Что собой представляет матрица цифрового фотоаппарата

Принцип работы фотоматрицы

Светочувствительная матрица или фотосенсор представляет собой интегральную микросхему (проще говоря, кремниевую пластину), состоящую из мельчайших светочувствительных элементов – фотодиодов.

Существует два основных типа сенсоров: ПЗС (Прибор с Зарядовой Связью, он же CCD – Charge-Coupled Device) и КМОП (Комплементарный Металл-Оксид-Полупроводник, он же CMOS – Complementary Metal-Oxide-Semiconductor). Матрицы обоих типов преобразовывают энергию фотонов в электрический сигнал, который затем подлежит оцифровке, однако если в случае с ПЗС матрицей сигнал, сгенерированный фотодиодами, поступает в процессор камеры в аналоговой форме и лишь затем централизованно оцифровывается, то у КМОП матрицы каждый фотодиод снабжён индивидуальным аналого-цифровым преобразователем (АЦП), и данные поступают в процессор уже в дискретном виде. В целом, различия между КМОП и ПЗС матрицами хоть и принципиальны для инженера, но абсолютно несущественны для фотографа. Для производителей же фотооборудования имеет значение ещё и тот факт, что КМОП матрицы, будучи сложнее и дороже ПЗС матриц в разработке, оказываются при этом выгоднее последних при массовом производстве. Так что будущее, скорее всего, за технологией КМОП в силу чисто экономических причин.

Фотодиоды, из которых состоит любая матрица, обладают способностью преобразовывать энергию светового потока в электрический заряд. Чем больше фотонов улавливает фотодиод, тем больше электронов получается на выходе. Очевидно, что чем больше совокупная площадь всех фотодиодов, тем больше света они могут воспринять и тем выше светочувствительность матрицы.

К сожалению, фотодиоды не могут быть расположены вплотную друг к другу, поскольку тогда на матрице не осталось бы места для сопутствующей фотодиодам электроники (что особенно актуально для КМОП матриц). Восприимчивая к свету поверхность сенсора составляет в среднем 25-50 % от его общей площади. Для уменьшения потерь света каждый фотодиод накрыт микролинзой, превосходящей его по площади и фактически соприкасающейся с микролинзами соседних фотодиодов. Микролинзы собирают падающий на них свет и направляют его внутрь фотодиодов, повышая таким образом светочувствительность сенсора.

Основа любой фотографии – свет. Он проникает в камеру через объектив, линзы которого формируют изображение предмета на светочувствительной матрице. При нажатии на кнопку спуска затвор камеры открывается (как правило, на доли секунды) и происходит экспонирование кадра, т.е. освещение матрицы потоком света заданной интенсивности. В зависимости от желания получить светлый или тёмный снимок, может потребоваться различное количество света, т.е. различная экспозиция.

По завершении экспонирования электрический заряд, сгенерированный каждым фотодиодом, считывается, усиливается и с помощью аналого-цифрового преобразователя превращается в двоичный код заданной разрядности, который затем поступает в процессор фотоаппарата для последующей обработки. Каждому фотодиоду матрицы соответствует (хоть и не всегда) один пиксель будущего изображения.

Разрядность определяет количество оттенков, т.е. градаций яркости для каждого пикселя. Чем выше разрядность, тем более плавные тональные переходы способна запечатлеть камера. Большинство цифровых зеркальных камер способно сохранять 12 или 14 бит информации для каждого пикселя. 12 бит означает 212=4096 оттенков, а 14 бит – 214=16384 оттенка.

Методы получения цветного изображения

Сам по себе пиксель фотоматрицы является «чёрно-белым». Для того, чтобы матрица давала цветное изображение, применяются специальные технические приёмы.

Трёхматричные системы

Основная статья: 3CCD

Пример работы дихроической призмы

Поступающий в камеру свет, попадая на пару дихроидных призм, делится на три основных цвета: красный, зелёный и синий. Каждый из этих пучков направляется на отдельную матрицу (чаще всего используются CCD матрицы, поэтому в наименовании соответствующей аппаратуры употребляется обозначение 3CCD).

Трёхматричные системы применяются в видеокамерах среднего и высокого класса.

