Матрицы фотоаппаратов сравнение. Экскурс в историю. Отношение сторон матрицы

08.08.2018 Техника

В 1981 году компания Sony представила миру первый цифровой фотоаппарат. Изобретатели создали цифровой заменитель плёнки - матрицу. Этот прорыв дал возможность делать тысячи снимков и сохранять их в цифровом виде. Качество изображения стало зависеть не только от оптики, но и от размеров и свойств матрицы.

Что же это за свойства? Сначала вспомним, как формируется изображение. Матрица фотоаппарата - это решетка с плотной структурой. Она состоит из крошечных светочувствительных элементов - фотодиодов. Свет, собранный объективом, попадает на матрицу. Фотодиоды преобразуют этот свет в электрический заряд. Далее заряд поступает в процессор. Он «читает» поступившие заряды и преобразует их в цифровой язык. После этого создается пиксель. Он хранит в себе информацию о яркости и цветовом оттенке, в виде цифр и битов. Каждый пиксель повторяя расположение фотодиода помещается на изображение. Миллионы крошечных пикселей формируют снимок, который записывается на карту памяти.

Матрица - это воспринимающая часть фотоаппарата. Когда на неё попадают фотоны света, она преобразует их в электричество.

Впоследствии можно уменьшить эти цвета окраски либо с помощью специальной функции программного обеспечения, либо путем ручной десатурации. Рождение цифровых датчиков. Идея изобретения была простой, это было устройство, способное считывать ряд значений нагрузки из массива «один к одному» и преобразовывать их в цифровые сигналы. Идея, по мнению ее авторов, имела множество приложений, таких как память или устройство для захвата изображений. Первый патент, применяемый для использования в качестве датчика для изображений, был бы Майклом Томпсеттом, в его устройстве был 8-пиксельный линейный датчик, способный действовать как сканер.

Теперь рассмотрим, какие параметры матрицы влияют на качество картинки:
  • физический размер;
  • размер фотодиода.

Два этих параметра влияют на:

  • светочувствительность;
  • резкость;
  • разрешение;
  • динамический диапазон цветов.


Стандартный размер 35-миллиметровой пленки был взят за основу при создании матрицы. Лучшие камеры обладают 35 мм (24х36 мм) матрицей. Такой размер позволяет захватить максимально много пространства в кадр. Большая матрица имеет ряд преимуществ. Но производство таких сенсоров относительно дорогое. Чтобы сделать технику доступнее, размеры матрицы начали уменьшать. В любительской зеркальной камере она уменьшена в 1,5 раза — от размера 36х24 мм до размера 15,7х23,6 мм. «Уменьшение в 1,5 раза» называют кроп-фактором. В «мыльницах» матрица уменьшена в 5 раз от 35 мм. Чем меньше размер матрицы - тем меньше пространства она сможет захватить.

При одинаковом месте съемки маленькая матрица обрежет кадр. Очень частое заблуждение, что меняется фокусное расстояние.

Это было начало цифрового изображения, кстати, имя изменилось бы на устройства с зарядовой связью. Бойл и Смит получат Нобелевскую премию по физике за это изобретение в этом году. С одной стороны, у нас есть фотодиоды, это части, которые получают свет и преобразуют его в заряд электронов, который хранится в самом пикселе. Как только захват сделан, загрузка каждого пикселя передается по одному по строкам в регистры вертикального сдвига. И каждая строка затем передается в регистр сдвига по горизонтали.

Очень упрощенная схема этого иллюстрируется следующим рисунком. Кроме того, было проще применять то, что известно как глобальный затвор в электронном виде, избегая эффекта, известного как рулонный затвор. Если вы в последнее время следите за новостями о новых камерах, которые выходят на рынок, вы поймете, что в норме все больше мегапикселей. Не вдаваясь в вечные дебаты, если вам действительно нужно больше мегапикселей. Это увеличение количества мегапикселей уменьшило площадь тех же, почему каждый пиксель получает меньше света.


У каждой матрицы есть чувствительность. Она зависит от размера фотодиода. Чем больше фотодиод, тем больше «полезного» света он воспринимает. В последствии камера с большим фотодиодом позволяет:
  • Фотографировать на больших ISO без цифрового шума.
  • Использовать более короткую выдержку, чтобы получить резкое изображение.


В течение долгого времени все пиксели имеют микролинент сверху, что помогает им получать больше света, чтобы немного противодействовать их небольшой площади. Но теперь есть проблема с размером колодца. Это означает, что свет должен проникать очень прямо на датчик, что является проблемой для широкоугольных объективов. По этой причине микролинзы были помещены перед каждым пикселем в течение некоторого времени, пытаясь улучшить количество света, собранного каждым пикселем.

