Принципы работы и технические характеристики цифровых фотоаппаратов

Принципы работы и технические характеристики цифровых фотоаппаратов

Принципы работы и технические характеристики цифровых фотоаппаратов.

Фотоаппарат, как средство фиксации и сохранения видимого глазом облика окружающего мира, принципиально не изменился за более чем полторы сотни лет своего существования. Объектив для фокусировки изображения на «запоминающий элемент»; коробка, ограничивающая ненужные для формирования изображения потоки света; видоискатель для «построения изображения» в пределах чувствительного элемента и сам чувствительный и запоминающий элемент - все это и сейчас является основой пленочного или цифрового фотоаппарата. Совершенствование системы всегда имело целью получение изображения как можно более детализированного, соответствующего объекту съемки по распределению яркости и цветопередаче и отвечающего, кроме прочего, желанию фотографа. Объектив, пленка, коробка и затвор определяют требуемое качество изображения, а для реализации стремлений фотографа служит видоискатель и система управления фокусировкой и выдержкой. Рутинную деятельность по выбору и отработке экспозиции и фокусировки с успехом выполняет автоматика современной камеры, снимающему остается лишь указать автоматике, на что фокусироваться, и выбрать программу, соответствующую представлениям фотографа о «правильной экспозиции и фокусировке» для конкретной ситуации.

Когда на место пленки в фильмовый канал фотоаппарата установили чувствительную матрицу, началась цифровая фотография. Были использованы опыт и технологии конструирования пленочных фотоаппаратов и видеокамер. К качественной оптике и системе управления/автоматики фотоаппаратов добавили усовершенствованную светочувствительную матрицу от видеокамер и ее систему управления (баланс белого, трансфокатор). Чувствительная ПЗС-матрица фотоаппарата должна обладать большим разрешением, чем у видеокамеры, для достижения эквивалентного видео по качеству изображения, так как в фото изображение состоит из одного кадра, а в видео - из последовательности быстро сменяющих друг друга кадров. Увеличение линейного размера и разрешающей способности матрицы - непростая техническая задача. На сегодняшний день линейный размер сенсора недорогого цифрового фотоаппарата составляет 1/5-1/8 от размера кадра узкопленочного (35 мм) фотоаппарата. При этом кадр состоит из 1-3 миллионов точек изображения, неравномерно разделенных между цветовыми каналами (например RGGB). Если оценивать изображение только по числу элементов, его формирующих, и глубине цвета (в количестве воспроизводимых оттенков), то у недорогого пленочного аппарата есть значительное (в среднем в 2-5 раз; верхняя оценка недалека от истины, но требует множества оговорок) преимущество перед более дорогим цифровым того же потребительского класса (любитель). К счастью, в фотографии есть еще много параметров, определяющих качество фотоаппарата как инструмента, да и требования к фотоаппаратам любительского класса (печатный кадр 10x15 см при «высококачественной» печати в 250-300 dpi - это 1024x768 или 1500x1000 для дисплея) легко удовлетворяются полуторамегапиксельной камерой. Так что, купив более дорогую по сравнению с пленочной камерой цифровую и сэкономив на пленке, вы не прогадаете. Нужно отметить, что возражения вроде: «если пленочная камера стоит 100 usd, а цифровая 300 usd, то, отсняв 60 пленок, можно отработать разницу, но я столько не сниму» - не вполне справедливо. Цифровой камерой вы будете снимать больше, возможно, перестав печатать фотографии на бумаге, а сотнями сохраняя их на компактах, которые обойдутся вам не дороже 3-5 «пленочных» отпечатков 10x15 см или трети рулона пленки.

Замена пленки чувствительной матрицей, на первый взгляд, не сильно повлияла на фотосъемку как процесс. Однако это не совсем так. Уже упоминавшееся увеличение количества отснятого материала лишь один из примеров того, как новое техническое решение меняет стиль фотографии. Несколько ухудшается общая надежность камер. Каждый пиксел ПЗС-матрицы как-бы живет своей, отдельной, жизнью, и может выйти из строя. В этом случае на всех Ваших фотографиях будет просматриваться черная точка. К счастью подобная неприятность случается не так часто (при бережном обращении с камерой). С другой стороны - объектив обычной камеры также можно поцарапать.

