Матрица фотокамеры – Матрица фотоаппарата – основа основ

Какая матрица для фотоаппарата лучше: как выбрать

Покупая фотоаппарат, неважно какой: профессионального класса или рядовой бюджетный компакт для съемок друзей и семьи на природе, хочется, чтобы снимки получались качественными, а сам аппарат давал как можно больше свободы. Зная, какая матрица для фотоаппарата лучше, можно не впадать в ступор в магазине при виде двух моделей разных марок, которые выглядят одинаково, но стоят очень по-разному. Все дело в сенсоре, который и отвечает за то, какое изображение будет получаться и насколько гибкие рамки пользования фотоаппаратом будут у владельца.

Немного технических сведений

Матрицы цифровых фотоаппаратов делятся на два основных типа по применяемым полупроводникам и технологии считывания информации.

1. Тип матрицы ПЗС (CCD) — самый распространенный. Это достаточно дешевая технология, информация об изображении считывается последовательно с каждой ячейки.
2. КМОП матрицы CMOS дороже, но эффективнее в плане скорости работы, поскольку позволяют считывать данные сразу со всех светочувствительных элементов. Такие сенсоры устанавливаются в дорогих камерах, поскольку ни один производитель не пройдет мимо шанса предоставить пользователю возможности съемки с очень малыми выдержками, что в свою очередь усложняет аппаратно-программный комплекс.

Большинство фотоаппаратов пользовательского класса оснащено ПЗС матрицами. При этом ставится вполне ожидаемое условие: для получения действительно качественных снимков при естественном освещении (или при недостаточном) лучше использовать штатив, поскольку время выдержки будет значительным. Аналогично — не получится делать снимки крайне быстро, поскольку нужно время на получение и обработку изображения.

Некоторые производители решают последнюю проблему достаточно просто: оснащают фотоаппараты буфером памяти. Туда помещаются кадры до обработки, когда ведется съемка в так называемом спортивном режиме — серией за короткий промежуток времени.

Дорогие фотокамеры, оснащенные КМОП матрицами, позволяют делать снимки «с рук» с малой выдержкой, имеют высокую светочувствительность и низкий уровень шума. С помощью такого оборудования можно проводить экспонометрию, снижается время автофокусировки, естественно, легко сделать хороший кадр.

Еще одна технология, которая применяется в самой дорогой фототехнике — многослойные матрицы. Это не очередной пункт в списке «виды матриц». Светочувствительная зона таких аппаратов состоит из трех слоев ПЗС, каждый из которых считывает только один цвет. В результате качество изображения просто потрясает. Техника с данной технологией особо маркируется: 3CCD.

Последнее, что стоит упомянуть, – технологические размеры матриц. ПЗС сенсоры можно сделать маленькими, они построены на кремниевых элементах. А КМОП матрицы достаточно большие, что является еще одним рациональным доводом в пользу их применения в дорогой профессиональной технике.

Количественный показатель качества

Задавая себе вопрос, какая матрица фотоаппарата лучше,- можно достаточно быстро получить ответ без необходимости вникать в технологические особенности. Обратите внимание на следующие характеристики:

• заявленное количество мегапикселей в характеристике камеры;
• эффективное количество пикселей, которое ответственные производители указывают в документации к фотоаппарату;
• возможные размеры изображений, которые можно делать с помощью камеры.

Производители дешевых моделей фотоаппаратов часто лукавят, указывая, прежде всего, размерность картинки и выставляя огромные цифры как эффективный рекламный ход. Это не говорит о качестве получаемых снимков. Типы матриц фотоаппаратов могут быть разного класса. Однако если сенсор не имеет достаточной разрешающей способности, большие изображения на выходе будут иметь низкую детализацию и высокий уровень шума.

Еще больше о качестве камеры скажет соотношение между заявленными мегапикселями матрицы и количеством эффективных точек. Это напрямую говорит о применяемой оптике. Если аппаратная часть выполнена ответственно, заявленное и эффективное количество пикселей будет почти одинаково, что не только положительно характеризует продажную цену, но и напрямую отвечает за качество снимков.

Светочувствительность и шумы

Светочувствительность матрицы — еще одна характеристика, которая описывает фотоаппарат. Покупать камеру стоит, ориентируясь на планируемые возможности применения. Сегодня в документации в графе светочувствительности можно встретить очень высокие цифры — до 51000 и больше. Однако это не говорит напрямую о возможности делать качественные снимки. Нет и рекомендаций, какой должна быть светочувствительность. Работает все следующим образом:

• для получения хорошего изображения требуется обеспечить выдержку, время которой зависит от уровня освещенности и светочувствительности матрицы;
• при среднем и низком освещении приходится применять штатив;
• если хочется продолжать снимать «с рук», можно программно поменять уровень светочувствительности матрицы в настройках фотоаппарата.

Однако высокая светочувствительность при малой установленной выдержке — это прямой путь к появлению шумов на снимке. Повышенная зернистость, появление мозаики — это те черты, которые раздражают и требуют тщательной вторичной обработки изображения.

Уровень светочувствительности является определяющим только при четком осознании того, в каких именно условиях будет использоваться камера. К примеру, при работе со штативом можно покупать фотоаппарат с высоким показателем, это даст широкие возможности съемки при самых разных освещениях без применения вспышки.

Физическая геометрия сенсора

Физический размер матрицы фотоаппарата в миллиметрах — еще один фактор, который не только напрямую отвечает за качество снимков, но и очень сильно формирует цену камеры. У самых лучших моделей соотношение размерности, которое основано на стандартном формате пленки 35 мм, близко к единице. Чем дешевле модель, тем выше показатель «кроп», обрезки, который сигнализирует о том, что матрица меньше по габаритам.

Чем меньше площадь сенсора, тем ниже охват визуального пространства перед объективом и:

• ниже общее количество света, которое падает на матрицу, следовательно, приходится повышать светочувствительность и увеличивать цифровой шум;
• больше теряется малых деталей, появляется размытие, это вызывают малые размеры, до которых преобразуется кадр.