Достоинства трёх матриц по сравнению с одноматричными

• лучше передача цветовых переходов, полное отсутствие цветного муара;
• выше разрешение: отсутствует необходимый для устранения муара размывающий (low-pass) фильтр;
• выше светочувствительность и меньший уровень шумов;
• возможность введения цветокоррекции постановкой дополнительных фильтров перед отдельными матрицами, а не перед съёмочным объективом, позволяет добиться существенно лучшей цветопередачи при нестандартных источниках света.

Недостатки трёх матриц по сравнению с одноматричными

• принципиально бо́льшие габаритные размеры;
• трёхматричная система не может использоваться с объективами с малым рабочим отрезком;
• в трёхматричной схеме есть проблема сведе́ния цветов, так как такие системы требуют точной юстировки, причём, чем большего размера матрицы применяются и чем больше их физическое разрешение, тем сложнее добиться необходимого класса точности.

Матрицы с мозаичными фильтрами

Основная статья: Массив цветных фильтров

Во всех таких матрицах пиксели расположены в одной плоскости, и каждый пиксель накрыт светофильтром некоего цвета. Недостающая цветовая информация восстанавливается путём интерполяции (подробнее…

).

Существует несколько способов расположения светофильтров. Эти способы различаются чувствительностью и цветопередачей, при этом чем выше светочувствительность, тем хуже цветопередача:

• RGGB — фильтр Байера, исторически самый ранний;
• RGBW имеют более высокую чувствительность и фотографическую широту (типично выигрыш чувствительности в 1,5—2 раза и 1 ступень по фотографической широте), частный случай RGBW-матрицы — CFAK-матрица компании Kodak;
• RGEB (красный — зелёный — изумрудный — синий);
• CGMY (голубой — зелёный — лиловый — жёлтый).

Матрицы с полноцветными пикселами

Существуют две технологии, позволяющие получать с каждого пикселя все три цветовые координаты. Первая применяется в серийно выпускаемых камерах фирмы Sigma, вторая — на середину 2008 года существует только в виде прототипа.

Многослойные матрицы (Foveon X3)

Основная статья: Foveon X3

Фотодетекторы матрицы X3 компании Foveon расположены в три слоя — синий, зелёный, красный. Название сенсора «Х3» означает его «трёхслойность» и «трёхмерность».

Матрицы X3 применяются в цифровых фотоаппаратах Sigma.

Полноцветная RGB-матрица Nikon

В полноцветных матрицах Nikon (патент Nikon от 9 августа 2007) лучи RGB предметных точек в каждом пикселе, содержащем одну микролинзу и три фотодиода, проходят через открытую микролинзу и падают на первое дихроичное зеркало. При этом синяя составляющая пропускается первым дихроичным зеркалом на детектор синего, а зелёная и красная составляющие отражаются на второе зеркало. Второе дихроичное зеркало отражает зелёную составляющую на детектор зелёного, и пропускает красную и инфракрасную составляющие. Третье дихроичное зеркало отражает красную составляющую на детектор и поглощает инфракрасную составляющую.

Несмотря на то, что прототип матрицы уже создан (2008 год), этот патент вряд ли найдёт своё применение в ближайшее время из-за существенных сложностей в технологии.

По сравнению со всеми прочими системами, кроме трёхматричных, данная технология имеет потенциальное преимущество в эффективности использования светового потока по сравнению с технологиями RGBW или фильтром Байера. (Точный выигрыш зависит от характеристик пропускания фильтров).

По сравнению с Foveon X3, данная технология выигрывает в качестве цветопередачи.

По сравнению с 3CCD системами, данный тип матрицы выигрывает в возможности использования в зеркальных аппаратах и в отсутствии необходимости точной юстировки оптической системы.

Типы матриц в фотоаппаратах

Фотоматрицы можно разделить по размеру и типу. Один из самых популярных типов – CMOS. Этот тип матриц фотокамеры состоит из детекторов RGB, которые после экспонирования и обработки процессором устройства создают изображение.

