чем больше таких точек, тем выше детализация цифрового изображения, тем больше мелких элементов будет различимо на полученном с помощью такой камеры снимке.
Практически во всех современных цифровых фотоаппаратах присутствует функция, которой могут похвастаться лишь очень немногие их пленочные аналоги: а именно - так называемый "зум". Само слово является буквальной транслитерацией английского термина "zoom", который можно перевести на русский язык как "масштабирование изображения". Фактически, зум позволяет "приблизить" удаленный от фотографа объект, увеличить его в кадре и сделать таким образом снимок крупным планом, даже если сам фотограф находится от снимаемого предмета на определенном расстоянии. Кроме того, с помощью зума можно сфотографировать очень небольшой объект, например, во всех подробностях запечатлеть севшую на цветок пчелу. По своему принципу действия зумы цифровых фотокамер делятся на две категории: оптические и цифровые. В случае использования оптического зума эффект приближения объекта съемки достигается за счет изменения группировки линз объектива, при этом обозначение кратности зума наглядно демонстрирует, во сколько раз может быть увеличено изображение снимаемого объекта. Например, надпись на камере "8x optical zoom" означает, что с помощью оптического зума такого фотоаппарата можно увеличить масштаб кадра в 8 раз. В то же время цифровой зум (digital zoom) работает несколько иным образом: при его использовании встроенная в камеру электроника "вырезает" центральную часть кадра и увеличивает ее, заполняя недостающие точки изображения методом интерполяции. Иными словами, камера как бы "дорисовывает" отсутствующие детали картинки "от себя". Разумеется, при подобном подходе качество полученного снимка получается более низким, чем при использовании исключительно оптического масштабирования. Поэтому чем больше коэффициент оптического зума, который способна продемонстрировать камера, тем, очевидно, выше ее потребительские характеристики.
Продолжаем потрошить буржуйскую технику: следующий номер нашей программы - затвор. Основное функциональное назначение затвора обычного фотоаппарата заключается в том, чтобы пропустить свет в момент экспозиции кадра, а в остальное время - предотвратить засвечивание фотопленки. Именно поэтому в своем "рабочем" положении затвор пленочного фотоаппарата закрыт. А вот в случае с цифровой камерой все совсем наоборот: большую часть времени затвор находится в открытом состоянии - благодаря этому на встроенном в камеру экране можно наблюдать объект съемки еще до того момента, как фактически будет сделан снимок. Единственным исключением здесь, пожалуй, могут выступать лишь некоторые виды зеркальных цифровых камер: в таких камерах встроенные жидкокристаллические мониторы обычно отсутствуют, а вместо этого изображение, улавливаемое объективом, с помощью специального зеркала направляется на видоискатель, как в обычной пленочной камере.
Поскольку в цифровых фотокамерах затвор практически всегда остается в открытом положении, появилась возможность снимать получаемое на фотосенсоре изображение в режиме реального времени, и, преобразовав его в видеопоток, транслировать с низким разрешением на небольшом цветном жидкокристаллическом мониторе, которым оснащена камера. Такой подход имеет целый ряд неоспоримых преимуществ. Во-первых, фотограф видит живое изображение, получаемое из объектива фотоаппарата, целиком, словно на экране телевизора, причем еще до момента получения снимка, и все внесенные им изменения в параметры съемки, например, перенастройка фокуса, результат использования зума, сразу же видны на мониторе. При этом изображение демонстрируется именно так, как потом будет выглядеть результирующий кадр. Во-вторых, на том же мониторе отображается огромное количество вспомогательной информации: уровень заряда батарей, текущий режим съемки, режим использования фотовспышки, количество доступной памяти - аналог счетчика кадров пленочного фотоаппарата, текущая настройка автофокуса, и т.д. Достаточно лишь одного-единственного взгляда на монитор, чтобы получить полное представление о том, как в данный момент настроена ваша камера. Вот почему многие современные цифровые камеры попросту утратили видоискатель, в их конструкции остался лишь жидкокристаллический монитор, которого в большинстве случаев для получения качественной фотографии более чем достаточно. Вместе с тем некоторые, наиболее "продвинутые" модели цифровых фотоаппаратов помимо основного монитора все-таки используют видоискатель, хотя и на него картинка транслируется либо с небольшого мониторчика, установленного внутри камеры, либо - с главного монитора, который на время включения видоискателя прикрывается специальными шторками, при помощи системы зеркал. К чему такие сложности, спросите вы? А вы когда-нибудь пробовали смотреть на жидкокристаллический монитор цифровой камеры в тот момент, когда на нее падает свет? На стекле сразу же появляются посторонние блики, картинка становится нечеткой, на ней проступают цветовые искажения. Таково уж свойство ЖК-дисплеев. В то же самое время видоискатель поможет вам увидеть композицию кадра "как есть", без посторонних помех, и определить, готов ли фотоаппарат к съемке. По крайней мере, светящее из-за спины солнышко не будет вам в этом мешать.
