В предыдущей статье я ввёл третий вид фотографических затворов, применяемых в цифровой фотографии – электронный затвор. Рассмотрел его природу, представил определение и описал принцип действия.
Ядро настоящей и трёх следующих статей образуют способы реализации электронного затвора в тех светочувствительных сенсорах, которые являются приборами с зарядовой связью (далее, ПЗС). Я опишу всего четыре конструкции ПЗС. По сути, покажу как возможности, которые предоставляет пользователю электронный затвор, реализованный в данном типе сенсоров, так и ограничения, которые могут «поджидать» фотографа в определённых ситуациях, например, в съёмке с некоторыми видами искусственных источников света.
В последующих статьях всё то же самое я продемонстрирую относительно КМОП-сенсоров. За прошедшие пару лет технологии производства последних существенно развились, и указанный тип светочувствительных сенсоров обусловил новые возможности электронного затвора.
Особенности электронного затвора я постараюсь рассматривать, где это будет уместно, в сравнении с его «старшими братьями»: шторно-щелевым и лепестковым затворами. Поэтому у Вас появится возможность узнать новую, ранее озвученную мной «тихо», информацию о свойствах последних, например, о производительности, о ресурсе, о вибрациях и шуме во время функционирования, а также о временном параллаксе: об искажении итогового изображения вследствие неоднородности экспозиции во времени.
Вначале, в качестве подготовки, я уточню и дополню характеристики светочувствительных сенсоров, отчасти введённые в «Основы фотографии # 4.4»: динамический диапазон, чувствительность, соотношение «сигнал-шум», уровень шума, разрешающая способность, разрешение (количество эффективных сенселей), энергопотребление и выделение тепла.
С одной стороны, динамический диапазон светочувствительного сенсора (на англ. dynamic range, аббр. DR) – это разница освещённостей «самого» светлого участка снимаемой сцены и «самого» тёмного её участка, которую может запечатлеть, «почувствовать», сенсор. Динамический диапазон в практических целях, в частности, при выборе фотоаппарата для съёмки высококонтрастных сюжетов (например, комнаты в контровом свете из окна), удобно измерять в EV («стопах»)1. Однако, динамический диапазон могут указывать в децибелах (дБ; dB).
С другой стороны, динамический диапазон сенсора – это максимальное количество электронов, которые может накопить произвольный сенсель, иными словами, «вместимость» сенселя (на англ. full-well capacity), по отношению к ошибке «подсчёта» накопленных электронов (на англ. read noise)2.
Например, каждый сенсель светочувствительного сенсора KAF-400003, разработанного инженерами компании Kodak, в соответствии со спецификацией (может «вместить» в среднем до 42 000 электронов. А погрешность «счётчика» равна 13 электронам. Тогда динамический диапазон сенсора будет равен примерно 11,65 EV (42000/13 ~ 211,65). Другими словами, если обозначить светлоту самого тёмного участка снимаемой сцены равной единице, то указанный сенсор сможет «отличить» участок снимаемой сцены, который будет примерно в 3231 (~ 42000/13) раз светлее выбранного тёмного участка.
Таким образом, чем больше электронов может «уместить» в себе сенсель и чем аккуратнее ведётся их «подсчёт», тем шире динамический диапазон. В свою очередь, расширение последнего – положительная тенденция в том случае, когда требуется получить изображение естественное: соответствующее визуальному восприятию4 человеком окружающего мира.
Далее, в статьях, посвящённых электронному затвору и его особенностям, я буду отмечать условия, которые влияют на «вместительность» сенселя и аккуратность «счётчика» электронов и, как следствие, на динамический диапазон.
Как я отмечал во втором разделе четвёртой части «основ», в качестве чувствительности к свету можно рассматривать способность сенсора особенным способом «подсчитывать» количество накопленных электронов.