Их неоспоримое преимущество – отличная цветопередача и возможность работать с повышенной чувствительностью. Сигнал считывается линейно, что отличает CMOS-матрицы от CCD, где считывание осуществляется в один момент со всего сенсора. Этот тип матрицы в фотоаппаратах очень популярен, хотя одним из недостатков может быть «эффект рольставни». Это означает, что при записи объекты, которые движутся перпендикулярно оси наклона объектива, наклоняются. Это происходит потому, что верхние пиксели считываются раньше, чем нижние.

Одним из популярных типов CMOS-сенсоров является фотодатчик BSI CMOS. Его преимущество – повышенная чувствительность за счет несколько иного расположения светочувствительных элементов. Слой кремния расположен под линзами, что позволяет регистрировать больше света. Мы часто встречаем этот тип матриц в цифровых камерах мобильных телефонов.

Другим предложением могут быть датчики CCD. Это часто применяемая матрица для цифровых фотоаппаратов – цена этих устройств намного ниже по сравнению с популярными SLR. Преимуществом этого типа решения может быть очень хорошая цветопередача при низкой чувствительности и отсутствие эффекта рольставни. Однако, эти матрицы работают немного медленнее. Следует подчеркнуть, что сегодня подобные решения становятся всё менее популярными.

Чтобы провести честное сравнение матриц камер, следует учитывать датчики типа Foveon, которые мы встречаем в камерах Sigma. Матрицы состоят из трёх слоев, что означает, что они отдельно регистрируют три основных цвета. Хотя эти типы датчиков сегодня не очень популярны, следует отметить, что камеры обладают высокой резкостью, хотя могут появляться помехи и проблемы с правильной цветопередачей.

Сравнение размеров матриц фотокамер

Мы упоминали, насколько важен размер сенсора в цифровых камерах и зеркальных фотокамерах. Мы можем выбрать несколько видов.

Вот самые популярные:

• 1/2.3” – очень распространенный размер матриц фотокамер. Размер одного пикселя не слишком велик, что сказывается на качестве фото. Стоит упомянуть, что такие датчики также можно найти в камерах с ультразумом, потому что их конструкция в сочетании с относительно небольшим корпусом может обеспечить очень большое приближение.
• 1/1.7” – этот сенсор отлично подходит в качестве матрицы качественной цифровой камеры. Чем больше размер, тем выше качество изображения. Такие фотокамеры позволяют сохранять фотографии в формате RAW. Это отличное предложение для людей, которые ищут профессиональные решения по хорошей цене.
• 1” – такой сенсор можно использовать как матрицу для цифровой камеры и зеркальной камеры. Это одна из самых популярных матриц, которая даёт возможность делать фотографии высокого качества.
• 4/3” – такой размер матрицы в камере позволит делать снимки очень хорошего качества – до ISO 6400, что является отличным результатом при сохранении небольшого размера корпуса. Если конструкция вашего фотоаппарата дополнена такой матрицей – фотографировать будет сплошное удовольствие.
• APS-C/Dx – один из самых популярных размеров сенсоров в фотоаппаратах. Датчики используются в различных типах устройств. Используемый коэффициент преобразования составляет 1,5x или 1,6x для полнокадровых фокусных расстояний. Их размер достаточно велик, а цена довольно привлекательна, что делает их популярным выбором.
• Полнокадровый – размеры матриц камеры соответствуют кадру 35-миллиметровой пленки, а значит, преобразователь фокусных расстояний не используется. Это отличное предложение для людей, которые часто фотографируют при неблагоприятных условиях освещения.

Несомненно, что при выборе фотоаппаратов основным компонентом для анализа являются фотоматрицы. Правильно подобранный сенсор обеспечит ожидаемое качество фотографий и позволит запечатлеть много прекрасных моментов. Выберите одну из проверенных моделей и оцените комфорт использования.

Динамический диапазон матрицы

Он устанавливает максимальный диапазон яркости фотографии. Каждый из пикселей, составляющих матрицу, имеет свой уровень яркости. Функцией динамического диапазона является идентификация широты яркого участка снимка, который способен охватить фотоаппарат без ущерба качеству наиболее темных и наиболее ярких частей кадра. 