Для определенных типов линз это показало области фиолетового по краям изображения и сильное виньетирование, потому что свет, выходящий из широкоугольной линзы, не доходит до датчика под углом 90 градусов, а наклонный и не весь объектив. Из-за этого свет пришел к фотодиоду. Устанавливая линзу намного ближе к датчику, очень сложно сделать широкоугольную конструкцию, которая не очень громоздка. Но проблема все еще существует, чем больше мегапикселей, тем меньше света получает каждый пиксель. Схема более или менее была бы следующей.

В матрице с большими пикселями более широкий динамический диапазон цветов. Но нельзя увеличивать размер фотодиода на маленькой матрице. Если это сделать, то уменьшится количество мегапикселей (разрешение).

Посмотрите на характеристики двух камер. Canon 1Ds Mark II — полнокадровая, но из-за большого размера пикселя имеет максимальное разрешение, как и Nikon D7000/5100.


Так происходит, потому что разрешение определяется количеством пикселей на дюйм (ppi или dpi). Чем меньше размер фотодиода - тем больше пикселей поместится в одном дюйме. Один миллион пикселей называют мегапикселем. Но их значимость сильно переоценивают маркетологи. Большое разрешение вам понадобится только при распечатке больших изображений. Для того чтобы распечатать фотографию 10х15 см, хватит 2 мегапикселя. Для наглядности возьмите любое изображение с большим разрешением. В графическом редакторе уменьшите его на 50%. Сравните два изображения. Они выглядят совершенно одинаково. Вы заметите потерю детализации, только если увеличить масштаб.

Для примера использовался фотоаппарат Nikon D5100.

Простейшей идеи быть не может. Речь идет о максимально приближении фоточувствительной зоны к микролинзам и всей электронике, необходимой для работы каждого пикселя. Таким образом, свет, собираемый фотодиодом, намного больше, что позволяет, хотя размер пикселя меньше, он все равно получает достаточное количество света, так что отношение сигнал / шум остается хорошим.

Вы должны понять, как работает процесс изготовления чипа. Чипы изготавливаются из кремниевых пластин, на каждой пластине строятся различные физические и химические процессы, чипы, как только процесс закончен, вырезаются пластины и соответствующее количество чипов, которые попадают на эту пластину. Эти чипы тестируются, потому что отказ в процессе изготовления или примеси в таких материалах, как кремниевая пластина, может привести к тому, что чип переходит непосредственно к мусору. Чем меньше чипов, тем больше вы получаете на пластину, поэтому соотношение между чипами, которые выходят хорошо или плохо, увеличивается.


Отталкиваясь от вышесказанного, можно сделать вывод: физический размер матрицы и её свойства — и есть показатель качества. Для макросъемки важнее детализация изображения и количество пикселей. Для съемок в плохом освещении подойдет более светочувствительная матрица. Для любительской съемки могут подойти качественные «цифровики» с маленькой матрицей. Снимайте тем, что у вас есть. Ведь для того чтобы получить хорошую фотографию, не нужна дорогая техника. Какой бы большой ни была ваша матрица, она не обеспечит глубокий смысл снимка или завораживающий пейзаж.

Чем больше чип, вероятность того, что что-то пойдет не так, значительно возрастет. Когда производитель считает, что производственный процесс достаточно зрелый и что технология может принести пользу конечному продукту, его переносят старшие братья и сестры.

Идея довольно проста, когда мы говорим, что датчик имеет 20 мегапикселей, на самом деле у него 20 миллионов микролинз, у которых есть 20 миллионов фотодиодов. Канон, что он сделал, оставил эти 20 миллионов микролинз, но под ним было поставлено 40 миллионов фотодиодов. Тогда для каждой микролинзы у нас есть два фотодиода.

Матрица является светочувствительной поверхностью, на которой через объектив попадает свет и преобразуется в электронные импульсы, а после обработки процессором, сохраняются на карте памяти как фотографии в виде цифрового кода. Можно сказать функцией матрицы является оцифровка света попавшего на его поверхность, называется ещё и сенсор, фотодатчик.

Таким образом, каждый «пиксель» датчика способен измерять свет с каждой стороны объектива, и это измерение используется алгоритмами обнаружения автофокуса для определения фазы. После того, как пользователь готов принять фотографию, то, что делает программное обеспечение камеры, измеряет свет на обоих фотодиодах и добавляет его для создания окончательного измерения для создания гипотетического изображения 20 мегапикселей.

Основным преимуществом этой системы является то, что у нас нет пикселей, которые теряют половину света, как в предыдущем случае. Это число обычно говорит нам о коэффициенте умножения линзы, и это укажет нам, насколько объектив может распространять объект на его.

Разрешение матрицы фотоаппарата

Матрица фотоаппарата состоит из датчиков пикселей, от количества пикселей зависит разрешение цифрового изображения, чем больше пикселей, тем выше детализация кадра, тем чётче будут видны маленькие детали. Количество пикселей на DSLR камерах обозначается словом Megapixel. Современные фото датчики цифровых фотоаппаратов имеют 8-24 миллионов пикселей.