Чувствительная матрица цифрового фотоаппарата не «различает» спектральные особенности света, а иногда вообще чувствительна только к тепловому эффекту от падающего светового потока. Для того чтобы заставить ее уловить и воспроизвести цвета, пред ней устанавливают цветные фильтры основных или дополнительных цветов и их комбинации. Алгоритм построения картинки «знает», где какой фильтр находится, и, рассчитывая и интерполируя (три фильтра поставить на одну чувствительную точку технически сложно, хотя и реализуемо) на соседние точки других цветов значения цветовых компонентов, строит «истинную» картинку. При съемке на пленку всегда нужно помнить о цветовой температуре основного источника света. Для получения приемлемого качества снимка нужно, чтобы пленка соответствовала источнику света, в противном случае необходимо применять конверсионные фильтры, вводить поправку на экспозицию и потом «вытягивать» цвета при печати. В цифровом фотоаппарате достаточно «задать большую чувствительность» компоненту «слабой» области спектра и уменьшить чувствительность в наиболее «яркой», и картинка получится такой, как ее видит глаз, тем более что глаз точно так же подстраивается под источник света. Недорогие цифровые камеры имеют стандартный набор настроек «баланса белого»: «в помещении» (лампа накаливания), «вне помещения» (солнце), «люминесцентная лампа», «авто». Режим «авто» устанавливает баланс белого по самому яркому объекту и потому может ошибиться, если тот не белый. У более сложных моделей можно выбрать несколько настроек для режима «вне помещения» - «солнце», «облачно», или для режима «люминесцентная лампа»/«в помещении». И наконец, как у профессиональной видеокамеры, возможен ручной режим выбора «баланса белого» по белой мишени.

Чувствительная матрица, доставшаяся в наследство от видеокамер, имеет чересстрочный режим считывания сигнала. Это позволяет исключить использование механического затвора и передавать в видоискатель изображение, попадающее на матрицу, а также снимать видеофрагменты длиной в десятки секунд или использовать цифровой фотоаппарат как видеокамеру при подключении к ПК или телевизору (большинство недорогих цифровых камер имеют видеовыход). Отсутствие затвора исключает вибрации, повышает надежность и долговечность системы и уменьшает стоимость изделия, хотя механическим затвором, тем не менее, оснащено большинство цифровых камер.

Один из главных элементов, определяющих удобство работы с фотоаппаратом, - система видоискателя. В простейшем случае она показывает границу кадра. У пленочных камер видоискатель может быть совмещен с системой фокусировки (дальномерные камеры), а у зеркальных показывает то, что фокусируется объективом на пленку. В последнем случае можно заменить один объектив другим или изменить фокусное расстояние зум-объектива, не заботясь о соответствии картинки в видоискателе и на пленке, а также «напрямую» наблюдать эффект использования фильтров-насадок. Передача реального (согласованного) изображения в видоискателе может быть реализована и в дальномерных камерах, но это сложнее. А как у цифровых? Самые дешевые модели с объективом фиксированного фокусного расстояния имеют оптический видоискатель, показывающий границу кадра. Если к тому же в камере реализован принцип широкоугольного объектива с фиксированной фокусировкой (объектив устанавливается в положение гиперфокальной фокусировки, в котором все предметы, начиная с какого-то расстояния и до бесконечности, с некоторой точностью воспроизводятся резко), кроме границы кадра фотографу и контролировать нечего. Если же у фотоаппарата есть автофокус, и он оснащен зум-объективом, то оптический видоискатель можно сделать согласованным. Однако технически проще в оптическом видоискателе нанести рамки границ кадра для различной фокусировки и макрорежима, а точно показывать изображение на LCD TFT-мониторе. Поскольку на него передается изображение с чувствительной матрицы, то и дает он весь кадр и с той фокусировкой и экспозицией, как у будущей фотографии. Если монитор поворотный да еще и с подсветкой, про оптический видоискатель можно забыть вообще. Но оптический видоискатель или «псевдооптический» - телекамера в окуляре, - остается на большинстве моделей, так как большой монитор «слепнет» при ярком солнце и потребляет много энергии. Нужно отметить, что хороший оптический видоискатель в цифровых камерах - редкость, и очень быстро отвыкаешь им пользоваться. Если монитор мелкозернист, можно не только оценить резкость картинки, но и ее глубину. Хотя, конечно, такого качества, как у зеркалки со сменными фокусировочными экранами, не получишь. Размер дисплея - обычно несколько сотен тысяч элементов, и это наиболее важная характеристика, а линейный размер не всегда пропорционален качеству передаваемого изображения. Настроив яркость дисплея, вы будете видеть на нем картинку, близкую к будущей фотографии, и сможете легко внести поправку в экспозицию снимаемого кадра. Так что все, что снимается с контролем через LCD-монитор, выйдет более или менее проработанным, а вот обладателям пленочных камер, пусть и с пленкой большей экспошироты, остается надеяться на автоматику камеры, собственный опыт или снимать серию кадров, меняя экспопараметры, и ждать результатов до проявки. На цифровой камере легко уловить известный принцип автоматического определения экспозиции - «все кошки серы» - и научиться его исправлять, а на более продвинутой и дорогой можно еще и посмотреть гистограмму распределения яркости кадра, что очень важно при съемке на «более контрастную» и с меньшей экспоширотой, чем у пленки, цифровую матрицу. Дисплей - это еще и просмотр отснятого материала, информация о параметрах и режимах съемки, навигация по меню, что у пленочных собратьев доступно только настоящим профессионалам, и то в меньшем объеме.