Динамический диапазон является статичной характеристикой матрицы. Его невозможно изменить. Правда, есть возможность сделать его более узким, если повысить чувствительность ISO, но это далеко не всегда сможет решить проблему. Строго говоря, это даже нежелательно. 

Когда фотоаппарат не справляется с трудными условиями съемки, например, если снимать нужно против солнца, мы получаем на фотографии слишком сильные контрасты, которые действительно режут глаз. При взгляде на такие фотографии даже непрофессионал вынесет кадру строжайший вердикт и, конечно, будет совершенно прав. 

При таких результатах съемки говорят, что динамический диапазон матрицы не справляется с условиями, в которых ведется съемка. Обычно для исправления этих недостатков нужно менять компоновку кадра, прибегать к разного рода профессиональным хитростям, которые сгладят досадные несовершенства, словом, делать все то, что с динамическим диапазоном фотоаппарата совершенно не связано, поскольку, как мы уже упомянули выше, менять его показатели невозможно, поскольку они статичны. 

Характеристики матрицы

Необходимо понимать, что матрицы бывают совершенно разными по качественным показателям. В этом вопросе важным сигналом будет цена: в том или ином ценовом сегменте матрицы имеют определенный уровень качества. Будьте готовы к тому, что бюджетные варианты фотоаппарата вряд ли будут обладать высококачественной матрицей. Поскольку матрицу можно смело назвать сердцем камеры, не стоит экономить при выборе. Вы ведь хотите, чтобы ваши снимки были на высоте? Тогда остановите свой выбор на фотоаппарате, оснащенном качественной матрицей. 

По каким параметрам следует выбирать матрицу?

1. Размер
2. Разрешение
3. Соотношение сигнал-шум
4. Уровень светочувствительности
5. Динамический диапазон

Итак, рассмотрим первый параметр из нашего списка, а именно – размер матрицы. Его определяет величина пикселей, а также плотность их расположения относительно друг друга. Меньшая плотность расположения пикселей дает меньший уровень нагрева матрицы и более сильное соотношение сигнала и шума, которое создает более четкую фотографию. 

Учтите, что именно размер матрицы является ее главной характеристикой

При выборе на него нужно обратить особое внимание. . Что же обеспечивает размер матрицы и почему он является таким важным параметром?

Что же обеспечивает размер матрицы и почему он является таким важным параметром?

Итак, размер матрицы диктует:

1. Уровень шума фотографии
2. Глубину и насыщенность ее цвета
3. Динамический диапазон
4. Размер фотокамеры

Больший размер матрицы обеспечивает:

1. Низкие показатели шума на фотографии. Матрица, имеющая большую поверхность, принимает больше света. Это будет сопряжено с меньшим нагревом, меньшей погрешностью в процессе квантования, соответственно, меньшим уровнем воздействия нежелательных шумов. Чем больше физический размер матрицы, тем меньше посторонних шумов будет на снимке, даже если съемка осуществляется при низком уровне освещения. Если говорить проще, фотография не будет пестрить лишними точками, точно не способствующими эстетике снимка. 
2. Широкий динамический диапазон
3. Насыщенные, глубокие цвета снимка

Глубина цвета является показателем, который определяет возможность камеры идентифицировать любые метаморфозы цвета, даже самые незначительные. Это особенно ценно для фотографий однотонных пейзажей, не имеющих резких цветовых переходов. Большая матрица способна уловить даже самый незначительный цветовой переход, в то время как маленькая не имеет такой возможности. 

Единственный недостаток, с которым придется смириться при выборе большой матрицы, это размер самой камеры. Чем больше матрица, тем больше размер камеры. Строго говоря, это вряд ли можно считать серьезным недостатком, учитывая широкий спектр преимуществ, которые дает матрица большого размера. 

Общее представление о матрице фотоаппарата

Если вы посмотрите в объектив камеры, вы легко найдете матрицу: видите блестящий прямоугольник в самом центре объектива? Да, это она и есть.

Матрица является важнейшим элементом фотокамеры, отвечающим за то, какое изображение мы получим в результате съемки. 

По сути она представляет собой микросхему, которая состоит из светочувствительных элементов. Когда на нее падает свет, начинается формирование электрического сигнала определенного уровня интенсивности, который зависит от степени яркости света. При съемке она фиксирует свет, который впоследствии преобразуется в фотографию. 

