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.

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.

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 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.

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.

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.

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.

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.

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).

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.

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.

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 .

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.

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.

Автор данной статьи - Владимир Медведев . Статья была опубликована на личном сайте автора по адресу:
vladimirmedvedev.com/dpi.html
Однако, автор решил полностью переделать сайт и статья пропала.
Статья очень хорошо и доступно раскрывает тему дифракции при высоких значениях диафрагмы, поэтому редакция сайта Vt-Tech никак не могла пройти мимо. Мы извлекли статью из архивов кэширующих сайтов и выложили здесь.

При экспорте статьи немного пострадали картинки: не все изображения из первоначальной статьи доступны.

Кто здесь

Эту таблицу я сделал уже много лет назад, для наглядного сравнения цифровых фотоаппаратов. В те годы было много путаницы даже с понятием «кропа» и «полного формата», не говоря уже про компактные и среднеформатные аппараты. Скудная информация была разбросана по многочисленным сайтам производителей фототехники, и сравнить камеры наглядно было практически невозможно. Всё это вводило в заблуждение многих фотолюбителей, разжигая яростные споры на профильных форумах.

Чтобы как-то упорядочить ситуацию и привести к одному знаменателю любые камеры - от мыльниц до среднеформатных камер, я решил использовать понятие плотности пикселей - DPI (хотя, возможно, будет правильней сказать ppi). Почему я выбрал именно этот параметр, который раньше нигде не использовался для этого? Просто потому, что имевшаяся в открытом доступе информация, позволяла рассчитывать его идеально точно, без погрешностей. Зная длину и ширину матрицы, а также количество пикселей, я мог без труда, абсолютно точно рассчитать их плотность. В качестве бонуса, понятие плотности пикселей, позволило сравнить матрицу любого размера с разрешением сканов с плёнки (DPI цифрового фотоаппарата и установленное DPI во время сканирования - по сути, одно и то же).

Удобная в использовании, наглядная таблица, позволила двигаться дальше, по пути познания технических характеристик матриц, и, со временем, обросла массой дополнительных «полезностей». Сегодня в таблице собраны самые разные параметры, имеющие отношение к матрицам цифровых фотоаппаратов. Это и размер пикселя, и точный кроп-фактор, и площадь матрицы, и дифракционное ограничение диафрагмы. С помощью этой таблицы можно легко отслеживать тренды развития фототехники, прогнозировать грядущие изменения или просто выбирать камеру.

Разобраться в многочисленных параметрах таблицы сходу не так просто. Помочь фотографу в этом должны специальные статьи, сопровождающие таблицу, раскрывающие её особый смысл.

Приятного чтения!

Часть первая. Увеличивает ли кроп-фактор способность объективов «приближать»?

Поскольку я занимаюсь фотографией дикой природы, часто бывает просто невозможно подойти ближе к объекту съёмки (из-за риска испугать животное или птицу). И тут во всесь рост встаёт проблема нехватки фокусного расстояния объективов (говоря простым языком - способности оптики «приближать удалённые объекты»). На заре цифровой фотографии, было крайне распространено мнение, что камеры с «кропнутой» матрицей увеличивают фокусное расстояние объективов в кроп раз. Тут я постараюсь объяснить, почему неправильно так думать.

Сейчас у меня есть две камеры. Одна полноформатная - Canon EOS 5D Mark II, вторая с кроп-фактором 1,6х - Canon EOS 20D. Кроп-фактор 1,6, означает, что диагональ матрицы 20D в 1,6 раза меньше, чем диагональ матрицы 5D MarK II. 43mm разделить на 27mm равно 1,6.

С кроп-фактором разобрались. Матрица уменьшилась. Но оптика то осталась прежней. Объектив, например, 300мм подходит как к 20D, так и к 5D Mark II. Что будет, если один и тот же кадр снять на 5D Mk II и на 20D? Самая наглядная и точная метафора - взять большой напечатанный кадр, и вырезать из него середину ножницами. Какая разница, резать матрицу или уже готовый кадр? Вот так:

Конечно, на вырезанном кадре птица выглядит крупнее. Часто, начинающими фотографами, это свойство кропа ошибочно воспринимается как плюс. Но на самом деле, плюсом вовсе не является. Зачем спешить, и «вырезать кадр» до съёмки? А если птица подлетит ближе, или нам захочется вырезать не середину, а край снимка? На полноформатной матрице мы можем резать как угодно, а можем вообще не резать. А вот кроп вариантов уже не оставляет. Вылезшие за край кадра крылья уже не вернуть, и потенциально хороший снимок отправляется в корзину.

примеры основных кроп-факторов: 1.3х, 1.6х и 2х

Спорить, что лучше, кроп или полный формат я тут не стану. Кроп может быть дешевле или быстрее. Тут у каждого своё решение. Вместо ненужных споров, предлагаю ответить на вопрос, какая характеристика камеры может по-настоящему способствовать качественному приближению? И ответ прост - плотность пикселей (столбик dpi в таблице). Для того, чтобы понять, почему это так, давайте рассмотрим ещё один пример из жизни. В этот раз, для удобства, возьмём две полноформатные камеры - 5D и 5D Mark II. Особо подчеркну, что для конечного результата совершенно не важно, полный формат у нас или кроп, тут играет роль только один параметр - плотность пикселей. У 5D это 3101 dpi, у 5D Mark II - 3955 dpi.

Представьте сафари: яркий солнечный день, низкая чувствительность ISO, отличная оптика. И вдруг мы видим дикого леопарда в 100 метрах от нас. Делаем снимок, и зверь скрывается. 100 метров - это далеко. Для того, чтобы кадр хорошо смотрелся, нам волей-неволей придётся сильно кадрировать, оставив 1/10 от полного кадра (для простоты подсчёта). Математика подсказывает, что кадр с камеры 5D (12мп) после кадрирования будет состоять из 1,2мп (12 разделить на 10), что очень мало и не годится для качественной печати. А вот снимок с 5D MII (21мп) будет состоять из 2,1 мп, что уже значительно лучше! И я ещё раз хочу подчеркнуть - совершенно не важно, кроп у нас, или полный формат. 20D, у которой плотность 3955dpi (как и у 5D Mark II), аналогичный кадр, в тех-же самых условиях, тоже состоял бы из 2,1 мп. Несмотря на то, что матрица там всего 8 мегапикселей. Тут играет роль только плотность пикселей.