Цифровая камера, даже самая простая, - сложное электронное устройство, поэтому автоматическое определение и отработка экспозиции и фокусировки не могут существенно усложнить его. Более того, саму чувствительную матрицу можно использовать для определения экспопараметров и степени контраста картинки, а значит, осуществлять фокусировку. Компактные пленочные фотоаппараты с фиксированным зум-объективом обычно оснащены системой активной (с излучателями) фокусировки и отделенным от объектива датчиком экспозамера, а более сложные - TTL- (замер через объектив) системами. В цифровых камерах встречаются оба варианта, но возможность использования чувствительной матрицы в качестве сенсоров и сложная электроника позволяют оснастить самые недорогие экземпляры пассивным автофокусом и экспозамером с возможностью выбора фокусировочных зон и зон экспозамера (центр кадра, усредненный, центровзвешенный, матричный). То, что в простейших образцах такие возможности не реализуются, скорее всего, определяется потребительскими качествами изделия: излишняя сложность не нужна аппарату типа «навел - снял».

Чем существенно отличается цифровая камера от пленочной - так это чувствительным элементом. Вместо пленки - матрица и устройство хранения информации. Одна из главных характеристик пленки и матрицы - чувствительность. Диапазон этой величины для «бытовой» пленки и чувствительного элемента цифрового фотоаппарата - 50-800 ISO (у цифровой камеры обычно поменьше). Информация в цифровой камере хранится во встроенной или сменной памяти. Наиболее дешевые образцы имеют только встроенную, с возможностью передачи информации на компьютер через все существующие интерфейсы: COM, LPT, USB, IrDA и пр. Кроме памяти для хранения отснятого материала и настроек есть еще и оперативная. От ее «размера» отчасти зависит, с какой частотой вы сможете снимать кадры или последовательности кадров. Каждый отснятый кадр камера переводит в «цифру» и преобразует в файл определенного формата. Наиболее распространенный - JPEG. Для профессионалов предпочтительнее TIFF и RAW (просто информация с каждого пикселя матрицы) - с малым сжатием или без него. Так как два последних формата имеют большой размер, требуют более дорогой сменной памяти, и кроме того, лишь немногие просмотровые программы (в частности, веб-браузеры) «умеют» их читать, они практически не используются в недорогих цифровых компактах.

Управление цифровым фотоаппаратом ненамного сложнее, чем пленочным, хотя возможных функций и настроек в целом побольше. Дополнительно к традиционным для пленки: «баланс белого», выбор выходного файла - формата и компрессии, режим видео/аудиозаписи, режимы вспышки, режимы фокусировочной и экспоавтоматики/замера и др. Управление осуществляется как в стиле традиционном - кнопочном, так и «компьютерном»: с помощью меню на ЖК-дисплее.

Пленочного фотографа ограничивает количество пленок, а цифрового - объем доступной сменной памяти и элементы электропитания. Цифровые камеры прожорливее компактных пленочных, и потому лучше запастись не одним комплектом аккумуляторов и поменьше использовать ЖК-дисплей и вспышку. Встроенными вспышками оснащено большинство цифровых фотоаппаратов, и, как правило, вспышки эти автоматические, многорежимные и в целом более сложные, чем у компактных пленочных камер.

