Ликбез: как работает цифровая камера

Ликбез: как работает цифровая камера
Современные фотоаппараты все делают сами - чтобы получить снимок, пользователю
достаточно лишь нажать на кнопку. Но ведь все равно интересно: по какому же
волшебству картинка попадает в камеру? Мы постараемся объяснить основные принципы
работы цифровых фотоаппаратов.
Основные части
В основном устройство цифровой камеры повторяет конструкцию аналоговой. Главное их
различие - в светочувствительном элементе, на котором формируется изображение: в
аналоговых фотоаппаратах это пленка, в цифровых – матрица. Свет через объектив
попадает на матрицу, где формируется картинка, которая затем записывается в память.
Теперь разберем эти процессы подробнее.
Состоит камера из двух основных частей – корпуса и объектива. В корпусе находятся
матрица, затвор (механический или электронный, а иногда и тот и другой сразу),
процессор и органы управления. Объектив, съемный или встроенный, представляет собой
группу линз, размещенных в пластиковом или металлическом корпусе.
Где получается картинка
Матрица состоит из множества светочувствительных ячеек – пикселов. Каждая ячейка при
попадании на нее света вырабатывает электрический сигнал, пропорциональный
интенсивности светового потока. Поскольку используется информация только о яркости
света, картинка получается черно-белой, а чтобы она была цветной, приходится прибегать
к разным хитростям. Ячейки покрывают цветными фильтрами – в большинстве матриц
каждый пиксел покрыт красным, синим или зеленым фильтром (только одним!) в
соответствии с известной цветовой схемой RGB (red-green-blue). Почему именно эти
цвета? Потому что они – основные, а все остальные получаются путем их смешения и
уменьшения или увеличения их насыщенности.
На матрице фильтры располагаются группами по четыре, так что на два зеленых
приходится по одному синему и красному. Так делается потому, что человеческий глаз
наиболее чувствителен именно к зеленому цвету. Световые лучи разного спектра имеют
разную длину волн, поэтому фильтр пропускает в ячейку лучи лишь своего цвета.
Полученная картинка состоит только из пикселов красного, синего и зеленого цвета –
именно в таком виде записываются файлы формата RAW (сырой формат). Для записи
файлов JPEG и TIFF процессор камеры анализирует цветовые значения соседних ячеек и
рассчитывает цвет пикселов. Этот процесс обработки называется цветовой
интерполяцией, и он исключительно важен для получения качественных фотографий.
Такое расположение фильтров на ячейках матрицы называется шаблоном Байера
Основных типов матриц два, и они различаются способом считывания информации с
сенсора. В матрицах типа CCD (ПЗС) информация считывается с ячеек последовательно,
поэтому обработка файла может занять довольно много времени. Хотя такие сенсоры
«задумчивы», они относительно дешевы, и к тому же, уровень шума на полученных с их
помощью снимках меньше.
Матрица типа ПЗС
В матрицах типа CMOS (КМОП) информация считывается индивидуально с каждой
ячейки. Каждый пиксел обозначен координатами, что позволяет использовать матрицу
для экспозамера и автофокусировки.
КМОП-матрица
Описанные типы матриц – однослойные, но есть еще и трехслойные, где каждая ячейка
воспринимает одновременно три цвета, различая разноокрашенные цветовые потоки по
длине волн.
Трехслойная матрица
Выше уже был упомянут процессор камеры – он отвечает за все процессы, в результате
которых получается картинка. Процессор определяет параметры экспозиции, решает,
какие из них нужно применить в данной ситуации. От процессора и программного
обеспечения зависят качество фотографий и скорость работы камеры.
По щелчку затвора
Затвор отмеряет время, в течение которого свет воздействует на сенсор (выдержку). В
подавляющем большинстве случаев это время измеряется долями секунды – что
называется, и моргнуть не успеешь. В цифровых зеркальных камерах, как и в пленочных,
затвор представляет собой две непрозрачные шторки, закрывающих сенсор. Из-за этих
шторок в цифровых зеркалках невозможно визирование по дисплею – ведь матрица
закрыта и не может передавать изображение на дисплей.
В компактных камерах матрица не закрыта затвором, и поэтому можно компоновать кадр по
дисплею
Когда кнопка спуска нажата, шторки приводятся в движение пружинам или
электромагнитами, открывается доступ свету, и на сенсоре формируется изображение –
так работает механический затвор. Но в цифровых камерах бывают еще и электронные
затворы – они используются в компактных фотоаппаратах. Электронный затвор, в
отличие от механического, нельзя пощупать руками, он, в общем-то, виртуален. Матрица
компактных камер всегда открыта (именно потому и можно компоновать кадр, глядя на
дисплей, а не в видоискатель), когда же нажимается кнопка спуска, кадр экспонируется в
течение указанного времени выдержки, а затем записывается в память. Благодаря тому
что у электронных затворов нет шторок, выдержки у них могут быть ультракороткими.
Наведем фокус
Как уже говорилось выше, часто для автофокусировки используется сама матрица.
Вообще же, автофокусировка бывает двух типов – активная и пассивная.
Для активной автофокусировки камере нужны передатчик и приемник, работающие в
инфракрасной области или с ультразвуком. Ультразвуковая система измеряет расстояние
до объекта по методу эхолокации отраженного сигнала. Пассивная фокусировка
осуществляется по методу оценки контраста. В некоторых профессиональных камерах
сочетаются оба типа фокусировки.