Коэффициент увеличения или умножения - это просто связь между естественным объектом, сфокусированным относительно его проекции на датчик нашей камеры. В основном это говорит нам, что каждые 4 мм реальности будут уменьшены до 1 мм, когда это будет проект в датчике, после того, как свет пройдет через объектив, как вы можете видеть на следующем рисунке. Возвращаясь к номерам, которые говорят нам о производителях линз.

Это легко проверить самим. Когда объектив фокусируется на вашем расстоянии, 1 мм от шкалы линейки соответствует 1 мм от датчика. Линза лежит на расстоянии 0, 37 см от линейки, так как мы видим, что мы далеки от коэффициента умножения 1. Линза находится в пределах 0, 31 см от линейки, мы близки, но она по-прежнему не 1.

Чем у фотоаппарата большая матрица, тем меньше глубина резкости на снимке!

Размера матрицы фотоаппарата влияет и на размер пикселя, площадь пикселя у большой матрицы больше, и соответственно, светочувствительность и цветопередача лучше, а шумов меньше. От этого можно сделать вывод, что важно не только количество пикселей, но и крупность. В этом каждый может убедиться если сравнит картинку снятую мельницей c 12 megapixel и DSLR-ом у которого например 10 megapixel.

В этой небольшой статье прокомментировано, что с помощью алгоритмов демозаизации воссоздано изображение из файла, созданного камерой. Это отлично работает в большинстве случаев, но может представлять серьезные проблемы, если изображение содержит повторяющиеся шаблоны, как в примерах, которые мы видим здесь. Большинство производителей цифровых фотоаппаратов предпочитают использовать так называемый фильтр сглаживания непосредственно перед датчиком. Основная задача этого фильтра состоит в том, чтобы сделать изображение немного пушистым, чем в объективе.

Каждый пиксель формирует одну точку на изображении и чем больше разрешение матрицы, тем выше детализация получаемого снимка. Количество пикселей на матрице называется разрешением и измеряется в megapixel. 1 megapixel = один миллион (1 000 000) пикселей.

Если в характеристиках DSLR камеры написано, что самый большой размер изображение 5616 на 3744, то получается, что разрешение матрицы фотоаппарата 22 мегапиксель (5616×3744=21026304).

Таким образом, мы достигаем того, что оси регулярного шаблона, которые вызывают эффект Муара, не настолько совершенны, после чего алгоритм демозаизации не допускает ошибок при восстановлении информации, поступающей из файла. И вот здесь начинается полемика, как вы читали в предыдущем абзаце, наш фантастический объектив, который стоил нам столько, так ясно, что говорят, что он не может быть использован с максимальным потенциалом, учитывая, что перед датчиком есть маленький фильтр, единственное намерение которого - слегка намазать изображение, достаточно, чтобы эффекты Моира не возникали в гипотетическом случае, когда мы фотографируем регулярные узоры.

Физический размер матрицы — одна из важнейших характеристик фотоаппарата, который непосредственно влияет на качество изображение. Из названия уже понятно, что речь о геометрических размерах а длина и ширина сенсора измеряется в миллиметрах, в характеристиках некоторых камер размер обозначается как диагональ матрицы в дюймах как 2/3″. Величина в дюймах указывается обратная величина, и поэтому при покупке камеры нужно выбрать ту, у которой число после дроби меньше.

В мире цифровых датчиков для камер среднего формата типично, что датчики не имеют никаких сглаживающих фильтров. Напротив, резкость изображений, крошечные детали, которые можно увидеть в них, получение этого характерного внешнего вида фотографии среднего формата, заставляет многих профессионалов забывать о любой минимальной заботе, которая может возникнуть в связи с их отсутствием. Среди многих книг по этому вопросу они доступны и точны.

Следующие примечания частично вдохновлены этими книгами. Вообще говоря, они применяются к цифровым изображениям вообще, независимо от типа используемой матрицы, как в инфракрасном, так и в видимом. Детекторами, обычно используемыми в астрономии, являются устройства для переноса заряда. Они являются матрицами фоточувствительных детекторов, которые накапливают электрические заряды пропорционально свету, который они получают. В любительской области все больше и больше датчиков используются в камерах или камерах-потребителях в цвете; эти системы вызывают потери либо в разрешении, либо в чувствительности, и не используются на больших телескопах.

Если вы должны выбрать из 2 камер у которых одинаковое число 12 мегапикселей, но у первой матрица 1/2.5″, а у второй 1/1.8″ — лучше взять вторую — размер пикселя будет больше, соответственно, и качество снимков лучше.

Здесь вы можете увидеть таблицу, где приведены соотношение диагонали к геометрическому размеру.