Леопарда снять одновременно с двух камер не представляется возможным, поэтому я попробовал тест попроще, чтобы наглядно показать разницу от плотности пикселей. Два тестовых кадра, были сняты со штатива, с одинакового расстояния, с одинаковой оптики, с одинаковым фокусным расстоянием:

полный кадр выглядел так

при очень сильном приближении становится видна разница

Это не сравнение 450D против 1D Mark III. Это сравнение 3514 dpi против 4888 dpi . В этих условиях, аналогичный результат будет на любой другой паре камер с подобной плотностью пикселей. Просто когда я писал статью, у меня были именно эти две камеры, вот и всё.
Ps:

1. Тесты проводились в хороших условиях, и рассматривались под большим увеличением. В реальной жизни, скорее всего, разница будет заметна ещё меньше. Стоит оно того или нет, решать только вам.
2. Разумеется, качество 21 мегапикселя 5D Mark II, в сравнении с 12 мегапикселями 5D, будет заметно не только при сильном кадрировании. Надеюсь, это и так всем понятно.

Часть вторая. Меньше пиксель - больше шум

Из первой части можно сделать вывод - давайте наращивать плотность пикселей, что бы картинка была лучше. Но не всё так просто. Чем больше плотность пикселей, тем меньше площадь каждого конкретного пикселя (такой столбик тоже есть в таблице). Чем меньше площадь пикселя, тем меньше фотонов света он улавливает. Фотоны - это полезный сигнал. Чем их меньше, тем хуже соотношение сигнал/шум, тем хуже чувствительность камеры.

Скажу просто - камеры, которые мне приходилось тестировать, с размером пикселя менее 6 микрон, имеют плохую чувствительность и более высокий шум. Это моё мнение, мой опыт. Пока что никаких исключений в этом правиле я не видел. Возможно, когда-нибудь, технологии позволят делать новые камеры более чувствительными, но пока так. Возникает вопрос, что выбрать? Плотность пикселей или чувствительность? Тут всем придётся искать свой собственный ответ. Кому интересно моё мнение, смотрите следующие два абзаца, но... никому его не навязываю. :)

Я проанализировал свои снимки, за последние несколько лет, размышляя, может ли большая плотность пикселей увеличить качество моих снимков. Результат оказался очень неожиданным: снимков, качество которых можно улучшить за счёт плотности пикселей, оказалось крайне мало. Помимо моих кривых рук, виной тому стали многие естественные факторы - шумы, шевелёнка, качество оптики, "воздух", не точный АФ и пр. Причём, 90% снимков, которые можно было бы улучшить повышенной плотностью пикселей, в улучшении и не нуждались - все они и так обладали достаточным качеством.

Показательно, что большая часть некачественных фотографий страдала из-за недостатка чувствительности. Шевелёнка и шумы мне, как фотографу дикой природы, сейчас мешают гораздо сильнее. 16-25 мегапикселей на полном формате - мой идеал на сегодняшний день.

Также не стоит забывать про ДД - динамический диапазон, который очень тесно связан с шумами, т.к. они ограничивают его в тенях. Меньше пиксель - меньше и ДД. Выводы тут каждый сам для себя сделает. А тех, кому важнее окажется плотность пикселей, я хочу предупредить об ещё одном коварном враге, который будет вечно подстерегать Вас, и от которого Вам не скрыться. По крайней мере в этой Вселенной. Это дифракция...

Часть третья. Дифракция в фотографии. Теория

Для этой части моей статьи все рисунки взяты из
замечательного учебного пособия про дифракцию:
Tutorials: difraction & photography . Очень рекомендую
его всем, кто хочет глубоко разобраться в этой теме.

В этой части матрица ни причём, а отдуваться всё равно приходится. За физику. Какое отношение имеет дифракция к матрице цифрового фотоаппарата? Никакого. Но давайте рассмотрим, что же мы имеем ввиду под словом дифракция, когда говорим о головной боли фотографов?

Если не вдаваться в подробности, то дифракция - это физическое явление, которое мешает нам сильно закрывать диафрагму, снижая качество получаемого изображения.

Если рассмотреть причины дифракции, то мы увидим, что появляется она при прохождении света через диафрагму. После прохождения диафрагмы, лучи идут уже не столь прямо, как нам хотелось бы, а немного "расслаиваются", расходятся в стороны. В результате каждый лучик образует на поверхности матрицы не просто точку, а "кружок и круги по воде" - дифракционные кольца, или, как это ещё называют диск Эри (по фамилии учёного, английского астронома - George Biddell Airy):

Разумеется, что, в отличие от хорошо сфокусированной точки, подобные диски могут залезть на соседние пиксели, если те расположены достаточно плотно . А когда они лезут на соседние пиксели, мы прощаемся с хорошей резкостью.

Давайте рассмотрим это явление на примере. Зная размер пикселей, мы без труда построим сетку, обозначающую границы пикселей (пунктиром). Далее по формуле мы вычисляем диаметр диска Эри и для упрощения представляем его в виде пятна света. И попробуем наложить диски Эри, характерные для самых распространённых диафрагм, на нашу сетку. Для примера я взял размер пикселя камеры 5D MarkII, а значения диафрагм указаны под каждым рисунком:

Как вы видите, при неизменной сетке пикселей кружок Эри растёт. При f/16 он уже значительно залезает на соседние пиксели, что в реальной жизни будет размывать картинку, не давая нам попиксельной резкости. А при f/22 этот диск занимает почти всю площадь 9 пикселей!
Зная размеры этого кружка, я могу рассчитать максимально закрытую диафрагму, после которой дальнейшее закрытие, будет ухудшать фотографию. Этот параметр мой коллега с the-digital-picture.com называет DLA (diffraction limited aperture) , что соответствует русскому термину ДОД (дифракционное ограничение диафрагмы) . Однако мои расчёты числового значения этого параметра несколько отличаются от вычислений автора вышеуказанного сайта. Например, в своей формуле он, видимо, каким-то образом учитывает и размер всей матрицы (в частности, при равной плотности пикселей, значения DLA 40D (f/9.3) и 1D MarkIV (f/9.1) различаются). Это, конечно же, не может быть верным, когда мы говорим о дифракции на уровне пикселей. Впрочем, наши результаты не сильно расходятся, так что разницей можно принебречь. К тому же, в силу сочетания очень многих факторов (нечеткость границ диска, сложная структура ячеек матрицы и пр.), невозможно с абсолютной точностью назвать величину DLA, после которой начинает наблюдаться деградация изображения.
Итак, давайте посмотрим, как это работает. Для 5D MarkII (как и для 20D), DLA составляет f/10,8, что очень близко к рисунку выше с подписью f/11. В то же время, для Canon 1D (всего 4 mp, - самые крупные ячейки матрицы среди всех камер Canon), этот параметр составляет f/19,1. Давайте закроем диафрагму до f/16, и посмотрим, как будет выглядеть диск Эри, спроецированный на сетку пикселей 1D и на сетку 5D MarkII (или 1Ds MarkIII или 20D):

Как видно из этого примера, что позволено Юпитеру, не позволено быку. При съёмке на 1D мы легко можем закрыть диафрагму до f/16, а на 5D Mark II это приведёт к снижению возможной детализации.