Высокие значения кропа в фотоаппарате также означают, что разница в освещенности объектов в поле зрения фотоаппарата будет сглаживаться, что очень негативно сказывается на снимках, полученных в вечернее время без вспышки, например.

Коэффициент размерности указывается в документации к камере. Неважно, ориентируетесь ли на бюджетную или профессиональную модель — лучше будет купить аппарат с большой в геометрическом смысле матрицей.

Заключение

Невозможно сказать, какая матрица лучше. Выбирать фотоаппарат следует исходя из режимов, в которых он будет использоваться. Невозможно провести и всесторонне сравнение матриц фотоаппаратов – каждая проиграет в каком-то случае.

Правильно предсказанные условия съемок позволят камерам даже с относительно посредственными матрицами делать очень хорошие снимки. Главный фактор, который нужно учитывать обязательно — геометрические размеры матрицы. Тем, кто хочет получать действительно большие изображения в пикселях, также нужно обратить внимание на количество эффективных мегапикселей фотоаппарата.

tehnopanorama.ru

Что такое матрица в фотоаппарате и её основные параметры

Матрица фотокамеры служит для преобразования попадающего на нее с объектива светового потока в электрические сигналы, которые затем камера и преобразует в снимок. Делается это при помощи фотодатчиков, расположенных на матрице в большом количестве.

Что такое матрица фотоаппарата – это микросхема, состоящая из фотодатчиков, которые реагируют на свет.

Структура самой матрицы является дискретной, то есть состоящей из миллионов элементов (фотоэлементов), преобразующих свет.

Поэтому в характеристиках фотоаппарата как раз и указывается количество элементов матрицы, которое мы знаем как мегапиксели (Мп). 1 Мп = 1 миллиону элементов.

Именно от самой матрицы и зависит количество мегапикселей фотоаппарата, которое может принимать значение от 0.3 (для дешевых телефонных фотоаппаратов) до 10 и больше мегапикселей у современных фотоаппаратов. Например, 0,3 Мп это в переводе уже 300 тысяч фотоэлементов на поверхности матрицы.

Характеристиками матрицы можно считать такие параметры:

• Физический размер
• Разрешение (мегапиксели)
• Светочувствительность
• Отношение сигнал-шум

Внешний вид матрицы

Сама матрица фотоаппарата формирует черно белое изображение, поэтому для получения цветного изображения, элементы матрицы могут покрывать светофильтрами (красный, зеленый, синий). И если сохранять фотографию в формате JPEG и TIFF, то цвета пикселей фотоаппарат вычисляет сам, а при использовании формата RAW пиксели будут окрашены в один из трех цветов, что позволит обработать такой снимок на компьютере без потери качества.

Физический размер

Еще одной характеристикой матрицы является размер. Обычно размер указывается как дробь в дюймах. Чем больше размер, тем меньше шума будет на фотографии и больше света регистрируется, а значит, больше оттенков получится.

Размер матрицы очень важный параметр всего фотоаппарата.

Разные размеры матрицы

Чувствительность и шумы

В фототехнике применительно к матрицам используется термин «эквивалентная» чувствительность. Происходит это потому, что настоящую чувствительность измеряют различными способами в зависимости от назначения матрицы, а применяя усиление сигнала и цифровую обработку, можно сильно изменить чувствительность в больших пределах.

Светочувствительность любого фотоматериала показывает способность этого материала преобразовывать электромагнитное воздействие света в электрический сигнал. То есть, сколько нужно света, что бы получить нормальный уровень электрического сигнала на выходе.

Чувствительность матрицы (ISO) влияет на съемки в темных местах. Чем больше чувствительность можно выставить в настройках, тем лучше будет качество снимков в темноте при нужных диафрагме и выдержке. Значение ISO может быть от нескольких десятков до нескольких десятков тысяч. Недостатком большой светочувствительности может быть проявление шума на фотографии в виде зернистости. Так же чувствительность участвует в настройке экспозиции.

Размер и количество пикселей

Размер матрицы и ее разрядность в мегапикселях связаны между собой такой зависимостью: чем меньше размер, тем должно быть и меньше мегапикселей. Иначе из-за близкого размещения фотоэлементов возникает эффект дифракции и может получиться эффект замыливания на фотографиях, то есть пропадет четкость на снимке.

Еще размер матрицы и ее разрешение определяют размер пикселя и соответственно динамический диапазон, который показывает возможность фотокамеры отличить самые темные оттенки от самых светлых и передать их на снимке.

Так же чем больше размер пикселя, тем больше отношение сигнал-шум ведь больший по размерам пиксель может собрать больше света и увеличивается уровень сигнала. Поэтому при одинаковом размере матрицы меньшее количество мегапикселей может быть даже полезнее для качества фотографии.

Чем больше физический размер пикселя (англ. pixel – picture element), тем больше он сможет собрать падающего на него света и тем больше будет соотношение сигнал-шум при заданной чувствительности. Можно и по-другому сказать: при заданном соотношении сигнал-шум будет выше чувствительность. Это означает, что можно увеличивать значение чувствительности при настройке экспозиции без боязни получить шумы на фотографии. Разумеется шумы появятся, только значение ISO, при котором это произойдет, будет разным для разных фотокамер. Поэтому зеркалки со своими большими матрицами по этим показателям сильно опережают компакты.

Размер пикселя зависит от физического размера матрицы и её разрешения. Размер пикселя влияет на фотографическую широту. Дополнительно о количестве мегапикселей.

Матрица на плате

Разрешение

Разрешение матрицы зависит от количества используемых пикселей для формирования изображения. Объектив формирует поток света, а матрица разделяет его на пиксели. Но оптика объектива также имеет свое разрешение. И если разрешение объектива не достаточное, и он передает две светящиеся точки с разделением черной точкой как одну светящуюся, то точного разрешения фотоаппарата, которое зависит от значения Мп, можно и не заметить.