Кстати, количество мегапикселей, которое имеет фотокамера, также зависит именно от матрицы и может колебаться от 0.3 до 10 и более (чем дороже и качественнее фотоаппарат, тем больше мегапикселей он имеет).

Изначально матрица создает монохромное (ч.б) изображение. В цветное оно преобразуется благодаря светофильтрам, которыми покрываются ее составные части.

Объектив фотокамеры

Зеркальный фотоаппарат глобально состоит из двух частей: устройство фотоаппарата и объектива. Разберем устройство объектива.

Объектив – это глаз фотоаппарата, набор линз, пропускающих свет и формирующих картинку. Внутри него расположена диафрагма (несколько «лепестков», последовательно накладывающихся друг на друга). Благодаря этому образуется отверстие круглой формы.

Виды объективов

Существует несколько видов объективов, каждый из которых хорош для разных целей:

Китовый объектив. По-другому его называют штатным, комплектным, обычным. Это универсальный объектив, часто именно такой идет в комплекте при покупке фотоаппарата. Он настроен под углом обзора человеческого глаза.Китовый объектив применяется при съемке портретов, пейзажей и при бытовой съемке.Он имеет свои особенности: универсальность (приспособлен для съемки в любых жанрах), недостаток освещения губительно сказывается на качестве снимков, имеет небольшую цену. Благодаря стандартному объективу пользователь может определить, в каком жанре хотел бы снимать и при покупке следующей оптики сделать правильный выбор.

Широкоугольный объектив. Также его называют короткофокусным или ласково «шириком». Особенностью такого объектива является большая видимость (начиная от 60 градусов). Он подойдет для съемки пейзажей, интерьеров и массовых мероприятий (свадеб, к примеру).Широкоугольный объектив дает много возможностей: фотографирование в неформальных условиях, качественная съемка группы людей. Такой объектив придает размытость фону. Для съемки на данный объектив не требуется много дополнительных знаний, однако широкоугольный объектив имеет высокую цену.

Рыбий глаз. Его называют fishye или «фишай». Особенностью данного объектива является угол обзора в 180 градусов и неисправимая дисторсия (искажение ровной линии в дугу). Рыбий глаз применяется при съемке уличных спортсменов (скейтбордисты), при творческой архитектурной съемке. Существуют два подвида рыбьего глаза: круговой (фото в форме круга) и диагональный (сверхширокоугольное фото).Такой объектив дает возможность для создания интересных фотографий.

Макрообъектив. По-другому – «макрушник». Он предназначен для фотографирования маленьких объектов большим планом с незначительного расстояния.Его особенностью является фокус – его можно взять даже с дистанции в пару сантиметров. Сами снимки выходят яркими и четкими. Конечно, применяется для съемки самых мелких частей живой и неживой природы.

Длиннофокусный объектив. Его называют телеобъективом или «телевиком». Угол обзора начинается от 40 градусов. Применяется для съемки мероприятий по спорту или зверей в неограниченной человеком природе.Имеет большие размеры и вес, позволяет снимать объекты на огромном расстоянии.

Портретный объектив. Также его называют «портретником», «фиксом» или «полтинником». Благодаря мягкому фокусу на фото незаметны некоторые дефекты кожи.Существуют подвиды портретных объективов. Они рассчитаны на разное расстояние съемки. 50 mm – полный рост или по колено; 85 mm – по пояс или по грудь; 135 mm – крупный план.

Рынок предоставляет множество оптик для разных целей. Нужно быть внимательным при выборе подходящего устройства объектива для себя.

Как проверить фотоаппарат, который уже был в употреблении

Сегодня поговорим о том как проверить фотоаппарат, который продают не в магазине, а с рук. Почему люди покупают фототехнику, которая уже сменила не одного хозяина?

Причина очень простая, на самом деле. После вскрытия коробки, фотокамера автоматически теряет в цене.

Хотя, по факту, она по прежнему остается новой. Но не для второго покупателя. В свою очередь, этот факт дает возможность другим купить хорошую технику дешевле, чем в магазине.