Часть четвёртая. Дифракция в фотографии. Практика

Выше была лишь сухая теория. Она абсолютно верна, но не учитывает того, что оптика очень часто не способна выдать достаточной детализации, на диафрагмах у же DLA. Так как же дело обстоит на практике?
Действительно, оптика не всегда даёт качество, которое позволило бы нам видеть попиксельную резкость. Более того, как мы знаем, качество изображения растёт по мере закрытия диафрагмы. Из-за этого у качественной оптики мы можем заметить ухудшение качества из-за дифракции на диафрагмах близких к DLA, а вот у плохих это может произойти на значительно позже. Однако, если ухудшение наступает на одно или даже два значения диафрагмы у же DLA, это означает, что матрица камеры с этим объективом никогда не получает достаточно детаелй. Т.е. попиксельной резкости там не будет никогда, иначе дифракцию мы бы смогли заметить на уровне числового значения DLA.

Что же мы можем наблюдать на камерах с большой плотностью пикселей? Для примера возьмём новую (на момент написания этих строк) камеру Canon EOS 7D. DLA там составляет f/7,2. Что это значит? Это значит, что 7D сможет выдать попиксельную детализацию только на диафрагмах менее 7,2. Возьмём хорошую оптику и посмотрим на результат. Для этого обратимся за помощью к ресурсу The Digital Picture. Там мы можем найти снимок специальной тестовой таблицы на камеру 7D с использованием хорошей оптики (Canon EF 200mm f/2.0L IS USM). Сравним кадр, сделанный при диафрагме 5,6 и 8 . Как мы видим, резкость незначительно ухудшается - теория работает! Теперь сравним 5,6 и 11 - вот тут уже идёт заметное падение резкости, причём не только по центру, но даже в углах!
Весь парадокс камер с высокой плотностью пикселей, что оптике и так сложно передать значительное количество деталей, а передать значительное количество деталей на диафрагмах шире, чем f/8... боюсь это задача лишь для действительно великолепных объективов. Таких, как Canon EF 200mm f/2.0L IS USM ~ за 6000$...

В заключение, для невнимательных читателей, я хочу ещё раз подчеркнуть, что дифракция не является параметром матрицы , искажает изображение до матрицы и не зависит от марки камеры (а если и зависит, разница минимальна и я её не учитываю) .

Благодарю Дмитрия (Доктор Ктулху) за помощь, оказанную в процессе редактирования текста статьи.

