Матрица фотоаппарата

Введение

Пока художник тихо-мирно пишет картины на холсте, фотограф аки охотник ставит ловушку, выжидает добычу, хватает и тащит её в тёмные подвалы своего персонального компьютера, где будет разделывать бедняжку как бог черепаху. Для тех кто не понял юмора, разъясню. Ловушкой фотографа выступает фоточувствительный материал, добычей – свет, а тёмные подвалы – это наша любимая светлая комната Lightroom. 

Происхождение слов матрицы и сенсора

В русском языке для обозначения фоточувствительного материала цифрового фотоаппарата используется слово матрица.

Матрица фотоаппарата – прямоугольная область, разделённая на строки и столбцы, в которых располагаются однотипные элементы. Элементом в матрице фотоаппарата называется группа электронных компонентов, которые регистрируют свет и преобразуют его в цифровые данные. 

В английском языке используется слово сенсор, которое происходит от слова sense – чувство, ощущение. Добавляя суффикс “or” слово превращается из действия в деятеля. Sensor – некий объект, который обнаруживает, измеряет или каким-либо образом реагирует на физические свойства других объектов.

Слова сенсор или матрица означают одно и тоже, пользуйтесь каким хотите.

За что матрица отвечает в фотоаппарате?

До появления цифровых фотоаппаратов, фотографы использовали камеры, которые заряжали фотоплёнкой. Плёнка выступает в роли “ловушки” для света. Она накапливает свет и сохраняет его для дальнейшей проявки. Проявка — это небольшое колдовство с химикатами, в результате которого из сохранённого на фотоплёнке света проявится фотография.

Матрица фотоаппарата подобно фотоплёнке накапливает на себе свет, но в отличие от неё фотография не требует работы с химикатами. Матрица обнаруживает свет, измеряет его и преобразует в электрический ток, который оцифровывается и записывается в файл типа RAW.

Итого матрица преобразует свет в RAW данные, которые потом используются процессором фотоаппарата для создания фотографии.

Какие бывают матрицы?

Фотоматрицы появились в конце 1970-ых годов и использовались для научных и военных целей. На замену фотоплёнке в потребительских фотоаппаратах матрицы пришли к концу 80-ых.

Первый полноценный цифровой фотоаппарат был представлен на выставке Photokina в 1988 году компанией Fujifilm. Имя его – FUJIX DS-1P.

DS-1P сохранял фотографии на 2-ух мегабайтную карту памяти, на которую помещалось 10 фотографий. В качестве матрицы фотоаппарат использовал 0.4 мегапиксельную CCD матрицу.

CCD, он же Charge coupled device, он же ПЗС, он же Прибор с зарядовой связью, изобретён в 1969 году, за что создатели получили Нобелевскую премию. Отличается лучшей светочувствительностью, меньшим количеством шума, умеет считывать всю информацию с матрицы за один раз, что гарантирует отсутствие эффекта rolling shutter. В своё время встречался почти в каждой цифровой мыльнице и видеокамере. 

CMOS, он же Complementary metal–oxide–semiconductor, он же КМОП, он же Гоша, он же Гога, он же Юрий, он же Гора, он же Жора. Самый популярный тип фотоматриц во вселенной. В 1953 году изобрели основной принцип, по которому в 70-ые создали МОП матрицу. Однако полноценное производство CMOS матриц началось только в 90-ые. Отличается лучшей цветопередачей, более широким динамическим диапазоном и меньшей стоимостью.

CCD vs CMOS

В девяностых и ранних двухтысячных CCD постоянно мелькал во всех видах камер. Почти каждая любительская и профессиональная цифровая камера использовала CCD датчик.

Несмотря на это был полностью вытеснен с рынка уже в первую половину двухтысячных и на момент 2023 года – CCD не устанавливается ни в один фотоаппарат или видеокамеру.

Причины провала:

• CCD дороже и сложнее в производстве.
• Развивался медленнее конкурента.
• Из-за более узкого динамического диапазона меньше всего подходил своей целевой аудитории нежели CMOS.
• CMOS приблизился по светочувствительности и показателю сигнал/шумы.
• C ростом популярности CMOS — CCD терял рынок.

CCD доживает свой век там, где более важна светочувствительность или по инерции в более консервативных местах, например в “военке” или в системах видеонаблюдения.

Устройство и алгоритм работы CMOS матрицы

Матрица внешне представляет из себя ровную поверхность, которая переливается зелёно-красно-синим цветом. Даже если смотреть на неё в микроскоп, возможно увидеть только разноцветные точки.

Ниже приведу рисунок, который отражает устройство стандартной матрицы. Такие “слоёные пирожки” используются в современных цифровых фотоаппаратах, видеокамерах и мобильных телефонах.