Условно цифровые фотоаппараты любительского класса можно разделить на несколько групп. Степень сложности оптики и автоматики с электроникой - вот критерии такого разделения. Наиболее простые аппараты оснащены объективом с постоянным фокусным расстоянием (гиперфокус), работают в автоматическом режиме «баланса белого», не имеют ЖК-дисплея и сменной памяти, оснащены вспышкой и стоят до 150-200 у. е. Это Agfa Ephoto Cl18 c CMOS-матрицей и форматом 640х480, режимом веб-камеры, только встроенной памятью и USB-интерфейсом, и близкие по характеристикам: Agfa Ephoto Cl20, JENOPTIK JD350/JD12, Largan Lmini 350, UMAX Astra Cam 1800. У более дорогих моделей есть ЖК-дисплей, макрорежим, сменная память и кадр побольше, цифровой зум, экспокоррекция: Agfa Ephoto Cl 34 1280х960, Largan EASY 800, Premier DC530, Samsung Digimax 800K. Как правило, доступна только одна «чувствительность» в диапазоне от 80 до 200 ISO. Следующий шаг - это камеры с автофокусом, несколькими режимами «баланса белого», экспозиционной автоматикой или сюжетными программами, ЖК-дисплеем, цифровым и оптическим зумом, несколькими шагами ручной фокусировки (3-7 шагов от 0,5 м до бесконечности), сменной памятью и матрицей в 1,5 млн. пикселей. Из современных камер это Kodak DC 215, Fujifilm MX1200, Fujifilm FinePix 1300, Samsung SDC-80/100. Стоят они 250-350 у. е. Камеры с чувствительной матрицей от 2 млн. пикселей обычно оснащены полноценным зум-объективом с асферическими элементами, автоматической многорежимной вспышкой, имеют TIFF- и JPEG-форматы записи кадров, режим видеозаписи, больше ручных настроек и вариантов светочувствительности и стоят чуть дороже - 350-550 у. е. В соответствии с ценой и сложностью конструкции это Polaroid PDC2300Z, Olympus Camedia С860L, С990/960, Sony DSC-S30, Minolta 2300, Olympus С2020 zoom, Fujifilm MX2700, Pentax EI-200 / HP618.

Развитая электроника, общая архитектура с ПК и сменная память позволяют использовать фотоаппарат и не по прямому назначению, или в составе других устройств. К примеру, у Fujifilm FinePix 40i есть встроенный проигрыватель музыкальных MP3-файлов, Kodak выпускает фотоприставки для компьютеров Palm, а Casio делает игрушки для будущих шпионов - наручные часы-фотоаппарат Casio Wrist Camera (черно-белый, 28000 пикселей) и Palm-вариант JK710DC.

Новые модели теснят старые, и в ценовой диапазон цифровых компактов попадают отличные полупрофессиональные камеры с более развитыми функциями и управлением, большим количеством ручных настроек и возможностью использования внешних вспышки, пульта ДУ и афокальных теле/широкоугольных насадок (к примеру, трехмегапиксельные Casio, Nikon и Olympus).