Таблица характеристик матриц цифровых фотоаппаратов

Модель	Произв	Тип	Mp*	Кроп-фактор	Размер пикселя (микрон)	Площадь (мм 2)	Размер матрицы (мм)	Размер матрицы (пикселей)	DPI	DLA**	FF*** (mp)
C a n o n
1D	Kodak	CCD	4,1	1.3 х	11,6 µm	548,2	28,7 x 19,1	2464 x 1648	2181	f/19,1	6,4
D30	Canon	CMOS	3,1	1.6 х	10,5 µm	342,8	22,7 x 15,1	2160 x 1440	2417	f/17,6	7,8
1Ds	Canon	CMOS	11,0	1.0 х	8,8 µm	852	35,8 x 23,8	4064 x 2704	2883	f/14,8	11,1
1D Mark II	Canon	CMOS	8,2	1.3 х	8,2 µm	548,2	28,7 x 19,1	3504 x 2336	3101	f/13,8	12,9
5D	Canon	CMOS	12,7	1.0 х	8,2 µm	852	35,8 x 23,9	4368 x 2912	3101	f/13,8	12,9
300D/D60/10D	Canon	CMOS	6,3	1.6 х	7,4 µm	342,8	22,7 x 15,1	3072 x 2048	3400	f/12,4	15,5
1Ds Mark II	Canon	CMOS	16,6	1.0 х	7,2 µm	864	~ 36 x 24	4992 x 3328	3514	f/12,1	16,5
1D Mark III	Canon	CMOS	10,1	1.3 х	7,2 µm	525,5	28,1 x 18,7	3888 x 2592	3514	f/12,1	16,5
1D x	Canon	CMOS	17,9	1.0 х	6,9 µm	864	36 x 24	5184 x 3456	3657	f/11,7	17,9
350D/20D/30D	Canon	CMOS	8,2	1.6 х	6,4 µm	337,5	22,5 x 15,0	3504 x 2336	3955	f/10,8	20,9
5D II / 1Ds III	Canon	CMOS	21,0	1.0 х	6,4 µm	864	~ 36 x 24	5616 x 3744	3955	f/10,8	20,9
5D III	Canon	CMOS	22,1	1.0 х	6,25 µm	864	36 x 24	5760 x 3840	4064	f/10,6	22,1
1000D/400D/40D	Canon	CMOS	10,1	1.6 х	5,7 µm	328,6	22,2 x 14,8	3888 x 2592	4455	f/9,6	26,6
Canon EOS 1D Mark IV	Canon	CMOS	16,1	1.3 х	5,7 µm	518,9	27,9 x 18,6	4896 x 3264	4455	f/9,6	26,6
Canon EOS 450D	Canon	CMOS	12,2	1.6 х	5,2 µm	328,6	22,2 x 14,8	4272 x 2848	4888	f/8,7	32,0
500D, 50D	Canon	CMOS	15,1	1.6 х	4,7 µm	332,3	22,3 x 14,9	4752 x 3168	5413	f/7,9	39,2
7D / 60D / 600D	Canon	CMOS	17,9	1.6 х	4,3 µm	332,3	22,3 x 14,9	5184 x 3456	5905	f/7,2	46,7
7D Mark II	Canon	CMOS	19.96	1.6 х	4,1 µm	336	~ 22,4 x 15,0 (?)	5472 x 3648	~ 6177	f/6.9	50,3
5Ds (r)	Canon	CMOS	50,3	1.0 х	4,1 µm	864	36 x 24	8688 x 5792	6130	f/6.9	50,3
N i k o n
D1/D1H	Sony	CCD	2,6	1.5 х	11,9 µm	367,4	23,7 x 15,5	2000 x 1312	2143	f/20	6,2
D2H	Nikon	JFET	4,0	1.5 х	9,6 µm	367,4	23,7 x 15,5	2464 x 1632	2641	f/16,1	9,3
D1X****	Sony	CCD	5,3	1.5 х	5,9/11,9	369,7	23,7 x 15,6	4028 x 1324	-	-	-
D700/D3/D3s	?	CMOS	12.1	1.0 х	8,4 µm	860,4	36,0 x 23,9	4256 x 2832	3003	f/14,1	12,2
D4	?	CMOS	16,2	1.0 х	7,3 µm	860,4	36,0 x 23,9	4928 x 3280	3476	f/12,4	16,2
D40/D50/D70/D100	Sony	CCD	6,0	1.5 х	7,8 µm	367,4	23,7 x 15,5	3008 x 2000	3237	f/13,1	14,0
D3000/D40x/D60/D80/D200	Sony	CCD	10,0	1.5 х	6,1 µm	372,9	23,6 x 15,8	3872 x 2592	4167	f/10,3	23,4
D3X	?	CMOS	24,4	1.0 х	5,9 µm	861,6	35,9 x 24	6048 x 4032	4279	f/9,9	24,4
D5000 / D90	Sony	CMOS	12.2	1.5 х	5,4 µm	369,7	23,7 x 15,6	4288 x 2848	4637	f/9	28,8
D300 (s) / D2X (s)	Sony	CMOS	12.2	1.5 х	5,4 µm	369,7	23,7 x 15,6	4288 x 2848	4637	f/9	28,8
D800 (e)	?	CMOS	36,2	1.0 х	4,9 µm	861,6	35,9 x 24	7360 x 4912	5207	f/8,2	36,3
D7000/5100	Sony	CMOS	16.1	1.5 х	4,8 µm	370,5	23,6 x 15,7	4928 x 3264	5303	f/8,1	37,4
S o n y
A 100/200/230/300/330	Sony	CCD	10.0	1.5 х	6,1 µm	372,9	23,6 x 15,8	3872 x 2592	4167	f/10,2	23,3
A900 / A850	Sony	CMOS	24,4	1.0 х	5,9 µm	861,6	35,9 x 24	6048 x 4032	4279	f/9,9	24,4
A500	Sony	CMOS	12.2	1.5 х	5,7 µm	366,6	23,5 x 15,6	4272 x 2848	4617	f/9,6	28,6
A700	Sony	CMOS	12.2	1.5 х	5,5 µm	368,2	23,5 x 15,6	4288 x 2856	4635	f/9,2	28,8
A350/A380	Sony	CCD	14.0	1.5 х	5,1 µm	369	23,5 x 15,7	4592 x 3056	4963	f/8,6	33,0
Sony A550	Sony	CMOS	14.0	1.5 х	5,1 µm	365	23,4 x 15,6	4592 x 3056	4984	f/8,6	33,3
SLT-A57/35/55/A580	Sony	CMOS	16,0	1.5 х	4,8 µm	366,6	23,5 x 15,6	4912 x 3264	5309	f/8,1	37,7
SLT-A77 / A65 / NEX-7	Sony	CMOS	24,0	1.5 х	3,9 µm	366,6	23,5 x 15,6	6000 x 4000	6485	f/6,5	54
F u j i f i l m*****
S2 Pro	Fujifilm	CCD	6,1	1.6 х	7,6 µm	356,5	23 x 15.5	3024 x 2016	3340	f/12,8	14,9
S3/S5 Pro	Fujifilm	CCD	6,1	1.6 х	7,6 µm	356,5	23 x 15.5	3024 x 2016	3340	f/12,8	14,9
P e n t a x
K100D (Super) /K110D	Sony	CCD	6,0	1.5 х	7,8 µm	368,95	23,5 x 15,7	3008 x 2008	3251	f/13,1	14,2
K10D/K200D/K2000	Sony	CCD	10,0	1.5 х	6,1 µm	369	23,5 x 15,7	3872 x 2592	4185	f/10,3	23,6
645D	Kodak	CCD	39,5	0.7 х	6,1 µm	1452	44 x 33	7264 x 5440	4193	f/10,2	24,5
K-r	?	CMOS	12.2	1.5 х	5,5 µm	372,9	23,6 x 15,8	4288 x 2848	4615	f/9,3	28,3
K20D/K-7	Samsung	CMOS	14.5	1.5 х	5,0 µm	365	23,4 x 15,6	4672 x 3104	5071	f/8,4	34,5
K-5	Sony	CMOS	16.1	1.5 х	4,8 µm	370,5	23,6 x 15,7	4928 x 3264	5303	f/8,1	37,4
S i g m a******
SD14/SD15/DP1/DP2	Foveon	CMOS	4,7	1.7 х	7,8 µm	285,7	20,7 x 13,8	2640 x 1760	3239	f/13,1	14,1
SD1 (m)	Foveon	CMOS	15,4	1.5 х	5 µm	384	24 x 16	4800 x 3200	5080	f/8,5	34,6
S a m s u n g
GX-20	Samsung	CMOS	14.6	1.5 х	5,0 µm	365	23,4 x 15,6	4688 x 3120	5089	f/8,4	34,6
NV40	?	CCD	10,1	6,0 x	1,7 µm	28,2	6,13 x 4,60	3648 x 2736	15116	f/2,9	306
O l y m p u s
E400/410/420/450	Matsushita	NMOS	9.98	2.0 х	4,7 µm	225	17,3 x 13,0	3648 x 2736	5356	f/7,9	38,4
E510/520/E3	Matsushita	NMOS	9.98	2.0 х	4,7 µm	225	17,3 x 13,0	3648 x 2736	5356	f/7,9	38,4
E620/E30/E5	Matsushita	NMOS	12.2	2.0 х	4,3 µm	225	17,3 x 13,0	4032 x 3024	5919	f/7,3	48,7
E-M5	Matsushita	NMOS	15.9	2.0 х	3,7 µm	225	17,3 x 13,0	4608 x 3456	6765	f/6,3	63,7
L e i c a
M8	Kodak	CCD	10	1.3 x	6,8 µm	479,7	26,8 x 17,9	3936 x 2630	3731	f/11,4	18,1
M9	Kodak	CCD	18,1	1.0 x	6,8 µm	864	36 x 24	5212 x 3472	3731	f/11,4	18,1
S2	Kodak	CCD	37.5	0,8 x	6,0 µm	1350	45 x 30	7500 x 5000	4230	f/10	22,4
H a s s e l b l a d
H3DII-31	Kodak	CCD	31,6	0,8 x	6,8 µm	1463	44,2 x 33,1	6496 x 4872	3731	f/11,4	18,1
H3DII-39	Kodak	CCD	39,0	0,7 x	6,8 µm	1807	49,1 x 36,8	7212 x 5412	3731	f/11,4	18,1
H3DII-50	Kodak	CCD	50,1	0,7 x	6,0 µm	1807	49,1 x 36,8	8176 x 6132	4230	f/10	22,4
P h o n e s
iPhone 3Gs	2 DLA (diffraction limited aperture) - ДОД (дифракционное ограничение диафрагмы). Самая узкая диафрагма при которой возможна попиксельная резксть (подробнее см раздел Дифракиция, перед таблицей). 3 36х24 mp - показывает предполагаемое количество пикселей на полноформатной матрице, сделанной по технологии рассматриваемой камеры. Т.е., например, если сделать полноформатную матрицу на основе Canon 50D, то она будет на 39,2 mp. 4 Пиксели Nikon D1x прямоугольные. Реальные 5 mp, получаемые с матрицы растягивались в 10 mp фотографию. Рассчитывать dpi и dla для такой техники смысла нет. 5 Fujifilm - Подсчитывая dpi сенсора у камер Fujifilm с нестандартной матрицей (с ячейками двух типов), учитывались только основные пиксели. Из-за структуры матрицы, было бы не правильно считать и основные и дополнительные пиксели. Основные пиксели занимают практически весь полезный объём, а маленькие, дополнительные, - лишь небольшие ячейки между ними (для более подробной информации смотрите официальный сайт Fujifilm). 6 Sigma - Матрицы Foveon, которые используются в камерах компании Sigma, состоят из трёх слоёв (RGB) и, в отличае от других камер, каждый пиксель на фотографии формируется из трёх пикселей матрицы. Это происходит потому, что пиксели расположены один над одним и не несут дополнительной информации о яркости (только о цвете). Именно поэтому, при матрице в ~ 14 mp, фотографии получаются всего 4 mp. Плотность пикслов рассчитывается для одного слоя. PS Не могу не отметить, что на самом деле, фотоприёмник занимает далеко не всю площадь пикселя , некоторое место приходится уделять также и, так называемой, обвязке . Для того, чтобы увеличить полезную площадь, производители создают специальные собирающие микро-линзы на матрице: Чем с большей площади собирают свет микролинзы, тем более эффективной должна быть, в теории, работа матрицы, и тем меньше должно быть шумов. Но это пока только в теории...