Поэтому результирующее разрешение фотокамеры зависит и от разрешения матрицы и от разрешения объектива, измеряемое в количестве линий на миллиметр.

И максимальным это разрешение будет, когда разрешение объектива соответствует разрешению матрицы. Разрешение цифровых матриц зависит от размера пикселя, который может быть от 0,002 мм до 0,008 мм (2-8 мкм). Сегодня количество мегапикселей на фотосенсоре может дистигать значения 30 Мп.

Структура матрицы

Отношение сторон матрицы

В современных фотоаппаратах применяются матрицы с форматами 4:3, 3:2, 16:9. В любительских цифровых фотоаппаратах обычно используется формат 4:3. В зеркальных цифровых фотоаппаратах обычно применяют матрицы формата 3:2, если специально не оговорено применение формата 4:3. Формат 16:9 редко используется.

Тип матрицы

Раньше в основном использовались фотосенсоры на основе ПЗС (прибор зарядовой связи, по-английски CCD – Charge-Coupled Device). Эти матрицы состоят из светочувствительных светодиодов и используют технологию приборов с зарядовой связью (ПЗС). Успешно применяется и в наше время.

Но в 1993 году была реализована технология Activ Pixel Sensors. Её развитие привело к внедрению в 2008 году КМОП-матрицы (комплиментарный металл-оксид-полупроводник, по-английски CMOS – Complementary-symmetry/Metal-Oxide Semiconductor). При этой технологии возможна выборка отдельных пикселей, как в обычной памяти, а каждый пиксель снабжен усилителем. Так же матрицы на этой технологии могут иметь и автоматическую систему настройки времени экспонирования для каждого пикселя. Это позволяет увеличить фотографическую широту.

Фирма Panasonic создала свою матрицу Live-MOS-матрицу. Она работает на МОП технологии. Применяя такую матрицу можно получить живое изображение без перегрева и увеличения шумов.

Откуда берутся шумы на снимках и как их уменьшить.

Как можно почистить матрицу в зеркальном фотоаппарате.

Как размер матрицы влияет на качество снимков.

vybrat-tekhniku.ru

типы, размер, разрешение, светочувствительность, чистка

Ни один фотоаппарат не может обойтись без матрицы. Современные модели оснащаются ей практически поголовно. Так произошло в момент, когда цифровые аналоги начали вытеснять устаревшие пленочные технологии. Матрица фотоаппарата является одним из основных компонентов, без которых невозможна эксплуатация всего прибора в целом, ведь его роль если и не является ключевой, то, по крайней мере, может считаться одной из ведущих. Именно матрица отвечает за качество будущего снимка, цветопередачу, четкость, полноту кадра. Как и другие важные элементы фототехники, матрица обладает рядом основных параметров, на которые обычно принято ориентироваться при выборе той или иной модели.

Типы матриц

Матрица цифрового фотоаппарата – это, в первую очередь, микросхема. Она преобразует световые лучи, которые, преломившись в системе линз и зеркал, попадают на нее. В результате такого преображения получается электрический сигнал, который выводится в цифровом виде, образуя снимок. За весь этот процесс отвечают специальные фотодатчики, расположенные на самой плате. Чем больше количество датчиков, чувствительных к свету, тем больше разрешение, и, как следствие, качество конечного снимка.

Встречаются матрицы следующих типов.

1. ПЗС – тип матрицы фотоаппарата, который дословно расшифровывается как прибор зарядовой связи. В английском варианте – Charge-Coupled Device. Весьма известная аббревиатура, которая, впрочем, не так часто встречается в наши дни. Многие используют приборы, в основе которых лежат светодиоды, имеющие высокую светочувствительность, созданные на основе ПЗС системы, но, несмотря на широкую распространенность, данный вид микросхем все больше вытесняется более современным.
   
2. КМОП-матрица. Формат матрицы, введенный в эксплуатацию в 2008 году. Впрочем, история создания данного формата уходит корнями в далекий 93-й, когда впервые была опробована технология APS. КМОП-матрица – это комплиментарный металл-оксид-полупроводник. Данная технология позволяет производить выборку отдельного пикселя почти так же, как и в стандартной системе памяти, к тому же, каждый пиксель оснащается дополнительным усилителем. Поскольку данная система является более современной, она зачастую оснащается автоматической подстройкой времени экспонирования каждого пикселя по отдельности. Данное улучшение позволяет получить полный кадр без потери боковых границ, а так же без потери верха и низа кадра. Полноразмерная матрица чаще всего бывает выполнена по технологии КМОП.
3. Существует еще один тип матрицы – Live-MOS-матрица. Ее выпустила фирма «Панасоник». Данная микросхема функционирует при помощи технологии, в основе которых лежит МОП. МОП-матрица позволяет делать качественные профессиональные снимки без высокого уровня шума, а также исключает перегрев.

Физический размер матрицы

Размер матрицы фотоаппарата – одна из ее важнейших характеристик. Как правило, его указывают в дюймах в виде дроби. Больший размер подразумевает меньшее количество шумов на конечном снимке. К тому же, чем больше физический размер, тем больше световых лучей способна зарегистрировать матрица. Объем и количество лучей напрямую влияют на качество передачи оттенков и полутонов.

Кроп-фактор — это соотношение размеров кадра пленочного фотоаппарата 35 мм к размерам матрицы цифрового фотоаппарата. Все дело в том, что процесс создания цифровой матрицы довольно дорогостоящий, и поэтому производители постарались максимально сократить ее размер.

Если сравнить фото, сделанное с одним объективом на фотоаппарате с полнокадровой матрицей и фотоаппарате с «кропнутой» матрицей, то в первом случае угол охвата будет больше, и само изображение шире. Получается, что кропнутая матрица обрезает готовую картинку, отсюда и пошло такое название – кроп от англ. crop  (резать).