Именно поэтому вторичный рынок фототехники столь популярен. Но хотим вас предупредить.

Если вы не знаете как проверить фотоаппарат, то лучше воздержаться от такой покупки

Либо читать дальше и узнать основные нюансы, на которые стоит обратить внимание

Зачем люди продают свои фотокамеры? Мотивов для этого может быть много. Давайте рассмотрим основные из причин.

Причины по которым продают фотоаппараты:

• Фотоаппарат морально устарел. Есть категория любителей быть в тренде. Эти фотографы регулярно, после выхода новых моделей, продают устаревшую технику.
• Фотокамеру просто подарили. Человек попробовал и понял что фотография это не его.
• Фотоаппарат долго пролежал без дела. Здесь есть варианты: фотограф перешел на беззеркалки или завязал с фотографией.
• Фотограф решил сменить систему. Например перейти с Nikon на Canon или вовсе на Sony.
• Что-то начало барахлить или подглючивать. Фотоаппарат также могли неудачно уронить или сильно намочить. Многие после такого стараются побыстрее продать камеру незнакомым людям, чтобы избежать проблем в скором будущем.
• Фотоаппарат украден. Здесь можно дальше не продолжать.

Приобретать фотокамеру с рук можно в первых четырех случаях. Но хотим вас предупредить, владелец никогда не скажет настоящую причину продажи. Поэтому необходимо быть очень внимательным.

Как проверить пробег фотоаппарата

Как проверить пробег фотоаппарата? Ресурс фотокамеры принято измерять пробегом затвора. Точнее количеством его срабатываний или, другими словами, количеством сделанных фотоснимков.

Поскольку затвор — это первое что чаще всего ломается, на него больше всего обращают внимание. У разных моделей разный ресурс

У профессиональных он может измеряться 100-200 тысяч, а у любительских 30-50 тысяч.

Но на практике все не так предсказуемо. Бывало что камеры выдерживали и 600 тысяч срабатываний затвора и миллион. А бывало что ломались не пройдя и десяти тысяч.

Это своего рода лотерея. Если, со слов продавца, выходит что половина условно гарантированного пробега уже пройдена, лучше не покупать такой фотоаппарат.

Затвор цифровой зеркальной фотокамеры

Проверить это самостоятельно тоже можно. Попросите скинуть вам необработанный кадр. Каждая фотография имеет EXIF данные. Там видно количество отснятых кадров.

Делается это во многих приложениях для просмотра фотографий. Например FastStone Image Viewer или IrfanView.

Если для вас это сложно, существует сервис camerashuttercount.com на который достаточно загрузить фото, и он покажет количество отснятых фото, а также модель камеры.

Для беззеркальных фотокамер пробег затвора не так важен. Он там электронный. Но количество сделанных кадров говорит об интенсивности использования фотоаппарата.

Примечания

1. Сигнал-шум, цифровые аппараты и астрофотография оригинал на английском
2. О разрешающей способности
3. Одиноких Г. А., Молодёжный научно-технический вестник # 12, декабрь 2013, УДК: 621.397.7
4. IP камеры, мегапиксельные камеры для видеонаблюдения через интернет. Сетевые камеры для видеонаблюдения дома — ip камеры
5. о формате 16:9 в аппаратах canon
6. CCD vs CMOS: facts and fictions (англ.)
7. описание WDR камеры Pelco CCC5000 Pixim
8. Описание камеры Fujifilm S5 Pro (англ.)
9. Для камер разработан сенсор на квантовых точках. www.membrana.ru. Проверено 10 января 2021.
10. ↑ 12 U.S. Patent 7 138 663
11. о матрице Nikon

Работа цифрового фотоаппарата

До нажатия клавиши затвора в зеркальных фотоаппаратах между объективом и матрицей расположено зеркало, отражаясь от которого, свет попадает в видоискатель. В незеркальных фотоаппаратах и зеркальных фотоаппаратах в режиме Live View свет из объектива падает на матрицу, при этом на ЖК экран выводится изображение, сформированное на матрице. В некоторых фотоаппаратах при этом может происходить автоматическая фокусировка.