Два месяца тому назад в статье, посвящённой сравнению LCD и E-Ink дисплеев , я упомянул, что одним из следующих обзоров будет «вскрытие» матрицы современного фотоаппарата. И спешу исполнить данное обещание!

Первым в «коллекцию» светочувствительных матриц попали фронтальная и задняя камеры смартфона одного известного корейского производителя, который был любезно предоставлен Василием Столяровым. Затем хабраюзер , живущий недалеко от Москвы, прислал мне свой старенький неработающий фотоаппарат фирмы Pentax (здесь и далее я намеренно не буду указывать точную модель девайсов). Девайс был мёртв и это был хороший повод сдать его в мои заботливые руки, а не выкидывать, как многие делают.

И как только я собрался пилить, поступило ещё одно предложение от моего практически однокурсника, Ильи. От этого предложение я не мог отказаться. Мне презентовали относительно современный Canon, у которого были проблемы со съёмкой изображений.

Таким образом, на красно-революционно-первомайский стол ложатся три кандидата: OEM камера из телефона и фотоаппараты Pentax (самый пожилой среди всех участников) и Canon (пожалуй, самый молодой).

Если ещё кто-то не знает, зачем мы здесь собрались, то в подвале данной статьи есть ссылки на предыдущие «вскрытия». Если же кто-то запамятовал, как работает цифровой фотоаппарат или зачем нужна матрица , то милости просим на Wiki или просто посмотрите это видео от канала Discovery:

Часть теоретическая. CCD и CMOS

На сегодняшний день матрицы, выполненные по технологии CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) завоевали более 90% мирового рынка , а не так давно безумно популярным CCD (Charge-Coupled Device) уже пророчат скорый закат.

Причин тому масса, вот далеко не полный список преимуществ CMOS-технологии: во-первых, низкое энергопотребление в статическом состоянии по сравнению с CCD, во-вторых, CMOS сразу «выдаёт» цифровой сигнал, который не требует дополнительного преобразования (точнее преобразование происходит на каждом отдельном субпикселе), в отличие от CCD, которое является фактически аналоговым устройством, в-третьих, дешевизна производства, особенно при больших размерах матриц.

Кратко ознакомиться с принципами работы CMOS-матриц можно с помощью в двух видео от компании Canon:

Но все наши пациенты (может быть, за исключением матрицы камеры мобильного телефона) относятся к той эпохе, когда миром безраздельно правил CCD, а CMOS только набирался сил и светочувствительности, чтобы впоследствии занять лидирующие позиции. Поэтому несколько слов, всё же, скажу о том, как работает CCD-матрица. Более подробное описание всегда можно найти на страницах Wiki .

Итак, фотон от объекта съёмки, пройдя сквозь фильтр Байера , то есть цветофильтр типа RGBG, или фильтр RGBW и собирающую микролинзу, попадает на светочувствительный полупроводниковый материал. Поглощаясь, фотон порождает электро-дырочную пару, которая в ячейке под действием внешнего электрического поля «разделяется», и электрон «отправляется» в копилку – потенциальную яму, где он будет ожидать «чтения».