Описанными выше функциями возможности цифровых камер не ограничиваются. Многие из них имеют встроенные механизмы борьбы с "эффектом красных глаз", позволяют отснять и записать в память непродолжительный видеоролик, в некоторых камерах имеются системы автоматической стабилизации изображения. Что это за штука, спросите вы? Очень полезная штука. Например, прибыв в какой-нибудь теплый курортный городок на отдых, рано поутру вы решите запечатлеть чудесную панораму, открывающуюся с балкона вашего отеля. Однако сделать это оказывается не так-то просто, поскольку, согласно древней русской традиции, накануне приезд ознаменовался довольно-таки интенсивной культурной программой, плавно перетекающей наутро в легкий тремор передних конечностей. Либо вы желаете сфотографировать пейзаж из окна несущегося по ухабам автомобиля, а может быть, с палубы покачивающегося на океанских волнах катера. В любом случае электроника фотоаппарата, оснащенного системой автоматической стабилизации изображения, легко парирует любую тряску, компенсируя неустойчивое положение камеры. Особенно это актуально, если вы хотите порадовать своих друзей и родственников четкими, контрастными снимками, но вам неохота таскать за собой весь отпуск тяжелый раздвижной штатив.
Разумеется, помимо столь полезных возможностей электроника цифрового фотоаппарата выполняет целый ряд других, "невидимых", но не менее необходимых функций. В частности, после считывания данных с фотосенсора с полученным массивом информации производится целый ряд дополнительных манипуляций, таких как подавление цифрового шума, привязка к уровню черного (полученный уровень сигнала сравнивается с эталонным сигналом от специально обособленных пикселов матрицы, на которые не попадает свет, что позволяет отсечь так называемый "темновой ток"), гамма-коррекция (балансировка уровней "слабых" и "сильных" сигналов с целью получения более достоверного для человеческого зрения изображения), и т.д. Все эти процедуры скрыты от фотографа, но они позволяют многократно улучшить качество полученного цифровой камерой снимка.
Сердце электронной начинки цифровой камеры - микропроцессор, представляющий собой небольшую интегральную микросхему, фактически и выполняющую все возложенные на электронику камеры математические и логические операции. Функционально процессор отвечает не только за выбор режимов съемки, получение и обработку изображений, но и за так называемый интерфейс, то есть, за взаимодействие с внешними устройствами: ЖК-монитором, картой памяти, портами, с помощью которых готовые снимки можно передать на компьютер или принтер. Алгоритмы работы процессора описаны в наборе специальных управляющих микропрограмм, хранящихся во встроенной энергонезависимой памяти цифрового фотоаппарата. В наиболее простых моделях камер такие программы "вшиты" в микросхемы "намертво", и изменить их не представляется возможным, в более совершенных устройствах допускается установка модернизированных версий программ или обновлений, что позволяет устранить какие-либо ошибки в работе устройства, а также расширить его функциональные возможности.
Даже уже перечисленные выше возможности цифровых фотоаппаратов не могут не впечатлять, верно? Фактически, это "умное" устройство представляет собой портативный микрокомпьютер, который, вместе с тем, многократно превосходит по своей вычислительной мощности даже компьютеры, обслуживавшие энное количество десятков лет назад целые научные институты, при этом в некоторых миниатюрных моделях цифровых камер вся электроника умещается если не в одной микросхеме, то на плате размером со спичечный коробок. Теперь, когда вы познакомились с принципиальным устройством цифровых фотокамер, вам будет значительно проще ориентироваться в имеющемся на рынке широчайшем спектре подобных устройств.