При неполном нажатии клавиши затвора (если такой режим предусмотрен) происходит выбор всех автоматически выбираемых параметров съёмки (фокусировка, определение экспопары, чувствительности фотоматериала (ISO) и т. д.).

При полном нажатии происходит съёмка кадра, и считывание информации с матрицы во встроенную память фотоаппарата (буфер). Далее производится обработка полученных данных процессором с учётом установленных параметров коррекции экспозиции, ISO, баланса белого и др., после чего данные сжимаются в формат JPEG и сохраняются на флэш-карту. При съёмке в формат Raw данные сохраняются на флэш-карту без обработки процессором (возможна коррекция битых пикселей и сжатие алгоритмом без потерь). Так как запись на флэш-карту изображения занимает достаточно большое количество времени, многие фотоаппараты позволяют снимать следующий кадр до окончания записи предыдущего на флэш-карту, если в буфере есть свободное место.

Проблемы фотоматриц

Рис. 1. Модель фотоматрицы.
Рис. 1. Модель фотоматрицы с фильтром Байера.

Фотоматрица является устройством, воспринимающим спроецированное на неё изображение. Поскольку полупроводниковые фотоприёмники примерно одинаково чувствительны
ко всем цветам видимого спектра, для восприятия цветного изображения каждый фотоприёмник накрывается светофильтром одного из первичных цветов: красного, зелёного или
синего (цветовая модель RGB). В результате каждая фото ячейка воспринимает только световой поток, пропускаемый своим фильтром, а это 1/3 информации, остальные
же 2/3 фотонов попросту теряются и становятся невидимы для фото матрицы. В условиях борьбы за каждый фотон, потеря 2/3 светового потока непозволительное расточительство.

На помощь пришла наука. В 1976 г. сотрудник Kodak Брайс Э. Байер получил патент США на своё
изобретение «чувствительная матрица для цветного изображения». Поэтому фильтр Байера часто называют матрицей Байера. Байер был пионером,
он начал заниматься этими исследованиями, когда о цифровых фото матрицах ещё никто не помышлял.

Рис. 2. Фильтр Байера.
Рис. 2. Фильтр или матрица Байера.

В матрице Байера половина фотофильтров зелёные, а другая половина поделена поровну между красными и синими. Преимущества отданы зелёному, по аналогии с
человеческим глазом. Это позволяет лучше фиксировать контраст и улучшает ночное зрение фотоматрицы. Но такой подход лишает снимок части цветности. Каждый
элементарный фотодиод фиксирует информацию о яркости только своего пикселя в частичном цветоделённом изображении. Недостающие компоненты цвета рассчитываются процессором
камеры на основании данных из соседних ячеек в результате интерпретации этих данных при помощи алгоритма под названием дебайеризация или
демозаизации. При этом происходит разделение пикселей, регистрирующих красный, зелёный и синий цвета, а затем информация преобразуется в цветной файл.

Рис. 3. Цветные артефакты.
Рис. 3. Цветные артефакты. Правый рис. – норм.

Простая билинейная интерполяция для этого не подходит, так как яркие объекты при этом приобретают цветную кайму (см. Рис. 3.). Таким образом,
в формировании конечного цветового значения пикселя участвует 9 или более фотодиодов матрицы. Производители цифровых фотоаппаратов и RAW-конвертеров используют
собственные адаптивные алгоритмы, защищённые авторским правом. Впрочем, алгоритмы и настройки большинства RAW-конвертеров базируются на исходниках
dcraw — конвертера с открытым кодом, о чём многие авторы программ-конвертеров (например, SilkyPix) честно упоминают в документации на программу.

Кроме фильтра Байера в матрицах фотоаппаратов могут применяться и другие решения (см. таблицу).