Рисунок демонстрирует один “блок” в разрезе, который располагается на КМОП матрице. Таких “блоков” матрица может иметь десятки миллионов. 

Алгоритм его работы выглядит так:

• Слой микролинз собирает свет, а затем фокусирует его на цветовом фильтре.
• Цветовые фильтры разбивают свет на три компонента: красный, зелёный, синий и пропускает каждый компонент на уникальный фотодиод.
• Фотодиод превращает эту энергию в ток.
• Пиксельный транзистор регулирует силу тока фотодиода и через связующий слой передаёт его на слой логики.
• Слой логики корректирует ошибки, хранит информацию для мультиэкспозиции и так далее.
• После слоя логики информация последовательно считывается с каждого такого «блока» и поступает на процессор фотоаппарата.

Из таких блоков электроника формирует пиксели будущего изображения.

Пиксель и его размер

CMOS матрицы могут иметь пиксели разного размера. Физический размер пикселя влияет на качество изображения. Преимущество пикселей покрупнее в том, что они собирают на себе больше света, это улучшает качество цветопередачи, светочувствительность, динамический диапозон и создаёт меньше шумов.

Сравним 2 фотоаппарата Nikon с полнокадровыми матрицами:

• Фотоаппарат D3s, 2009 год, имеет 12.1 мегапикселей.
  Плотность пикселей составляет 12 100 000 / (36*24) = 14 килопикселей на мм².
• Фотоаппарат Z9, 2021 год, имеет 45.7 мегапикселей.
  Плотность пикселей составляет 45 700 000 / (36*24) = 53 килопикселя на мм².

В теории матрица D3s имеет более крупный пиксель и по идее должна иметь меньше проблем, однако между этими двумя камерами огромная пропасть в плане технологий.

Сравнение матриц двух камер на сайте DxOMark.

Так как у D3s пиксель более крупный, он более светочувствителен.

В очередной раз D3s обгоняет Z9. На этот раз по показателю сигнал/шум. Пиксели D3s не так близко располагаются друг к другу поэтому при равных значениях ISO шумов на фотографиях будет меньше.

На этот раз Nikon Z9 демонстрирует свои преимущества. Великолепные 14 уровней экспозиции при таких низких ISO. Эта камера имеет лучший динамический диапазон в классе профессиональных фотоаппаратов.

Больший динамический диапазон позволяет делать больше ошибок во время экспозиции. Чем больше динамический диапазон, тем больше камера сохраняет информации о захваченом свете. Это позволяет в редакторе RAW “вытягивать” больше информации из очень тёмных или засвеченных мест фотографии.

Двенадцать экспозиций D3s – тоже отличный показатель. Далеко не все современные фотоаппараты достигают подобого уровня. Сравним Nikon D3s(2008) с более современными полнокадровыми фотоаппаратами от Canon: Canon R (2018, 30мп) и Canon RP (2019, 26мп).

Картина мягко говоря печальная. Фотоаппараты Canon никогда не славились своим динамическим диапазоном, но в этом случает это провал. Canon RP, не смотря на меньшую плотность пикселей, чем у Canon R – показывает наихудший результат. Это в очередной раз доказывает, что новое – не значит лучшее.

Большой пиксель – это круто!

ISO Светочувствительность

Аббревиатура своими корнями уходит к Международной организации по стандартизации – International Organization for Standardization, которая установила значение ISO для обозначения чувствительности свето-улавливающего элемента в камере.

Плёночная фотография

На плёночных фотоаппаратах управлять чувствительностью плёнки, можно только в момент выбора плёнки. Для начала необходимо определиться, в каких световых условиях придётся фотографировать, а затем принимать решение, с каким ISO выбрать плёнку.

ISO 100 или 200 – если снимать в солнечный ясныю погоду или студийным освещением.

ISO 400 – если условия съёмки не ясны или хочется что-то универсальное.

ISO 800 вам в помощь, если условия съёмки сложные, такие как:

• места с плохим освещением: пасмурная погода, вечерний свет, помещения с искусственным освещением и тому подобное.
• съёмки спортивных событий, где необходимо использовать короткие выдержки.

ISO 1600 и выше позволит снимать там, где света практически нет: городское ночное освещение, ночные клубы и концерты. Используется тогда, когда можно наплевать на качество цвета, зернистость, детализацию.

Цифровая фотография и эквивалент ISO

Значение ISO управляет чувствительностью матрицы к свету и продолжает традицию плёночных фотоаппаратов.

В цифровой фотографии продолжают традицию ISO как меру светочувствительности. Для этого фотоаппараты настраивают таким образом, чтобы яркость изображения совпадала с яркостью плёнки при одинаковых значениях ISO.