Например, «счётчик» может «оценить» 10 электронов в 10 микровольт, а может – в 20 микровольт, в 40 микровольт и так далее, другими словами, может усилить «действие» 10 накопленных электронов.
Названную способность принято измерять, в частности, в значениях ISO. Она получила название чувствительности ISO (на англ. ISO speed или sensitivity ISO). Последняя является переменной величиной: изменяется в пределах заданного диапазона, например, от 100 ISO до 52100 ISO. В цифровой фотографии считается, что чем длиннее диапазон чувствительностей ISO, тем выше чувствительность сенсора к свету, и тем ниже может быть интенсивность освещения снимаемой сцены для создания снимка приемлемой «светлоты». Тем не менее, выбирая значение чувствительности ISO, пользователь влияет на «подсчёт» электронов, изменяя коэффициент усиления, но едва ли меняет чувствительность сенсора к свету.
Посмотрите спецификации большинства современных среднеформатных фотосистем, например, производства Hasselblad, Phase One или Ricoh Imaging (Pentax). Может сложиться впечатление, что чувствительность сенсоров, которые применяются в таких системах значительно ниже (средний максимум на начало 2015 года находится в районе 6400 ISO), чем чувствительность большинства сенсоров, применяемых в фотоаппаратах малого формата (максимум может лежать за пределами 200 000 ISO). С учётом разницы в стоимости среднеформатной и малоформатной фототехники возникает закономерный вопрос: «Почему аппараты, в которых установлены значительно менее чувствительные сенсоры, часто превышают по стоимости камеры с более чувствительными сенсорами?5»
Следует отличать две способности светочувствительного сенсора: «считать» накопленные электроны особым способом и эффективно «улавливать»-«превращать» фотоны в электроны. Строго, последняя способность характеризует чувствительность сенсора к свету (на англ. sensitivity).
Она является постоянной величиной – пользователь едва ли может выбирать чувствительность. Её задают инженеры на этапе проектирования и реализации конкретной модели светочувствительного сенсора.
Чувствительность может измеряться в различных единицах, которые отражают изменение количества накопленных электронов к изменению интенсивности потока световых лучей в течение заданного временного промежутка. Например, если ко входу в произвольный сенсель за 1 секунду «подлетело» 10 фотонов, но в итоге сенсель накопил 2 электрона, то чувствительность сенсора в среднем равна 0,2 (= 2/10) электронов на фотон в секунду.
Чем выше чувствительность, тем меньше нужно фотонов, чтобы получить изображение оптимальной «светлоты». Другими словами, интенсивность освещения снимаемой сцены может быть тем меньше, чем выше чувствительность сенсора к свету.
Чувствительность зависит от конструкции сенсора и целого ряда других его параметров, в частности, от размера сенселя, точнее, площади «отверстия», которым сенсель «улавливает» фотоны (на англ. sensel aperture), от способности материала, из которого изготовлен сенсор, рассеивать фотоны, от взаимного расположения компонентов внутри сенселя, от способности сенселя «улавливать» фотоны, распространяющиеся под углом к поверхности сенсора, и так далее.
Если чувствительность высока, то в условиях съёмки с малой интенсивностью освещения сенсор «почувствует» слабо освещённые детали снимаемой сцены. Однако, в такой ситуации необходимо, чтобы уровень шума был как можно ниже. «Почувствованные» детали будут искажены тем сильнее, чем выше уровень шума. Поэтому, смежной к чувствительности и, часто, более практически полезной характеристикой является соотношение «сигнал-шум» (на англ. signal-to-noise ratio, аббр. SNR), которое учитывает как количество «подлетевших» фотонов по отношению к количеству накопленных электронов, так и уровень шума.
Обычно, соотношение «сигнал-шум» измеряется, как и динамический диапазон, в децибелах.