Чаще всего кроп-фактор используют для замера наиболее точного расстояния фокуса у объектива, устанавливая его на различные приборы. Здесь вступает в игру такое понятие, как эквивалентное фокусное расстояние (ЭФР), которое вычисляется путем умножения фокусного расстояния (ФР) на кроп-фактор. Так, объектив с полнокадровой матрицей (кроп=1) и объективом с ФР 50 мм зафиксирует такое же по размерам изображение, как и кропнутая матрица 1,6 с объективом с ФР 30 мм. В этом случае можно сказать, что ЭФР у этих объективов одинаковое. Ниже приведена таблица, в которой можно провести сравнение, как меняется ЭФР в зависимости от кроп-фактора.

Количество мегапикселей и разрешение матрицы

Матрица сама по себе является дискретной. Она состоит более чем из миллиона элементов, которые и преобразовывают световой поток, идущий от линз. В характеристике каждой модели фотоаппарата можно отыскать такой параметр матричной платы как количество светочувствительных элементов или разрешение матрицы, измеряемое в мегапикселях.

Один мегапиксель равен одному миллиону светочувствительных датчиков, улавливающих преломленные в линзах лучи. Разумеется, чем этот параметр будет больше, тем лучший снимок получится сделать.

Правда, здесь есть и обратная зависимость. Если физический размер матрицы меньше, то и количество мегапикселей должно быть пропорционально меньше, в противном случае не удастся избежать эффекта дифракции: фотографии будут замыленными, без четкости.

Чем больше размер пикселя, тем больше он способен зафиксировать лучей, падающих на него. Размер пикселей напрямую связан с размерами матрицы, и влияет, в основном, на широту кадра. Чем больше количество мегапикселей с правильным соотношением размеров матрицы, тем больше лучей света смогу уловить датчики. Количество зафиксированных лучей напрямую влияет на исходные параметры преобразуемого материала: резкость, цветность, объем, контрастность, фокус.

Таким образом, разрешение фотокамеры влияет на качество снимка. Зависимость разрешения от объема использующихся пикселей очевидна. В объективе при помощи сложной расстановки оптических элементов формируется необходимый световой поток, который потом матрица поделит на пиксели. Оптические приборы тоже обладают собственным разрешением. Более того, если разрешение объектива достаточно мало, а передача двух светящихся точек, разделяемых одной темной, происходит как единого целого, то разрешение будет не столь отчетливо выделяться. Происходит это именно из-за прямой зависимости и привязки к числу мегапикселей.

Важно: на качественный снимок влияет как параметр разрешения матрицы, так и разрешение оптики объектива. Измеряется оно количество линий на 1 мм. Своего максимального значения разрешение достигает, когда оба показателя — и матрица, и объектив — соответствуют друг другу.

Если говорить о разрешении современных цифровых микросхем, то оно складывается из размера пикселя (от 2 до 8 мкм). На сегодняшний день на рынке представлены модели с показателями до 30 мп.

Светочувствительность

В фотоаппаратах по отношению к матрице принято использовать термин эквивалентной чувствительности. Связано это с тем, что подлинную чувствительность можно измерять различными способами в зависимости от множества параметров матрицы. Зато, применив усиление сигнала и цифровую обработку, пользователь может обнаружить высокие пределы чувствительности.

Параметры светочувствительности демонстрируют возможность исходного материала преобразовываться из электромагнитных воздействий потока света в электрический двоичный сигнал. Проще говоря, показывать, сколько требуется света для получения объективного уровня электрического импульса на выходе.

Параметр чувствительности (ISO) чаще всего используется фотографами для демонстрации возможности съемки в условиях плохого освещения. Увеличение чувствительности в параметрах прибора позволяет улучшить качество конечного снимка при необходимом значении диафрагмы и выдержки. ISO может достигать значения от нескольких десятков до тысяч и десятков тысяч единиц. Негативной стороной высоких значений светочувствительности является появление «шумов», которые проявляются в виде эффекта зернистости кадра.

Как проводить чистку матрицы в домашних условиях

Битые пиксели не всегда могут быть таковыми на самом деле. В действительности, когда происходит смена объектива, на матрицу могут попасть частицы мусора, вызывающие эффект «битого пикселя». Чистка матрицы фотоаппарата нужна для профилактики этого эффекта, а также для более комфортной работы с прибором.

Со временем, в особенности, если устройство эксплуатируется подолгу в различных погодных условиях, матрица может покрыться слоем пыли. При нарушении герметичности в области крепления объектива на поверхность может попасть небольшое количество влаги, что тоже может негативно сказаться на качестве кадра. Чистку можно доверить профессионалам из сервисного центра, а можно провести и самостоятельно, в домашних условиях.

Важно не забывать, что помещение, в котором будет происходить процедура, должно быть как можно менее пыльным, без сильных сквозняков. Прежде чем приступать к самой процедуре, необходимо убедиться, что аккумуляторная батарея заряжена.

Первый и самый простой способ очистки стеклянной поверхности кремниевой пластины микросхемы – сдувание пыли. Для этого следует использовать самую обычную грушу для чистки объективов, она продается в любом крупном магазине бытовой техники. К сожалению, использование груши помогает только при снятии легкого налета небольших песчинок пыли. Для более крупных частиц, которые могли прилипнуть к поверхности, может потребоваться что-то более основательное.

Если груша не помогла справиться с пятнами на матрице, можно попробовать использовать специальный набор для очистки стеклянной поверхности. Стоит он несколько дороже, но эффективность очистки значительно выше.

1. Первый пункт в очистке – использование специального пылесоса. Его сборка не занимает много времени и детально описана в инструкции к набору. На конце устройства находится мягкий наконечник, так что повреждение прибора во время работы исключено. Лучше всего будет прочистить при помощи пылесоса не только стеклянную поверхность, но и все скрытые полости, доступные для чистки.
   
