Як працює цифрова камера

Террі Пратчетт, "Божевільна зірка".

Всіляка цифрова техніка нині починає поширюватися практично експоненціально. У такі традиційно аналогові ніші, як звук, радіо, телебачення, вона прийшла вже досить давно і міцно там утвердилася. Цифрова фотографія - явище більш молоде, але теж вже добре відоме. Пам'ятається, Хайнлайн говорив, що людина не повинна знати, як зробити самому будь-яку річ, якою він користується, але знати, як вона працює, він зобов'язаний. Так як же працює цифрова фотокамера?

Взагалі, цифрова камера - це апарат, що дозволяє отримувати зображення об'єктів в цифровій формі. За великим рахунком, різниця між звичайним і цифровим фотоапаратом - тільки в приймальнику зображення. У першому випадку це фотоемульсія, що вимагає потім хімічної обробки. У другому - спеціальний фотоелектронний датчик. Це, так би мовити, виклад на рівні "а всередині у їй неёнка, і вона їй думаеть". А тепер перейдемо до подробиць.

Датчик цей називається матрицею і дійсно представляє з себе прямокутну матрицю світлочутливих осередків, поміщених на одному напівпровідниковому кристалі.

При потраплянні світла на елемент матриці він виробляє електричний сигнал, пропорційний кількості потрапив світла. Потім сигнали (поки що це аналогові сигнали) з елементів матриці зчитуються і перетворюються в цифрову форму цифро-аналоговим перетворювачем. Далі цифрові дані обробляються процесором (так, в ній теж є процесор) камери і перетворюються власне в картинку.

Але серцем будь-якої цифрової камери є все-таки матриця. Чим вони відрізняються? Перше - це технологія виготовлення. Зараз найбільш поширені камери на основі CCD (charge coupled device - пристрій із зарядним зв'язком) матриць. Називаються вони так тому, що під час експозиції в світлочутливих елементах накопичується заряд, пропорційний інтенсивності падаючого світла. Потім, при зчитуванні даних, ці заряди зсуваються з рядка в рядок, поки не буде зчитана вся матриця. Виробляються ПЗС-матриці по МОП-технології і для отримання якісного зображення вимагають високої однорідності параметрів по всій площі чіпа. Якщо не вдаватися в технологічні нетрі, то CCD-матриці дають кращу якість зображення, але дорогі, причому ціна швидко зростає зі збільшенням дозволу (тобто кількості елементів, а значить, і розміру).

Альтернативою CCD є CMOS (чи то пак, по-російськи, КМОП) матриці. Їх перевага - відносна дешевизна виготовлення (все-таки КМОП - основна технологія для всіх комп'ютерних компонентів), велика щільність упаковки елементів (пікселів) і менше енергоспоживання. Правда, до недавнього часу CMOS не витримував конкуренції з CCD в області якості. Однак в останній рік одразу кілька компаній (зокрема, такий монстр індустрії, як KODAK) оголосили про розробку власних поліпшених технологій виробництва CMOS-матриць високого дозволу (до 16 мегапікселів). Так що незабаром можна очікувати на ринку досить якісні CMOS-камери.

Тепер наступний момент - елементи матриці сприймають тільки інтенсивність падаючого світла (тобто, дають чорно-біле зображення). Звідки береться колір? Для отримання кольорового зображення між об'єктивом і матрицею розташовується спеціальний світлофільтр (фільтр Байєра), що складається з точок основних кольорів (зеленого, червоного і синього), що знаходяться над відповідними осередками. Причому, для зеленого кольору зазвичай використовуються два пікселя, оскільки око найбільш чутливе саме до цього кольору. Остаточний колір пікселя на зображенні в такій системі вираховується з урахуванням інтенсивностей сусідніх елементів різних кольорів, так що в результаті кожному одноколірного пікселу матриці відповідає кольоровий піксель на зображенні.

Головним параметром матриці є її дозвіл - тобто якраз кількість світлочутливих елементів. Більшість камер зараз робиться на основі мегапіксельних (мільйон пікселів) або більших матриць. Природно, чим більше дозвіл матриці, тим більш деталізований знімок можна на ній отримати. Звичайно, чим більше матриця, тим вона дорожча. Але за якість завжди доводиться платити.

Як пов'язано дозвіл матриці і розмір отриманих знімків? Безпосередньо. На мегапіксельною камері ми отримаємо картинку розміром 1024х960 = 983040. А приблизна таблиця відповідності розміру картинки і розміру фотографії виходить така:

Відбиток, см x смДозвіл, пікселів

9 x 13 1024 x 767 10 x 15 1280 x 960 20 x 25 1600 x 1 200

Як бачите, для великих відбитків це відповідність нелінійне - і це правильно, оскільки більший відбиток розглядається з більшого відстані, і деталізацію на ньому можна зменшити.

(Далі буде)

Костянтин АФАНАСЬЄВ, [email protected]