Схема устройства CCD матрицы ()

Чтение же в CCD матрицы происходит «поячеечно», если так можно выразиться. Пусть мы имеем массив 5 на 5 пикселей. Сначала мы считываем количество электронов, а по-простому величину электрического тока, с первого пикселя. Затем специальный контроллер «сдвигает» все ячейки на одну, то есть заряд из второй ячейки перетекает в первую. Опять считывается значение и так, пока не будут прочитаны все 5 ячеек. Далее уже другой контроллер сдвигает оставшееся «изображение» на одну строчку вниз и процесс повторяется, пока не будут измерены токи во всех 25 ячейках. Может показаться, что это долгий процесс, однако для 5 миллионов пикселей он занимает считанные доли секунд.

Процесс считывания изображения с CCD матрицы ()

Чтобы было совсем понятно, предлагаю ознакомиться со следующими видео:

Часть практическая

Обычно красивыми разборами занимаются люди в белоснежных перчатках, недавно они добрались и до фотоаппаратов , однако поговаривают, что за видео-инструкцию по сборке необходимо доплатить, отправив смс на короткий номер. Далее будут применяться чуть более чем полностью топорные методы, так что не советую повторять это в домашних условиях…

Как разбирался сотовый телефон всегда можно посмотреть на страницах предыдущей статьи , поэтому не буду здесь приводить эти душераздирающие кадры ещё раз.

Вышеупомянутый фотоаппарат Pentax был предоставлен мисьё , у которого, как мне кажется, сейчас сердце должно обливаться кровью, а по щеке катиться скупая мужская слеза:

Разборка Pentax в фотографиях

Из всего многообразия деталей, нас пока интересует лишь LCD дисплей, который будет демонстрироваться школьникам, приходящим к нам, на ФНМ, на экскурсии, сама CCD матрица, стекло с чем-то подозрительно напоминающим поляризатор или фильтр и ИК-подсветка (красная лампочка) для ночной съёмки. Стоит отметить, что матрица жёстко закреплена на корпусе фотоаппарата. Следовательно, все вибрации Ваших рук будут без труда напрямую передаваться на саму матриц, что, согласитесь, никак не способствует качественной фотосъёмке. Видимо, имеет железобетонные нервы.

Что между тем не помешало ему, «утопить» свой любимый фотоаппарат. Помните, когда летом Вы оправитесь в тёплые страны на море и будете пытаться сфотографировать очередную накатывающую волну, что фотоаппарат – устройство, в котором токи могут приводить к коррозии.

Следы коррозии прямо на шлейфе, ведущем к кнопке спуска затвора (к сожалению, не единственное такое место)

Сразу видно, что Canon – чуть более продвинутая, более современная модель, нежели Pentax. Например, матрица подпружинена (на левом нижнем изображении хорошо различимы маленькие пружинки). Такая пассивная система стабилизации изображения способствует получению более качественных и чётких снимков, если, конечно, Вы не неврастеник в запущенной стадии!

«Внутренности» Canon

Кстати, на фото справа внизу отчётливо виден громадный конденсатор, отвечающий за вспышку, из-за проблем с которым мне когда-то пришлось списать свою цифровую мыльницу Canon.

Камера мобильного телефона

Начнём наши изыскания с камеры мобильного телефона, которой будет посвящено не так много времени и слов в этой статье по причине того, что сама матрица имеет совершенно микроскопические размеры и с ней трудно работать (пилить, шлифовать).

Как не сложно заметить, на оптических микрофотографиях ниже матрица у края имеет две зоны: более светлую и более тёмную. Надеюсь, что все уже догадались: под светлой стороной нет диодов, она нанесена просто так, с запасом, чтобы максимально закрыть собой тонкую душевную организацию матрицы…

Накроем всё с запасом – нам не жалко

Микрофотографии, полученные с помощью оптического микроскопа, значительно отличаются, от тех, что выдаёт микроскоп электронный. Например, как на счёт «квадратуры сферы»?

Дело в том, что на оптике мы не видим каких-то прозрачных слоёв (да хотя б они и просто менее заметны), тогда как электронная микроскопия – прежде всего метод анализа поверхности, то есть вполне может быть так, что круглые цветные цветофильтры накрыты сверху квадратными «колпаками». При этом размеры такого кубосферического субпикселя составляют около 2,5 микрометров.

Вот такая она, квадратура сферы…кстати, в вакууме…

Матрица фотоаппарата Pentax

Исследование CCD-матрицы фотоаппарата Pentax начнём с оптических микрофотографий. К моему глубокому сожалению, из-за стерических затруднений, как говорят химики, в системе образец-микроскоп, не удалось снять при больших увеличениях и рассмотреть отдельные субпикселы.

Что-то написано, интересно, а можно тут где-нибудь увидеть имена маленьких китайских детишек?

Каждая посадочная площадка под контакты пронумерована, но не к каждой подведён тот самый контактный провод.

А вот так мы скоро будем учиться считать – с помощью нанотехнологий, естественно…

Чёткая граница между самой матрицей и «обвязкой»

А следующая микрофотография достойна учебника по электронной микроскопии. Знаете, почему электронный микроскоп не является средством измерения? Да-да, именно поэтому: из-за локального накопления заряда, вроде бы сферические объекты вдруг стали эллипсоидами:

Но мы-то знаем, что это сферы…

Далее взглянем на то, что находится вокруг светочувствительной матрицы. Так как я не являюсь специалистом в области создания электронных схем, то боюсь даже предполагать, зачем нужны все эти сложные конструкции и «хитросплетения» проводников, может быть, найдётся кто-нибудь, готовый пояснить назначение приведённых ниже деталей и компонентов (в комментариях, конечно же)?

Непоколебимые столбики, пережившие распил и полировку…

В этих слоях можно запутаться, а чёрту и ногу сломать

Этот выпуск «Взгляд изнутри» - знаковый, после нескольких лет «мытарств» нам, наконец-то, установили новую систему микроанализа, так что в некоторых случаях, я смогу не только приводить красивые картинки, но и пояснять из каких химических элементов увиденное состоит.

А вот и самое интересное – матрица во всей своей красе. Под сеточкой, в ячейках которой расположились микросферы-линзы, можно видеть отдельные фоточувствительные элементы (ну или их останки, точнее сказать затруднительно). Чуть ниже при обсуждении матрицы Canon я в деталях поясню «cross-section» устройство матрицы. Пока же обратимся к данным локального химического анализа. Оказывается, что сетка состоит из вольфрама, а микросферы, по всей видимости, это диоксид кремния, который сверху «укрыт» каким-то полимерным материалом. С более детальным анализом можно ознакомиться .