Если описанные выше камеры, за редким исключением, имеют форму «мыльниц», то фотоаппараты для профессионального применения, позволяющие снимать не только в альбом, но и для дела, более функциональны и по дизайну, и возможностям. Этому классу свойственны дополнительные ручные режимы отработки экспозиции, фокусировки, выбора фокусировочных зон и зон экспозамера, больший объем оперативной буферной памяти для серийной съемки, более качественные и просто большие матрицы, более «светлые» объективы с асферическими элементами и просветлением. Автоматика и управление на уровне зеркалок среднего класса и конструкция иногда «зеркальная» - в этом нет ничего особенного. Olympus Camedia E-10 (поддерживает два типа сменных карт Smart Media и Compact Flash), Pentax EI-2000/3000 - настоящие зеркалки с матрицей в 3-4 млн. пикселей. Еще не профессионалы типа Nikon D1, Canon D30, но очень близки к ним, и по некоторым параметрам даже превосходящие. Зеркальность и «зеркальный» дизайн их в принципе только дань стилю: ни широкого спектра сменной оптики, ни сменных оптических фокусировочных экранов. Нужно отметить, что чувствительные матрицы все же меньше, чем кадр узкоформатной пленки, и потому сверхширокие объективы типа «рыбий глаз» пока не доступны и «профессионалам». Для следующего шага нужны большие матрицы по размеру и разрешению, а пока производители повышают качество 3-4-миллионых матриц малого размера, меняя форму чувствительных элементов и их расположение, сдвигая матрицу при съемке и интерполируя кадр (Fujifilm FinePix 4900 Zoom) или сшивая две матрицы (Minolta Dimage RD3000). Незеркальных камер в этом классе довольно много. «Младшие» аппараты Nikon CoolPix 880, Casio QV-3000EX и им подобные - просто более развитые по управлению и ручным функциям, но в корпусе зум-компактов. Более дорогие «конструируются» вокруг объектива - десятикратные супер-зумы со стабилизаторами Sony Mavica CD 1000 и Canon PowerShot Pro 90IS, с поворотными объективами Nikon CoolPix 990/950 или стильного дизайна с хорошей оптикой Canon PowerShot G1 и Fujifilm FinePix 4900 Zoom. Покупая такой аппарат, вы действительно получите удобный инструмент для работы, а не игрушку. Более емкие аккумуляторы, надежный узел крепления к штативу, возможность создания собственных программных режимов, побольше металла в корпусе - на это можно рассчитывать.

И, наконец, камеры для профессиональных фотографов. Речь пойдет о репортерских камерах - аналогах 35-мм зеркалок. Однако нужно упомянуть и о студийных устройствах - цифровых задниках для среднеформатных и широкоформатных камер. Их основа - сканирующие ПЗС-линейки, сшитые матрицы или матрицы, смещаемые в процессе съемки. Эти агрегаты позволяют получать кадры высокого качества объемом в сотни мегабайт, однако немобильны, а для передачи данных на компьютер требуют постоянного присутствия последнего на расстоянии вытянутой руки. Не следует думать, что цифровые камеры профессионального класса (с некоторой долей условности) появились год-два назад. Цифровые матрицы устанавливались в коробки Nikon и Canon и выходили под маркой Nikon-Kodak, Canon-Kodak. Серии Kodak DCS 3ХХ/4ХХ/5ХХ/6ХХ имели (и имеют, и выпускаются) разрешение от 1,5 до 6 млн. пикселей. Цена их высока, они более громоздки (как классическая зеркалка с большим батарейным блоком или мотором) и в зависимости от разрешения ориентированы на студийное или репортерское применение. Первый серийный цифровой аппарат для фотографа - просто цифровую зеркалку (самостоятельную, а не гибрид) со всеми необходимыми подвижному фотографу функциями предложил Nikon в 1999 году. Внешне напоминающий Nikon F5, а значит, такой же увесистый и надежный, Nikon D1 имел небольшую по нынешним временам матрицу в 2,62 млн. пикселей, классический байонет от Nikon, что дает возможность использовать всю (с некоторыми ограничениями) линейку сменных объективов, «увеличив» их фокусное расстояние в 1,5 раза. 1005-точечный оценочный цветной замер экспозиции, а так же центровзвешенный и точечный, 5 датчиков (3 крестообразных) автофокусировки, режимы следящего автофокуса, большой буфер для хранения отснятого - можно быстро снимать со скоростью до 4,5 кадра в секунду серии до 21 кадра, добавим к этому отличный оптический видоискатель (с возможностью смены фокусировочных экранов) и дополнительные функции цифровика (ЖК-дисплей со всей информацией и гистограммой, быстрый интерфейс для ПК и возможность управлять съемкой с компьютера), а также классические функции управления и автоматики F5 и возможность подключения внешних вспышек и пультов - отличный инструмент для фотографа. На момент написания статьи аппарат стоит около 4 тыс. долларов. Обещают быть выпущенными в скором времени варианты D1X с большей матрицей (5,5 млн.) и D1H с большим буфером (до 40 кадров со скоростью в 5 к./с). Другие производители до сих пор стремятся к созданию подобного устройства с тем или иным успехом. Можно, конечно, сказать, что камеры более дешевого класса лучше по матрице (разрешению), кое в чем удобнее или что-то еще, однако как единое цельное репортерское устройство цифровой вариант пленочного F5 - концептуальная вершина. Следующую более простую камеру в линейку цифровых Nikon’oв (серийная съемка «почти» недоступна - максимальная скорость 1,5 к./с и снять можно всего несколько кадров) добавил Fuji. Fujifilm FinePix S1PRO - это Super CCD RGB-матрица от Fuji в 3,4 млн. пикселей (интерполяция до 6,1 млн.) в корпусе Nikon F60 и с тем же пропорциональным упрощением функционального богатства от F5 до F60. Аппарат может снимать и на Smart Media и на CompactFlash, а вот D1 поддерживает только последний формат, но имеет более быстрый интерфейс для связи с ПК - FireWire против USB. И стоит Fujifilm FinePix S1PRO поменьше - около 3000 usd. Другая более современная вершина - Canon EOS-D30. Функционально она на уровне Nikon D1 (чуть попроще, помедленнее съемка и интерфейс, очень широкий набор пользовательских настроек, цена - около 3000 usd), имеет больший сенсор CMOS с оригинальным учетом и компенсацией остаточных уровней тепловых сигналов на ячейках матрицы. Производитель утверждает, что даже корпус у нее оригинальный, а не от пленочного аналога. И Nikon D1, и Canon EOS-D30 - камеры не только для фотографа, но и часть технологического комплекса: надежность, тесная связь с ПК, возможность установки объектива с требуемыми характеристиками (микроскопа или зрительной трубы) позволяют использовать их как инструмент контроля и измерения.