2. После уборки при помощи пылесоса можно начинать влажную уборку. Она осуществляется при помощи специальных щеточек, одна из которых влажная, другая сухая. Этот вид уборки нужен для пылинок, которые, будучи мокрыми, попали на поверхность стекла, и, высохнув, прикрепились к нему, создав эффект «битого пикселя». Влажная щетка пропитана специальным раствором, который эффективно удаляет засохшие песчинки и пылинки, не оставляя пятен и разводов. Необходимо проводить по стеклу плавными аккуратными движениями, лишь слегка нажимая на саму щетку. Оставшаяся влага довольно быстро испарится сама. Даже если после влажной уборки на стекле остается пара капель, то они прекрасно удаляются сухой щеточкой (кисточкой).
   
3. Третий этап – финальный, проводим сухой щеточкой по матрице и убеждаемся, что она чистая.

После очистки можно попробовать сделать тестовый снимок, чтобы убедиться, что процедура прошла успешно. Для этого необходимо закрыть диафрагму до максимального значения и сделать снимок чистого белого листа, приведя объектив в состояние полной расфокусировки. Затем сравнить качество снимков до и после.

Почистить матрицу зеркального фотоаппарата довольно просто, для этого не требуется каких-то глубоких знаний или большого опыта, достаточно желания, немного терпения и знания базовых принципов очистки высокоточной оптической техники.

Заключение

Матрица фотоаппарата является важнейшей деталью любой современной зеркалки. Без нее невозможно сделать снимок, а от ее параметров зависит дальнейшее использование устройства. Если параметры матрицы выбраны неправильно, фотоаппарат не будет оптимально справляться со своими задачами. Матрица не требует какого-то дополнительного ухода, кроме периодической чистки стеклянной поверхности.

Следует отметить, что светочувствительные датчики очень хрупкие и плохо переживают падение прибора даже с небольшой высоты, поэтому эксплуатировать фотоаппарат рекомендуется с максимальной осторожностью и аккуратностью.

tehnika.expert

Матрицы для камер видеонаблюдения. На что обращать внимание? / Habr

Качество изображения видеокамеры во многом зависит от используемого в ней светочувствительного сенсора (матрицы). Ведь поставь хоть лучший процессор для оцифровки видео – если на матрице получено плохое изображение, хорошим оно уже не станет. Попытаюсь популярно объяснить, на что следует обращать внимание в характеристиках сенсора камеры видеонаблюдения, чтобы потом не было мучительно больно при взгляде на изображение…

Тип матрицы

В интернете вы наверняка найдете информацию о том, что в камерах видеонаблюдения применяются CCD (ПЗС, прибор с зарядовой связью) и CMOS (КМОП, комплементарная структура металл-оксид-полупроводник) светочувствительные матрицы. Забудьте! Давно остался только CMOS, только хардкор.

CCD матрицы, при всех их достоинствах (лучшая светочувствительность и цветопередача, меньший уровень шумов) – уже практически не используются в видеонаблюдении. Потому что сам принцип их действия CCD матриц – последовательное считывание заряда по ячейкам – слишком медленный, чтобы удовлетворить запросы быстрых современных видеокамер высокого разрешения. Ну и самое главное CCD дороже в производстве, а в условиях современной высококонкурентной среды на счету каждая копейка прибыли. Вот почему все ключевые производители сосредоточились на выпуске именно CMOS матриц.

Осталось производителей, между прочим, не так и много. Крупнейшими, по состоянию на начало 2017 года, являются компании: ON Semiconductor Corporation (в свое время поглотившая известную профильную компанию Aptina), Omnivision Technologies Inc., Samsung Electronics и Sony Corporation. Кроме того, матрицы для собственных нужд производит, например, компания Canon, Hikvision.

Конкуренцию старым брендам пытаются создать молодые, полные энтузиазма и денег китайские чипмейкеры «второго эшелона», вроде компании SOI (Silicon Optronics, Inc.) и др. Трудно сказать, выживет ли молодая поросль, когда на рынке CMOS сенсоров наступит насыщение и станет слишком тесно. Но в любом случае в этом сегменте не исключено появление новых игроков и обострение борьбы, ведь наладить производство CMOS сенсоров не слишком и сложная по современным меркам задача.

Крупные мировые бренды типа Hikvision или Dahua обычно предпочитают работать с производителями матриц первого эшелона или собственными. Локальные же ведут себя по разному. Например, Tecsar даже в недорогих камерах использует матрицы с хорошей репутацией от ON Semiconductor, Omnivision и Sony. В в ассортименте других “народных” марок, например Berger, широко представлены сенсоры SOI и т.д.

Как делаются матрицы цифровых камер

Лидерские качества CMOS

CMOS технология предусматривает размещение электронных компонентов (конденсаторов, транзисторов) непосредственно в каждом пикселе светочувствительной матрицы.

Структура пикселя и CMOS матрицы

Это уменьшает полезную площадь светочувствительного элемента и снижает чувствительность, плюс активные элементы повышают уровень собственных шумов матрицы. Зато технология позволяет осуществлять преобразование заряда светочувствительного элемента в электрический сигнал прямо в матрице и гораздо быстрее сформировать цифровой сигнал изображения, что критично для видеокамер. Именно поэтому CMOS лучше подходят для камер видеонаблюдения, где требуется быстрая смена кадров.

Принцип работы CCD и CMOS матриц

Плюс возможность произвольного считывания ячеек CMOS матрицы дает возможность буквально «на лету» изменять качество и битрейт получаемого видео, что невозможно для CCD. А энергопотребление CMOS-решений ниже, что тоже немаловажно для компактных камер наблюдения.

Да будет цвет

Для получения цветного изображения матрица разлагает световой поток на составляющие цвета: красный, зеленый и синий. Для этого используются соответствующие светофильтры. Разные производители варьируют размещение и количество светочувствительных элементов разного цвета, но суть от этого не меняется.