Матрица во всей своей сложноустроенной красоте

Возвращаясь к первому СЭМ-изображению в этой главе, хочется отметить, что контактные площадки выполнены из чистого золота (о да!), однако проводники внутри сенсора, по всей видимости, состоят из алюминия, на который тончайшим слоем напылена медь, содержание которой на грани чувствительности прибора. Детальная информация представлена .

Матрица фотоаппарата Canon

Продолжим наше погружение в микро- и наномиры мы, как обычно, с оптической микроскопии. Как и в случае с Pentax, матрицу от фотоаппарата Canon не удалось снять на высоком увеличении вследствие геометрических нестыковок. Однако из полученных микрофотографий можно оценить размер отдельного субпикселя – около 1,5 мкм, что гораздо меньше, чем у матрицы мобильного телефона.

Оптические микрофотографии матрицы Canon

Кстати, один из виновников невозможности снимать на оптическом микроскопе при больших увеличениях – «покровное» стекло, закрывающее собой матрицу и её «начинку»:

Хороший кадр: передача за стеклом

Конечно, всегда самое интересное прячется на сколах, где разваливающийся строго упорядоченный мир даёт трещину, позволяющую заглянуть в самые сакраментальные уголки устройства:

Чуть позже мы ещё вернёмся к желтовато-оранжевым областям этой фотографии…

Уже знакомые нам столбики совершенно не понятного предназначения:

Как стойкие оловянные солдатики

Теперь рассмотрим более детально устройство CCD-матрицы. Сверху CCD-матрица покрыта чем-то, напоминающем полимерный слой (1), который защищает фоточувствительные элементы от агрессивной внешней среды. Под ним находятся микролинзы с красителем (2 и 3). Но так как электронная микроскопия не позволяет получать цветные изображения, то точно сказать, окрашена большая или маленькая сферы не представляется возможным. Микролинзы из диоксида кремния (наиболее вероятный материал для их изготовления) закреплены в ячейках вольфрамовой сетки (4), под которой скрывают фоточувствительные элементы (5). И, конечно же, вся эта конструкция покоится на подложке из чистейшего кремния!

С учётом того, что матрица дополнительно защищена «покровным» стеклом, то фотоэлементы защищены лучше, чем президент РФ в своём лимузине (если, конечно, сделать поправку на масштабный фактор).

Данные микроанализа можно скачать .

Устройство матрицы по пунктам. Описание в тексте

Но и это ещё не всё. У нас же осталось ещё стёклышко, прикрывающее матрицу, которое, как кажется, является поляризатором. Оно несколько шероховатое по краям, но практически идеально гладкое по всей остальной площади поверхности. Вроде бы оптическая микроскопия не даёт никаких результатов: стекло, как стекло.

Стекло с подозрением на поляризатор: ничего необычного

И только с помощью электронной микроскопии удаётся увидеть химконтраст на изображении и полосатую структуру. Толщина такой «плёнки» составляет всего-навсего 2,5 микрометра, при этом размеры отдельных слоёв 180 и 100 нм, соответственно, для более тёмных и более светлых. На основании данных микроанализа (), рискну предположить, что более тёмные области обогащены титаном, а светлые – алюминием. По-моему, это потрясающе!

Оказывается, внутри фотоаппарата своя полосата жизнь!

Послесловие

Такой мир уходящего века CCD-матриц предстал перед нами сегодня.

Спасибо всем (Василию за телефон, Илье и за фотоаппараты), кто внёс свой посильный вклад в создание данной статьи. Вы – молодцы, что поддержали в этом нелёгком начинании!

И апофеоз данной статьи, а точнее его апофигей:

Покойтесь с миром, пока мы не придумаем вам нового применения

Бонус 1. Как выглядит зелёная пылевая буря в Москве?

Хотел сначала отдельным постом выложить, но решил не захламлять пространство. Буквально несколько дней назад Москву накрыло жёлто-зелёное облако , многие уже начали было готовится к приходу апокалипсиса, но обошлось… Что в реальности явилось причиной столь странной окраски?

Климат в последнее время барахлит на этой планете: то на Новый Год оставит без снега, то завалит снегом по самую макушку, то весна будет похожа на зиму, то вдруг неожиданно наступит лето. Цветы, деревья и растительность менее приспособлены к такого рода пертурбациям, поэтому 1,5 месяца весны сжавшиеся в 1 неделю заставили растения пересмотреть свои планы по размножению…

Утром, сев за письменный стол, я обнаружил на нём слой пыли, а протерев салфеткой, понял, что надо бы эту пыль как следует изучить. Сказано – сделано!

Но для всех у меня две новости: хорошая и плохая.

Хорошая новость – окраска жёлто-зелёного облака действительно была обусловлена большим количеством пыльцы (я насчитал, как минимум, три вида):

Состав московской бури: пыльца… Справа внизу пыльца на поверхности части растения

Плохая новость – этим мы тоже дышим, причём каждый день, а не в периоды размножения растений (микро- и наночастицы, которые не каждый фильтр поймает):

Состав московской бури: не очень приятная пыль и грязь

Бонус 2. Угадайте, что это?

Матрица цифрового фотоаппарата состоит из множества отдельных светочувствительных элементов - пикселей, каждый такой элемент формирует одну точку на изображении. Чем больше разрешение матрицы, тем выше детализация получаемого снимка.

Количество пикселей на матрице называется разрешением матрицы и измеряется в мегапикселях (миллионах пикселях). Каждый такой пиксель воспринимает свет и преобразует его в электрический заряд (чем ярче свет - тем сильней заряд). Поскольку используется информация только о яркости света, картинка получается черно-белой. Чтобы она была цветной, ячейки покрывают цветными фильтрами.

В большинстве матриц каждый пиксель покрыт красным, синим или зеленым фильтром, так называемые RGB фильтры (R ed - красный, G reen - зеленый, B lue -синий). Фильтр пропускает в ячейку лучи только своего цвета, поэтому каждый пиксель, для процессора фотоаппарата, имеет либо красный, либо зеленый, либо синий цвет и яркость этого цвета.