Для лучшего понимания проведём гипотетический эксперимент:

1. сделаем эталон – фотографию на плёнку ISO100 с настройками: f/2.8, 1/800sec. Проявим плёнку и напечатаем фотографию. Фотография справа.
2. повторим кадр в тех же условиях на цифровой фотоаппарат: установим ISO100, f/2.8, 1/800sec. Фотография слева.
3. Сравним яркости двух фотографий.

Фотография слева немного светлее правой. Понизим яркость, пока изображение не станет таким же по яркости. Итого яркость пришлось понизить на 0.3 экспозиции или на 30%. Вывод – цифровая версия ISO100 не соответствует эталону и на самом деле равно ISO70.

Такое случается с цифровыми камера регулярно, например:

У фотоаппарата Sony A6600A значение ISO 100 не соответсвует эталону. Специалисты Dxomark замерили значение ISO 72 – это значит, что матрица более чувствительна к свету при ISO100, чем аналогичная плёнка с ISO100.

Ничего страшного в этом нет и в большинстве случаев это ни на что не влияет. Это говорит лишь о том, что ISO в мире цифровой фотографии – это удобство и продолжение традиции.

Сигнал/Шум (SNR)

Представьте себе, что матрица– это трибуна стадиона, где идёт футбольный матч ЦСКА – Спартак. 

Мест свободных нет, яблоку упасть негде. Наша задача, как у репортёра, задать вопрос каждому болельщику. Вот какие шансы взять чёткое ясное интервью и при этом не оглохнуть? Наш собеседник сам вроде громко не кричит, но гул и шум соседей не даёт нормально сделать запись. Вот если фанатов разместить в метрах 5 друг от друга, то и шума будет меньше, и они станут лучше отличимы.

Аналогичное происходит на площадке матрицы.

В электронике есть такое понятие – отношение сигнал шум. Это на сколько уровень полезного сигнала превышает вредный сигнал. Если вредный сигнал достигает уровня полезного сигнала, то появляется шум, который мешает корректно работать с информацией. Пиксели в этом плане – не исключение. 

Помимо собственного шума, пикселям также часто мешают коллеги по работе. Преимущественно, когда работать приходится дольше секунды. Дело в том, что токи диодов и транзисторов во время работы создают вокруг себя электромагнитное поле и тем самым вредоносно воздействуют на работу как коллег. 

Для уменьшения количества шума часто используется программное шумоподавление. Это когда удаление шумов происходит уже после создания растрового изображения. В таком случае “шумные” пиксели заменяются соседними менее испорченными, однако изображение при таком способе часто становится “мыльным”. В некоторых фотоаппаратах подобное шумоподавление отключить невозможно. В простонародье зовётся агрессивным шумодавом.

Соотношение сторон

Соотношение сторон – то на сколько одна сторона кадра длиннее другой. Также на английском называется Aspect Ratio. Также может называться “форматом”.

Термин применяется повсеместно, когда речь заходит о медиа или прямоугольной картинке. Любое устройство отображения: холст, дисплей монитора, телевизор, смартфон, lcd дисплей фотоаппарата и конечно же матрица – имеют свои стандарты соотношения сторон.

Вот некоторые из форматов, с которыми фотографы встречаются чаще всего:

Матрицы фотоаппаратов в подавляющем большинстве имеют соотношение сторон аналогичное 35мм плёнке – 3:2, однако есть исключения, например, формат Micro Four Thirds. Соотношение сторон которого аж вынесено в названии.

Соотношение сторон в Instagram

При выкладывании фотографии в социальные сети стоит учитывать требования в плане соотношения сторон.

Например, в Instagram соотношение сторон:

• Для публикаций – 4:5 или 1:1. Если соотношение сторон не совпадает, инстаграм предлагает обрезать фотографию. Качество фотографий становится в таком случае хуже, потому что Instagram обрезает фотографию и сохраняет её с более сильным процентом сжатия. Instagram плевать на качество ваших фотографий. Будьте бдительны!
• Для Сторис используется стандартное соотношение для дисплеев смартфонов – 9:16.

В настройка фотоаппарата можно выбрать размер изображения и соотношение сторон. Эта настройка позволит вам фотографировать в удобном вам формате. Настройка действует только для JPEG файлов. Вне зависимости от того, какой размер изображения был установлен в настройках фотоаппарата, соотношение сторон в RAW файле останется неизменным.

Размер матрицы

Матрицы фотоаппаратов иногда сильно отличаются по размерам, а от размера зависит качество получаемого изображения. 