Принцип формирования изображения на светочувствительной матрице:

Р – светочувствительный элемент
Т — электронные компоненты

Как устроен и работает КМОП сенсор камеры можно также посмотреть на этом видео от Canon:

CMOS матрицы всех производителей базируются на вышеописанных общих принципах, отличаясь лишь в деталях реализации на кремнии. Например, в погоне за дешевизной и сверхприбылью, чипмейкеры стараются выпускать матрицы как можно меньшего размера. Расплата за это неизбежна…

Почему большой – это хорошо

Типоразмер (или другими словами формат) матрицы обычно измеряют по диагонали в дюймах и указывают в виде дроби, например 1/4″, 1/3″, 2/3″, 1/2 дюйма и др.

Первое правило выбора лучшей матрицы довольно простое: при одинаковом количестве пикселей (разрешении), чем больше физические размеры сенсора – тем лучше. У большей матрицы крупнее пиксели, а значит, она улавливает больше света. Пиксели большей матрицы расположены менее тесно, а значит меньше влияние взаимных помех и ниже уровень паразитных шумов, что напрямую влияет на качество получаемого изображения. Наконец, более крупная матрица позволяет получить большие углы обзора при использовании объектива с одним и тем же фокусным расстоянием!

Светочувствительная матрица производства ON Semicondactor для камер видеонаблюдения

Светочувствительная матрица, установленная на плате видеокамеры

Увы, большеформатные матрицы в массовых камерах видеонаблюдения сейчас практически не используются в силу дороговизны и самих матриц, и объективов для них, которые должны иметь более крупные линзы и, соответственно, габариты и стоимость. На сегодня в камеры устанавливают в основном матрицы типоразмера 1/2″ – 1/4″ (это самые крошечные). Выбирая камеру, нужно четко понимать, что покупая ультрадешевую модель с 1/4″ матрицей производства SOI и крохотным объективом с пластиковыми линзами сомнительной прозрачности, вы не сможете создать систему видеоконтроля приемлемого качества, на которой можно было бы хорошо различать небольшие детали отснятых событий, особенно при съемке в условиях слабой освещенности.

Выбирая же камеру с матрицей Sony типоразмера 1/2.8″ вы априори получите гораздо лучший результат по качеству видео, камеру с такой матрицей уже вполне можно использовать в профессиональной системе видеонаблюдения. И чувствительность у такой камеры будет заведомо выше, что позволит лучше снимать в условиях слабой освещенности: в плохую погоду, в сумерках, в полутемном помещении и т.п. С увеличением разрешения при том же размере матрицы светочувствительность падает, и это тоже нужно учитывать при выборе. Для камеры, установленной в темной подворотне у черного хода, имеет смысл выбрать матрицу с меньшим разрешением и более высокой чувствительностью, чем камеру ультравысокого разрешения с низкой чувствительностью матрицы на которой из-за шумов ничего нельзя будет толком различить.

Светочувствительность

Светочувствительность матрицы определяет возможность ее работы в условиях слабого окружающего освещения. С точки зрения физики это выглядит совсем банально: чем меньше световой энергии достаточно для получения изображения матрицей, тем выше ее светочувствительность. Но! Будем откровенны, гнаться за высокой чувствительностью уже особо не стоит. Дело в том, что современные камеры видеонаблюдения благополучно переходят в режимы «день/ночь», при снижении освещенности переводя матрицу в режим черно-белого изображения с более высокой чувствительностью. Плюс автоматическое включение инфракрасной подсветки дает камерам возможность отлично снимать даже в полной темноте. Например, в закрытом помещении без окон и с выключенным светом, когда об уровне какой-то внешней освещенности даже речи нет. Светочувствительность остается критичной для камер лишенных ИК подсветки, но использовать такие в современном видеонаблюдении – почти моветон. Хотя корпусные модели без подсветки все еще продаются, конечно.

Сравнение матриц разных производителей

Вообще правило таково: чем выше освещенность, тем лучше снимет матрица и, соответственно, камера. Поэтому не рекомендуется ставить камеры по полутемным закоулкам, даже если у них хорошая чувствительность. Имейте в виду, что в спецификации матриц камер обычно указывается минимальный уровень освещенности, когда можно зафиксировать хоть какое-то изображение. Но никто не обещает, что это изображение будет хотя бы приемлемого качества! Оно будет отвратительным в 100% случаев, на нем с трудом можно будет что-либо разобрать. Для достижения хотя бы удовлетворительного результата рекомендуется снимать как минимум при освещенности хотя бы в 10-20 раз большей, чем минимально допустимая для матрицы.

Производители придумали ряд технических решений, чтобы улучшить чувствительность CMOS матриц и снизить потери света в процессе фиксации изображения. Для этого в основном используется один принцип: вынести светочувствительный элемент как можно ближе к микролинзе матрицы, собирающей свет. Сначала компания Sony предложила свою технологию Exmor, сократившую путь прохождения света в матрице:

Затем прогрессивные производители дружно перешли на использование матриц с обратной засветкой, позволяющей не только сократить путь света сквозь матрицу, но и сделать полезную площадь светочувствительного слоя больше, разместив его над другими электронными элементами в ячейке:

Технология обратной засветке дает камере максимальную чувствительность. Отсюда вывод – «при прочих равных условиях» лучше приобрести камеру использующую матрицу с обратной засветкой, чем без таковой.

Для улучшения изображения в условиях слабого освещения для слабочувствительных дешевых матриц производители камер могут использовать различные ухищрения. Например, режим «медленного затвора», а говоря проще – режим большой выдержки. Однако «размазывание» контуров движущихся объектов уже на этапе фиксации изображения матрицей в таком режиме не позволяет говорить о мало-мальски качественной видеосъемке, поэтому такой подход совершенно неприемлем в охранном видеонаблюдении, где важны детали.