Эти три цвета являются основными, а все остальные цвета получаются путем смешения основных. Процессор рассчитывает цвет каждого пикселя, анализируя информацию с соседних с ним пикселей.

Расположение фильтров бывает различным, но наиболее распространен так называемый фильтр Баера, когда применяются светофильтры трёх основных цветов в следующем порядке:

Как видите, зеленых ячеек в два раза больше, чем ячеек других цветов. Это связано с особенностями человеческого зрения, наиболее чувствительного именно к зелёной области спектра. Потеря данных в этой области была бы наиболее заметна. В модифицированном фильтре Байера, R G B E , одна из зеленых ячеек заменена светло-голубой (E-изумрудной, англ. emerald ), что даёт лучшую цветопередачу. (технология разработанная SONY).

Как происходит расчет цвета пикселей

Допустим есть матрица состоящая из красных, зеленых и синих пикселей:

Теперь фотографируем изображение:

При этом сигнал с матрицы, для процессора будет выглядеть как сигнал от красных, зеленых и синих пикселей с различной яркостью:

После обработки, процессор вычисляет цвет каждого отдельного пикселя, используя информацию о других цветах с соседних ячеек и формирует цифровое изображение:

Как видно на картинке, это изображение получилось более размытым, чем исходное. Такой эффект связан с потерей части информации в результате прохождения света через цветовые фильтры и обработкой изображения процессором. Для исправления размытости процессор фотоаппарата автоматически повышает чёткость изображения. Дополнительно, в этот момент процессор может применить и другие операции: изменить контрастность, яркость, подавлять цифровой шум и т.д. в зависимости от модели аппарата. Многие из этих функций производятся фотоаппаратом автоматически, более дорогие модели имеют возможность дополнительной, ручной корректировки.

Так же существуют матрицы RGBW (добавлен White - белый) , в них добавлены пиксели не имеющие цветового фильтра, свет попадает на пиксель беспрепятственно и он дает более сильный сигнал (такие матрицы выпускает KODAK).

Использование такого пикселя позволяет получать более яркое изображение в условиях недостаточного освещения, но при этом возможны потери мелких цветовых деталей, т.к. существует области 2х2 пикселя, где есть только два цвета, например белый и синий или белый и зеленый и т.д, что затрудняет корректный расчет цвета.

Разрешение матрицы и печать фотографий

При печати печати изображения у пикселей появляется физический размер, и именно он и описывается разрешением при печати. Чем больше пикселей на дюйм (англ. — pixels per inch — ppi) будет на распечатке, тем менее заметными будут отдельные пиксели, и тем более реалистичным будет выглядеть отпечаток.

Насколько высоким должно быть разрешение печати, чтобы глаз не различал отдельные пиксели и воспринимал изображение как качественное?

72 ppi - стандартное разрешение для компьютерных мониторов или отпечатков, разглядываемых издали (например, плакатов). При близком расстоянии пиксели заметны.

150 ppi - достаточно высокое разрешение, чтобы глаз не замечал отдельных пикселей и воспринимал картинку как целое.

300 ppi - фотографическое качество печати. Дальнейшее увеличение разрешения нужно, только если отпечаток будут рассматривать через увеличительное стекло.

Для печати фотографии размером 10х15 без потери качества потребуется фотоаппарат с разрешением примерно 2,16 Мпикс = 1800*1200, точнее 2,09 Мпикс=1770*1181 (высота фотографии = 10 см, 10 см делим на 2,54 - столько сантиметров в одном дюйме, получаем 3,937 - столько составляет высота бумаги в дюймах, в один дюйм должно вместиться 300 точек, соответственно 3,937*300 = 1181), ширина = 15/2,54*300 = 1770).

В принтерах, для разрешения изображения при печати употребляется сокращение dpi (dots per inch — точек на дюйм).

Лазерные и струйные принтеры не способны отобразить все варианты цвета одного пикселя одной точкой на бумаге. Вместо того, чтобы точь-в-точь передавать цвет каждого пикселя, принтер наносит на бумагу комбинацию разноцветных точек, которые с определенного расстояния воспринимаются нами как единое целое. Именно потому, что для печати одного пикселя требуется множество принтерных точек, разрешение принтера и разрешение изображения — это совершенно разные вещи.

Существует простое практическое правило : чтобы вычислить, какое разрешение картинки потребуется для изготовления высококачественного отпечатка, разделите разрешение вашего принтера на четыре. Например, если на принтере указано, что его разрешение — 1200 dpi, максимального качества вы сможете добиться, если пошлете на печать картинку с разрешением 300 ppi.

В цифровых фотолабораториях при печати каждая точка на фотобумаге экспонируется в произвольный цвет и разрешение в точках на дюйм (dpi) соответствует разрешению в (ppi). Поэтому если лаборатория печатает с разрешением 300 dpi, качество отпечатков будет не хуже, чем на принтере с разрешением 1200 dpi.

Прогресс не стоит на месте, а современные принтеры выдают разрешение до 5760х1440 dpi. Какое разрешение фотоаппарата необходимо что бы использовать разрешающую способность такого принтера в полную силу. Для того что бы посчитать какое разрешение фотоаппарата необходимо для печати фотографии с размерами 10х15, необходимо разделить разрешение принтера на 4 (т.к. одна точка не отображает всех оттенков, см. выше). Получим 1440х360, таким образом для печати фото 10х15 потребуется разрешение 5,9*1440=8496, 3,937*360=1417, 8496*1417 = приблизительно 12 МПикс, для печати А4 приблизительно 42 Мпикс!

Выгоды разрешения матрицы

Чем выше разрешение матрицы тем более четкую и детализированную фотографию вы можете получить. Так же чем выше разрешение матрицы, тем большего размера фотографию вы можете напечатать без потери качества. Для качественной печати фотографии 10х15 см достаточно фотоаппарата с разрешением 2 Мпикс, для печати фото А4 - 10 Мпикс.

Если вы хотите использовать в полную силу возможности современных фото принтеров, то для печати фото 10х15 см вам уже понадобиться фотоаппарат с разрешением матрицы 12Мпкс, а А4 - 42 Мпикс!

Кроме того, то, что вы не планируете печатать большие фотографии сегодня, не говорит о том, что вы не захотите напечатать их завтра, поэтому хорошее разрешение никогда не помешает, но его необходимо всегда учитывать с еще одним параметром - это физический размер матрицы цифрового фотоаппарата.