В принципе, для фокусировки может использоваться вся площадь матрицы, и это
позволяет производителям размещать на ней десятки фокусировочных зон, а также
использовать «плавающую» точку фокуса, которую пользователь сам может разместить
где ему угодно.
Борьба с искажениями
Именно объектив формирует на матрице изображение. Объектив состоит из нескольких
линз – из трех и более. Одна линза не может создать совершенное изображение – по краям
оно будет искажаться (это называется аберрациями). Грубо говоря, пучок света должен
идти прямо на сенсор, не рассеиваясь по пути. В какой-то мере этому способствует
диафрагма – круглая пластинка с дыркой посередине, состоящая из нескольких лепестков.
Но сильно закрывать диафрагму нельзя – из-за этого уменьшается количество света,
попадающее на сенсор (что и используется при определении нужной экспозиции). Если
же собрать последовательно несколько линз с различными характеристиками, искажения,
даваемые ими вместе, будут гораздо меньше, чем аберрации каждой из них по
отдельности. Чем больше линз – тем меньше аберрации и тем меньше света попадает на
сенсор. Ведь стекло, каким бы прозрачным оно нам ни казалось, не пропускает весь свет –
какая-то часть рассеивается, что-то отражается. Чтобы линзы пропускали как можно
больше света, на них наносят специальное просветляющее напыление. Если посмотреть
на объектив камеры, будет видно, что поверхность линзы переливается радугой – это и
есть просветляющее напыление.
Линзы располагаются внутри объектива примерно таким образом
Одна из характеристик объектива – светосила, значение максимально открытой
диафрагмы. Она указывается на объективе, например, так: 28/2, где 28 – фокусное
расстояние, а 2 – светосила. Для зум-объектива маркировка выглядит так: 14-45/3,5-5,8.
Два значения светосилы указываются для зумов, поскольку в широкоугольном и в
телеположении у них разные минимальные значения диафрагмы. То есть на разных
фокусных расстояниях светосила будет разной.
Фокусное расстояние, которое указывают на всех объективах – это расстояние от
передней линзы до светоприемника (в данном случае, матрицы). От фокусного расстояния
зависит угол обзора объектива и его, так сказать, дальнобойность, то есть как далеко он
«видит». Широкоугольные объективы отдаляют изображение относительно нашего
обычного видения, а телеобъективы – приближают, и у них маленький угол обзора.
Угол обзора объектива зависит не только от его фокусного расстояния, но и от диагонали
светоприемника. Для 35 мм пленочных камер нормальным (то есть примерно
соответствующим углу обзора человеческого глаза) считается объектив с фокусным
расстоянием 50 мм. Объективы с меньшим фокусным расстоянием – «широкоугольники»,
с большим – «телевики».
Левая часть нижней надписи на объективе – фокусное расстояние зума, правая часть - светосила
Здесь и кроется проблема, из-за которой рядом с фокусным расстоянием объектива
цифровика часто указывают его эквивалент для 35 мм. Диагональ матрицы меньше
диагонали 35 мм кадра, и поэтому приходится «переводить» цифры в более привычный
эквивалент. Из-за этого же увеличения фокусного расстояния в зеркальных камерах с
«пленочными» объективами становится почти невозможна широкоугольная съемка.
Объектив с фокусным расстоянием 18 мм для пленочной камеры – суперширокоугольный,
но для цифрового фотоаппарата его эквивалентное фокусное расстояние будет около 30
мм, а то и больше. Что касается телеобъективов, то увеличение их «дальнобойности»
только на руку фотографам, ведь обычный объектив с фокусным расстоянием, скажем,
400 мм, стоит довольно дорого.
Видоискатель
В пленочных камерах компоновать кадр можно только пользуясь видоискателем.
Цифровые же позволяют вовсе забыть о нем, поскольку в большинстве моделей для этого
удобнее использовать дисплей. В некоторых очень компактных камерах видоискателя
вовсе нет – просто из-за того, что нет для него места.
Самое важное в видоискателе – что через него можно увидеть. Например, зеркальные
камеры так называются как раз из-за особенностей конструкции видоискателя.
Изображение через объектив посредством системы зеркал передается в видоискатель, и
таким образом фотограф видит реальную площадь кадра. Во время съемки, когда
открывается затвор, загораживающее его зеркало поднимается и пропускает свет на
чувствительный сенсор. Такие конструкции, конечно, отлично справляются со своими
задачами, но занимают довольно много места и потому совершенно неприменимы в
компактных камерах.
Вот так изображение через систему зеркал попадает в видоискатель зеркальной камеры
В компактных камерах применяют оптические видоискатели реального видения. Это,
грубо говоря, сквозное отверстие в корпусе камеры. Такой видоискатель не занимает
много места, но обзор его не соответствует тому, что «видит» объектив.
Еще есть псевдозеркальные камеры с электронными видоискателями. В таких
видоискателях установлен маленьких дисплей, изображение на который передается
непосредственно с матрицы – точно так же, как и на внешний дисплей.
Вспышка
Вспышка, импульсный источник света, используется, как известно, для подсветки там, где
основного освещения недостаточно. Встроенные вспышки обычно не очень мощные, но
их импульса хватает, чтобы осветить передний план. На полупрофессиональных и
профессиональных камерах есть еще контакт для подключения гораздо более мощной
внешней вспышки, он называется «горячий башмак».
Это, в общем, основные элементы и принципы работы цифровой камеры. Согласитесь,
когда знаешь, как устройство работает, легче добиться качественного результата.