Определенным прорывом в качестве изображения стало появление технологии Starlight, впервые появившейся в камерах Bosch в 2012 году. Эта технология, благодаря комбинации огромной светочувствительности матрицы (порядка 0,0001 — 0,001 люкс) и очень эффективной технологии шумоподавления позволила получать очень качественное цветное изображение с видеокамер в условиях слабой освещенности и даже в ночное время.

Тогда как традиционный способ преодоления слабой освещенности – использование ИК подсветки – дает возможность получить четкое изображение лишь в монохромном режиме (оттенках серого), камеры с технологией Starlight позволяют получить цветную картинку, обладающую гораздо большей информативностью. В частности, при слабой освещенности система видеонаблюдения с технологией Starlight легко сможет различать цвета автомобилей, одежды и др. важные признаки.

Вот демонстрация технологии Starlight в действии:

Итоги

При выборе камеры видеонаблюдения обязательно обращайте внимание на характеристики матрицы, а не только ее разрешение. Ведь от этого в значительной степени будет зависеть качество изображения, а следовательно и полезность камеры. В первую очередь следует обращать внимание на надежный бренд, типоразмер и разрешение матрицы, светочувствительность принципиальна лишь для камер лишенных ИК-подсветки.

Очень рекомендую брать камеру с матрицей, по которой можно найти вменяемый даташит с подробной информацией, а не покупать кота в мешке. Например, вы легко найдете спецификации на матрицы производства ON Semiconductor, Omnivision или Sony. А вот мало-мальски подробных характеристик матриц SOI не сыскать днем с фонарем. Возникает подозрение, что производителю есть что скрывать…

А общий итог такой: CMOS матрицы безоговорочно победили в устройствах видеонаблюдения и в ближайшем будущем не собираются сдаваться какой-либо конкурирующей технологии.

habr.com

Таблица характеристик матриц цифровых фотоаппаратов

От редакции сайта Vt-tech.eu

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.

Надеемся, что автор статьи не будет возражать против размещения её здесь.

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 уже 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 уже 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 (мм2 )	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
h4DII-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
h4DII-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
h4DII-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	OV3650	CMOS	3,1	9.73 x	1,75 µm	9,8	3,63 x 2,71	2048 x 1536	14343	f/2,95	275
iPhone 4	OV5650	CMOS	5,0	7,64 x	1,75 µm	15,7	4,59 x 3,42	2592 x 1936	14343	f/2,95	275
iPhone 4s	OmniVision	CMOS	8,0	7,64 x	1,4 µm	15,7	4,59 x 3,42	3264 x 2448	18100	f/2,37	438,7
Nokia 808	?	CMOS	41,4	3,5 x	1,4 µm	81	10,8 x 7,5	7728 x 5368	18100	f/2,37	438,7

 В эту таблицу я вложил много сил и своего времени, её копирование запрещено (с) VladimirMedvedev.com

Примечания:

¹ Mp — количество мегапикселей в фотографии
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…

vt-tech.eu

Какой размер матрицы фотоаппарата лучше: таблица размеров

Рад вновь приветствовать вас, дорогой читатель. С вами на связи, Тимур Мустаев. Ранее на нашем блоге уже обозревались светочувствительные элементы фотоаппаратов, их свойства, кроп-фактор, количество мегапикселей и прочие параметры. Сегодня настал тот день, когда я вам расскажу более подробно, какой размер матрицы фотоаппарата лучше и почему.

В чём подвох?

Итак, если вы заинтересовались этой темой, значит, вы заинтересованы в улучшении качества своих фотографий. Вы, наверняка, уже слышали байку от рекламщиков, что на качество фотографии влияет только лишь количество мегапикселей. На самом деле, это не совсем так. Почему? Давайте разбираться.

Практически в каждом магазине фотооборудования есть, как минимум, один постер, кричащий о новой камере со встроенной матрицей супер высокого разрешения. Естественно, стоить она будет много больше, чем «скромные» конкуренты, поэтому рекламировать их гораздо выгоднее.

Размер матрицы

Если говорить о габаритах датчика, то здесь любого читателя ожидает огромный диапазон вариантов. От миллиметровых сенсоров смартфонов до огромных светочувствительных элементов кинокамер. Я постараюсь затронуть лишь фотокамеры, насколько это будет возможно.
Итак, существует специальная классификация размеров матриц фотоаппаратов. Таблица, приведённая ниже, показывает более наглядно различия в их длине и ширине.

Как мы здесь видим, начинается с 1/3-½ дюйма. Как правило, такие сенсоры устанавливаются в наиболее дешёвых вариантах любительских мыльниц. Соотношение сторон таких матриц составляет 4:3. Вообще, этого достаточно для формирования семейного фотоальбома, но ведь мы не для этого начали так подробно изучать фотографию, верно?

Камеры с соотношением 2/3, 4/3 дюйма имеют такое же соотношение сторон, однако, пикселям на них более «комфортно», что положительно сказывается на качестве, потому применяются такие элементы на более дорогих фотоаппаратах.

Остальные варианты представляют собой сенсоры, с соотношением сторон 3:2, а также составляют половину от полного кадра. Последний пункт таблицы – Full Frame. Он полностью соответствует своему названию и представляет собой золотой стандарт – 35-миллиметровый светочувствительный элемент. 35-мм сенсор, кстати говоря, соответствует размеру плёнки старых камер, о чём уже говорилось ранее, в одной из прошлых статей.

Каков итог?

Настал тот момент, когда нужно формулировать тезисы. Итак, первый из них – чем шире и выше матрица, тем дальше пиксели находятся друг от друга. Как результат, пиксели «чувствуют себя более комфортно» в таких условиях: они меньше подвергаются перегреву и, сами по себе, имеют большие габариты, за счёт чего каждый из них может захватить большее количество света.