Из камер уже существующих и, благодаря цене или техническим характеристикам, способных конкурировать с «вершинами» нужно отметить Olympus E10 (4 млн. пикселей за менее чем 2000 usd) и более специальную E100 (1,51 млн., но с серийными режимами до 15 к./с и до 100 кадров VGA-качества). Обе камеры оснащены несменными зум-объективами, первая - четырехкратным, вторая - десятикратным; вторая, конечно, не зеркалка и не профи, но по скорострельности - почти чемпион. Упоминавшаяся ранее Minolta Dimage RD3000 также могла бы поспорить с профессионалами, если бы не цена (4-6 тыс. usd). Серийная съемка (1,5 к./с до 5 кадров), очень быстрый интерфейс SCSI-2, почти три мегапикселя на сшитой матрице, ручные и автоматические экспо- и фокусировочные режимы и сменные объективы для зеркалок формата Minolta APS почти без пересчета фокусного расстояния. И Olympus, и Minolta имеют 30-битный АЦП, у последней нет RAW-формата записи кадров - все это говорит о более простом цветопредставлении и менее качественной в среднем картинке (минусы эти почти или вовсе незаметны при просмотре картинки на мониторе, тем более что смотреть на нем не 24-битную картинку почти невозможно).

В недалеком будущем появятся, а может, уже появляются зеркальные камеры с размером матрицы в полный 35-мм кадр и матрицей в 6 мегапикселей. Это Pentax Digital SLR и Contax N Digital. Кроме полного кадра, а значит, всей объективной линейки без пересчета, они обещают иметь более быстрый интерфейс FireWire и все функциональные возможности профессиональных камер.

Несколько слов о производителях. Цифровые фотоаппараты делают как традиционные фотофирмы, так и компьютерные, а поскольку последних, наряду с именитыми, существует великое множество, то рынок может быть в скором времени заполнен недорогими мыльницами восточных производителей. Однако уважающий себя фотограф купит изделие у Canon, Casio, Contax (Yashica), Fuji, HP, JVC, Kodak, Leica, Minolta, Nikon, Olympus, Pentax, Ricoh, Sanyo, Sony, Toshiba. В линейке каждой из фирм на сегодняшний день компакты простые и сложные с размером кадра 0,8-3 млн. пикселей и полупрофессиональные/профессиональные модели. Модельный ряд наиболее богат у Kodak, Olympus, Nikon, Fuji, Canon, Casio, Sony (2-3 десятка не считая модификаций), у остальных поменьше - около десяти у HP, Toshiba, Ricoh, а вот легендарные фирмы - Leica, Contax и др. - считают, что большинство цифровых мыльниц подобны плейерам-игрушкам и недостойны носить столь славные имена.