Таблица 1. Схемы цветных фильтров

Схема	Название	Описание	Размер элемента
	Фильтр Байера	Наиболее распространенный RGB-фильтр. 1 синий, 1 красный, 2 зелёных	2×2 px
	RGBE	Один из зелёных фильтров заменён на изумрудный (англ. emerald). Применялся фирмой Sony в 8-мегапиксельной матрице ICX456 и в фотоаппарате Sony CyberShot DSC-F828.	2×2 px
	CYYM	Голубой, 2 жёлтых, пурпурный. Kodak.	2×2 px
	CYGM	Голубой, жёлтый, зелёный, пурпурный. Применяется в некоторых камерах Kodak.	2×2 px
	RGBW Байера	один из зелёных фильтров заменён на белый, в остальном аналогичен стандартному фильтру Байера. Незначительно выигрывает в светочувствительности и на примерно 1 ступень выигрывает в фотографической широте.	2×2 px
	RGBW #1	три примера RGBW-фильтров Kodak, с 50 % белого. По сравнению с остальными выигрывают в светочувствительности и фотографической широте и проигрывает в цветопередаче. Между собой отличаются необходимыми алгоритмами обработки и характером структурного шума (англ. pattern noise), создаваемого большим (по сравнению с традиционным фильтром Байера) пространственным периодом структуры фильтра. Нашел применение там, где требуется высокая светочувствительность, а цветовая информация вторична: системы технического телевидения, видеонаблюдение, автомобильные видеорегистраторы.	4×4 px
	RGBW #2
	RGBW #3	2×4 px
	X-Trans	Благодаря большей области повторения структуры X-Trans (6×6) уменьшается муар, что позволило убрать антимуарный фильтр в фотоаппарате Fujifilm X-Pro 1 и повысило детализацию снимков.	6×6 px

Впрочем, это математика, а какие технологические приёмы используют производители для создания фотоматриц?

Физический размер матрицы

На качество снимком влияет не только тип матрицы, но и ее размер. Обозначается он в дюймах.

Размер матрицы фотоаппарата напрямую зависит от количества и размера пикселей. Размер пикселей зависит от того, какой светочувствительностью он наделен. И чем больше пиксели по размеру, тем больше световых лучей они могут собрать. Соответственно, чем больше матрица, тем меньше шума на снимках и больше светочувствительность.
Полная матрица равна кадру снимка пленочным фотоаппаратом в 35 мм (2,4Х3,6 см) или crop 1. После появления , принцип работы не изменился, только пленку сменила матрица. Но, полномерный фотодатчик имеет большие размеры, вес и производители пошли на уменьшение его размера.

Если размер матрицы фотоаппарата меньше стандартного, то она называется кроп-фактор, в обиходе «камера с кропнутой матрицей». Значение отображает во сколько раз фотодатчик меньше кадра пленки.

Самые распространенные модели фотоаппаратов имеют кроп-фактор размером 1,3; 1,5; 1.6 и 2, то есть меньше пленочного кадра в 1,3 раза и так далее. Хотя на рынке представлены модели с полноразмерной матрицей и называются они полнокадровыми цифрозеркальными аппаратами.

Размеры матриц фотоаппаратов компактного типа меньше полноценного фотодатчика в 25 раз.

Таблица самых распространенных размеров:

Физический размер матрицы видеокамеры, фотоаппарата влияет на общий вес камеры и габаритные размеры.

Заключение

Что такое сенсорное устройство, отвечающее за преобразование полученного светового сигнала в цифровой.

Она представляет собой большое количество светочувствительных элементов, которые называют «пиксели». Каждый из них формирует одну точку на кадре.
Существует два основных вида матриц: ПЗС и КМОП. Отличаются они последовательностью считывания информации. По второй классификации, матрицы разливают по светофильтрам на: RGB, RGBW и RGBE. При работе с мало освещенными предметами, преимущество имеют матрицы с фильтром RGBW.

Следующий критерий, который влияет на итоговое изображение – физический размер фотосенсора. Во-первых, размер влияет на цифровой шум, чем меньше размер матрицы, тем шум больше. Во-вторых, полномерные матрицы весят больше, чем те, что устанавливаются в компактной технике. Фотоаппарат с матрицей 1/1,8 будет весить намного меньше, чем с фотосенсором размером 4/3.

Несомненно, количество пикселей влияет на качество картинки, но при малых размерах матрицы, на снимках будет появляться шум, и они будут обрезаться по широте.

Значение ISO определяет светочувствительность фотоаппарата. Самые высокие показатели рекомендованы для ночной съемки.