Размер влияет на количество цифрового шума , передаваемого вместе с основным сигналом на матрицу. Чем больше физический размер матрицы, тем больше ее площадь и тем больше света на нее попадает, в результате чего полезный сигнал матрицы будет сильнее и соотношение сигнал / шум будет лучше. Это позволяет получать качественную картинку с естественными цветами.

Каждый фотосет выполняет элементарное и независимое измерение яркости. Когда результирующее изображение отображается на экране компьютера, пиксели датчиков обычно совпадают с пикселями экрана. Матричные размеры задаются в пиксельных номерах, которые определяют разрешение изображений для данного поля зрения.

Размеры самих пикселей варьируются от 6 до 40 мкм. Пиксели не всегда квадратные, что может вызвать искажение при отображении изображений на экране. Фоточувствительная поверхность немного меньше общей площади пикселей. Если разница велика, это вызовет слепые области на изображении.

В последние годы для указывания размера сенсора используют ещё и коэффициент кроп-фактор (crop factor) , который показывает во сколько раз сенсор фотоаппарата меньше полного кадра (full frame) ,

Ниже на рисунке можете увидеть и сравнить размеры матриц разных цифровых фотоаппаратов.

Светочувствительность – это свойство светочувствительного материала, то есть пленки или матрицы. Светочувствительность указатель того, как быстро материал «впитывает» свет. По мировым стандартам светочувствительность обозначается ISO .

Освещение матрицы вызывает накопление электрических зарядов в каждом из фотоитов. Эта операция опустошает всех фотографий их зарядов и сбрасывает их для следующей позы. Математическое чтение матрицы. При каждой смене выходное напряжение считывается и усиливается аналоговой ступенью и преобразуется в цифровой сигнал. На этом этапе используется аналого-цифровой преобразователь, который отображает сигнал и возвращает дискретные значения. Поэтому в этот момент выполняется округление, что создает дополнительный шум.

Принципиальная схема астрономической камеры. Для наблюдения такая камера помещается в фокус телескопа, а выходной сигнал, оцифрованный, собирается непосредственно на компьютере. Он используется как для управления камерой, так и для анализа изображений.

При съёмке пленочным фотоаппаратом для повышения светочувствительность, используют фотоплёнки с разными ISO , а в цифровом фотоаппарате повышения ISO делается с помощью кнопок или меню. Шкала в основном имеет такой - 100,200,400,800,1600,3200,6400,12800. Чем больше значение ISO, тем больше светочувствительность материала.

Чем выше ISO , тем меньше требуется света для съёмки и способность камеры снимать в условиях с низкой освещенностью повышается. Показатель чувствительности матрицы указывает на то, насколько сильно усиливается сигнал, поступающий от нее. А это значит, что чем выше значение ISO , тем сильнее будет усиливаться сигнал, но вместе с ним будут усиливаться и шумы. Из этого следует, что увлекаться большими значениями не стоит, потому что в этом случае повышается уровень шума, картинка получается очень зернистым, и даже бесполезным.

Телескопический захват. Следует помнить, что изображение, образованное телескопом, не является точным воспроизведением объекта: образ точки - это воздушное пятно, угловой размер которого зависит от диаметра коллектора и длины объекта, Чтобы сохранить разрешение, обеспечиваемое телескопом, место Эйри должно быть правильно выбрано.

Нагрузки накапливаются в фотоцитах пропорционально количеству полученного света, а дополнительные заряды спонтанно накапливаются даже при отсутствии света, а участки опорожняются во время чтения. Перед началом нового сбора матрица считывается один или несколько раз, чтобы опорожнить тепловые нагрузки. Это очень быстрое считывание, поскольку выходные токи не измеряются. Укладка - это конец тактовых циклов: нагрузки накапливаются в течение заданного времени. В конце прокладки циклы часов возобновляются для передачи и измерения нагрузок.

Высокие значения приходят на помощь в основном ночью или вечером, в тёмных помещениях, в клубах, даже в домашних условиях и при съемке быстродвижущихся объектов, когда нужно снимать с высокой выдержкой. Рекомендуемое значение ISO до 400 единиц.

Типы матриц фотоаппаратов

При выборе камеры, одним из важных факторов является тип матрицы фотоаппарата.

Сегодня мировые гиганты в своих DSLRах используют сенсоры двух типов. Первая – это ПЗС (CCD) , вторая — КМОП (CMOS) .

На сегодняшний технология CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) завоевала более 90% мирового рынка, а технология CCD (Charge-Coupled Device) уже уходит во второй план.

Преимуществ CMOS -технологии, это низкое энергопотребление. CMOS сенсоры содержат в себе аналого-цифровые преобразователи и усилители, что делает низким стоимость конечного продукта.

Преимуществом CCD является низкий уровень шумов, высокая заполняемость пикселов (около 100%) и большой динамический диапазон.