Ниже я перечислю матрицы разных размеров, которыми пользуются современные фотографы:

• Самыми крупными матрицами, в профессиональном сегменте, обладают среднеформатные фотоаппараты. Размер их достигает 53×40мм. Такие размеры позволяют иметь огромное кол-во мегапикселей без особой потери качества.
• Самыми же популярными, в профессиональной среде, являются малоформатные матрицы. Так называемые «Полнокадровые» фотоаппараты. Размер их составляет примерно 36х24мм. Такие матрицы являются золотой серединой между размером и весом фотоаппарата. На свой размер могут иметь достаточное кол-во мегапикселей и без особой потери качества.
• Дальше идут фотоаппараты с APS-C матрицами, их размеры составляют примерно 23.5х15.5мм. Каждый бренд имеет в своём арсенале линейку APS-C камер. В народе их также уничижительно называют крОпами. Часто имеют такое же кол-во мегапикселей, как и у малоформатных, т.е. полнокадровых камер.
• Микро 4:3 – самая маленькая матрица из профессионального сегмента, всего 18х13.5 мм. Отличительной особенностью является нетипичное соотношение сторон 4:3, которое, по моему мнению, лучше всего подходит для портретов. Часто используется для съёмки видео.

Как видим у iPhone 14 pro max гораздо больше мегапикселей, чем у большинства представленных фотоаппаратов. Такое кол-во мегапикселей на такой маленький сенсор создаёт гигантскую плотность пикселей, что в теории создаст много шумов, приведёт к агрессивному шумоподавлению, что в последствии замылит изображение. И на самом деле это так. Однако заметить эти проблемы сможете только, если посмотрите фотографию на мониторе ПК или на телевизоре. В таблице также присутствует Pentax 645z – фотоаппарат со схожим количеством мегапикселей, но сравнивать его с iPhone нет смысла. Смартфон будет уничтожен как по уровню детализации, так и по качеству цветопередачи, а о качестве соотношения сигнал/шум можно даже не упоминать.

Цены на фотоаппараты приводить нет смысла в реалиях РФ на момент 2023 года. В долларах цены мало о чём говорят из-за того, что их нельзя купить или продать, а стоимость в рублях прыгает от магазина к магазину.

Кроп Фактор

Crop Factor или по-русски – “Коэффициент Обрезания” говорит о том, на сколько прибор был обрезан и ему должно быть стыдно. 

Используется для научного подтверждения того, какая матрица крутая, а какая нет. Сравнения с более крупными форматами – неуместно, несправедливо, бредово и вообще запрещаются специальной конвенцией вселенской справедливости.

Шутки в сторону!

Кроп фактор показывает то, во сколько раз длина матрицы отличается от стандарта – малого формата.

Малый формат – формат фотоплёнки создали, разрезав пополам стандартную на тот момент 70мм плёнку. Этот 35мм “обрубок” получил название – малый формат. В 1909 его сделали международным стандартом, из-за чего в последствии получил прозвище – полный кадр, он же Full frame.

Средний формат – более крупный размер плёнки. Эдакий середнячок между малым 35мм форматом и крупным 70мм.

Крупный формат – 70мм плёнка так же известная как IMAX. Расшифровывается как Image Maximum по русски Максимальный Кадр или Максимум Изображения.

Как вычислить кроп фактор

Для примера вычислим кроп фактор матрицы фотоаппарата Panasonic Lumix DC-G9

G9 – фотоаппарат системы Micro 4:3 и его матрица имеет размер: 17.3мм x 13мм.

Кроп фактор матрицы Panasonic G9 = 2.

Иногда матрицы отличаются друг от друга на полмиллиметра, и значение кроп-фактора от этого чуть меняется. К примеру принято считать, что у APS-C камер Canon кроп-фактор равен 1.62. Это означает, что матрица у Canon чуть меньшего размера, чем у других представителей линейки APS-C камер кроп-фактор которых обычно равен 1.5, а если точнее 1.52.

Попробуйте вычислить кроп фактор вашего фотоаппарата.

Финальные слова

Надеюсь, что после прочтения вам стало немножечко понятнее, что такое матрица и с чем её едят. Тема достойная написания книги, но на данный момент это не в моих силах. Я лишь постарался затронуть только основные моменты, азы, которые касаются матрицы фотоаппарата. Без них невозможно представить, а ещё труднее понять, что происходит у вас в фотоаппарате и каким образом у вас получается то, что у вас получается.

На этом я, пожалуй, закончу. Если я что-то упустил, то обязательно дополню, если рассказал не очень понятно – постараюсь объяснить яснее в новой редакции, а если в чём, то оказался не прав, то – да и бог бы с ним!

Спасибо, что дочитали до этого места!

Берегите себя! Удачи на съёмках и до новых встреч!

Like me!