Исходя из этого, делаем вывод, что две камеры с одинаковым количеством мегапикселей и разной величиной сенсора получат различный конечный снимок. Камера с большим датчиком получит фотографию более качественную.

Мегапиксели

Как бы реклама не заверяла, что их количество сильно влияет на качество фотографии, это не совсем так. Вообще, число фотодиодов определяет не столько качество, сколько количество занимаемого в памяти объёма светового отпечатка, который передаётся на процессор. Конечно, высокое разрешение – это хорошо, только если они расположены на матрице соответствующего размера. Иначе, элементы будут перегревать друг друга, из-за чего на фотографиях может образоваться шум.

Благодаря тому, что огромное количество фотографов начинает разбираться в этом вопросе, производители начали создавать пиксели большей величины, чем раньше. А какой от этого толк?

Всё просто: площадь пикселя обширнее, следовательно, он способен захватить большее количество света и передать его на процессор для обработки.

Как мы знаем, многие камеры имеют определённый диапазон регулировки разрешения конечной фотографии. Так вот, подавляющая часть зеркалок имеют показатель от 12 до 24 Мп, а профессиональные – 10-36 Мп, причём площади сенсоров отличаются в 2 и более раз.

В чём смысл всего этого? Можно выбрать среднее разрешение меж двух крайних значений. Это обеспечит быструю обработку снимка и задействует лишь часть пикселей, из-за чего увеличится расстояние между работающими элементами. Такой лайфхак позволит избавиться от лишних шумов.

В чём же итог? Всё просто: под каждый случай будет хороша определённая матрица, однако, сравнение конечных результатов покажет превосходство полнокадрового датчика. Причиной тому универсальность последнего.

Если у вас есть зеркальная фотокамера и вы хотите научиться ею пользоваться, чтобы получать красивые фотографии, предлагаю вашему вниманию «Цифровая зеркалка для новичка 2.0» или «Моя первая ЗЕРКАЛКА». Данный видео курс, просто находка для новичка. Ознакомившись с его содержимым, вы получите отличные знания о зеркалки. Помните, саморазвитие — это большой шаг в будущее своего успеха.

Цифровая зеркалка для новичка 2.0 — у вас NIKON? Этот курс для вас.

Моя первая ЗЕРКАЛКА — у вас CANON? Этот курс для вас.

Надеюсь, у меня получилось рассказать о матрицах в фотоаппаратах, какая лучше и почему стоит выбирать больший сенсор. Если статья была интересна, а также полезна для вас – расскажите о ней друзьям, подпишитесь на обновления блога, впереди нас ждёт масса полезных фотостатей.

Всех вам благ, Тимур Мустаев.

fotorika.ru

Матрица фотоаппарата. Типы и характеристики.

Матрица фотоаппарата самая важная составляющая часть любой камеры. Именно она ответственна за создание изображения, после поступления на ее поверхность светового потока. Если описать матрицу научными словами, то это будет звучать следующим образом, микросхема состоящая из светочувствительных элементов, фотодиодов. Посмотрите следующий снимок, где показано месторасположение матрицы в блоке самого фотоаппарата («тушке»).

Матрица фотоаппарата самым прямым образом влияет на качество итогового изображения, что в сочетании с профессиональным фотообъективом приводит к точной и полной передаче всех деталей реальности.

 

1. Размер матрицы

2. Количество пикселей

3. Светочувствительность

Теперь подробнее о каждой из указанных характеристик.

Физический размер матрицы, т.е соотношение длины и ширины, измеряемой в миллиметрах, одна из самых важных характеристик матрицы. Чем больше размер, тем лучше будет качество фотографии. Почему? Большая по размеру матрицу, получает больше света, что в свою очередь связано с фактором ISO/светочувствительности. Даже при высоких значения ISO, количество шумов на фотоснимке, сделанном на профессиональную камеру с большой матрицей, будет минимальное. Чего нельзя сказать о фотоснимке сделанном, при участии маленькой матрицы.

Далее на картинке вы можете изучить самые распространенные размера матрицы в соотношение к диагонали.

Количество пикселей в матрице фотоаппарата влияет на размер изображения. Все профессиональные зеркальные фотокамеры снабжены матрицей с большим числом мегапикселей. Как результат, вы сможете распечатать большую фотографию, плакат или постер и все цвета и детали при этом, будут переданы в наилучшем качестве.

                    Типы матриц фотоаппарата.

По применяемой технологии матрицы бывают нескольких типов, но самые популярные из них:

— ПЗС (CCD — Charge Coupled Device). Данный тип матрицы выпускается практически всеми фирмами производителями фотокамер (Nikon, Canon, Sony и др.). Один из очевидных плюсов высокая чувствительность и маленький уровень шумов, что положительно влияет на качество фотографии, но высокое энергопотребление.

— КМПО (CMOS — Complementary Metal Oxide Semiconductor). Основные плюсы данного вида матрицы низкое энергопотребление и высокое быстродействие. В наши дни данный вид матрицы самый распространенный.

Далее, для примера я привела небольшую сравнительную характеристику фотокамер двух фирм лидеров производителей Nikon и Canon.

Профессиональные фотокамеры Nikon D5 (21,33 Мп), D810a (37,09 Мп) имеют КМОП-матрицу размером 35,9 x 24,0 мм. Компактные фотокамеры, например Nikon CoolPix L340, L2750 снабжены ПЗС матрицей.

Профессиональные фотокамеры Canon EOS – 1D X II Mark (21,5 Мп), EOS 5DS R (50,6 Мп) имеют CMOS матрицу. У Canon даже такие компактные камеры как PowerShot SX720 HS, SX 620HS также работают на  КМПО матрице.

На этом я заканчиваю свою статью под названием «Матрица Фотоаппарата», дальше будет еще больше полезных и интересных статей. Подписывайтесь на обновления моего блога, и вы будете первыми получать новые статьи.

blogphotografelena.ru