Чем оно больше, тем более технически качественное изображение способен создать светочувствительный сенсор, в том числе, при малой интенсивности освещения снимаемой сцены6. В частности, из-за разного соотношения «сигнал-шум» в одинаковых условиях съёмки (в том числе, с одинаковыми значениями чувствительности ISO равными, например, 100 ISO) с помощью двух различных моделей фотоаппаратов можно создать отличающиеся по техническому качеству изображения: одно получится менее искажённым, другое более искажённым.
Соотношение «сигнал-шум» в отличие от чувствительности является переменной величиной, зависит от количества фотонов, «подлетевших» к поверхности сенсора, по сути, от интенсивности освещения снимаемой сцены. Потому что уровень многих шумов (ниже я обозначу существование различных видов шумов) остаётся примерно постоянным или медленно увеличивается по мере того, как растёт интенсивность облучения светочувствительного сенсора, другими словами, по мере того, как растёт освещённость снимаемой сцены. Однако, максимальное соотношение «сигнал-шум» – величина постоянная, прямо зависящая от средней «вместимости» сенселей7.
Таким образом, текущее значение чувствительности ISO, выбранное фотографом, может быть маленьким, и диапазон чувствительностей ISO может быть узким, а чувствительность сенсора может быть высокой. Если дополнительно уровень шума низок, то изображение слабоосвещённых деталей снимаемой сцены получится высококачественным. Начиная с настоящей статьи, я буду разделять понятия «чувствительность к свету», «соотношение “сигнал-шум”» и «чувствительность ISO». В повседневной практике удобнее, по-прежнему, оперировать последней характеристикой, при выборе фотоаппарата – первой или второй.
Здесь и далее, если не обозначу иного, под шумом (на англ. noise) я буду подразумевать общий шум светочувствительного сенсора – ошибки в функционировании последнего.
Они могут возникать на различных этапах создания цифрового изображения и могут накапливаться. Таким образом, общий шум состоит из шумов различных видов8, в том числе, шума усиления, о котором я упоминал во втором разделе четвёртой части «основ».
Шумы являются одной из причин разнообразных искажений фотографии.
В русскоязычной литературе к существительному «шум» иногда добавляют прилагательное «цифровой». Тем не менее, шумы, возникающие во время функционирования светочувствительного сенсора, имеют различную природу, другими словами, едва ли связаны лишь с оцифровыванием электрического напряжения.
Приведу поясняющий пример к представленным выше характеристикам сенсора: чувствительности, соотношению «сигнал-шум» и видам шумов.
Пусть произвольный сенсель в течение 1 секунды «уловил» 10 фотонов, которые «освободили» 9 электронов (чувствительность сенсора равна 0,9 электронов на фотон в секунду). Однако, из соседнего сенселя в рассматриваемый сенсель «случайно» попали 3 электрона. Мало того, от прошлого рабочего цикла (создания предыдущего изображения) в сенселе осталось ещё 2 электрона. Дополнительно, рассматриваемый сенсель получил дефект во время производства, поэтому в нём постоянно накапливается на 1 электрон больше, чем в среднем в других сенселях. В итоге рассматриваемый сенсель по ошибке накопил 6 электронов. Другими словами, на 10 фотонов приходится 6 «ошибочных» электронов – соотношение «сигнал-шум» равно примерно 1,7 к 1 или 4,4 дБ (~ 20×log(10/6)). Однако, если количество фотонов возрастёт в 10 раз (станет равным 100), а уровень шума останется прежним или увеличится, условно, всего в 2 раза, то соотношение «сигнал-шум», также, вырастет и станет равным примерно 9,2 дБ (~ 20×log(100/12)).
Разрешающая способность (на англ. resolving capability) определяет степень детализации будущего изображения: насколько мелкими могут быть детали снимаемой сцены, которые фотография способна отразить точно, без тоновых и цветовых искажений. Обусловливается, в частности, размерами сенселя и расстоянием между соседними сенселями, «улавливающими» фотоны.
Например, размеры сенселя могут равняться 3 микрометра × 3 микрометра, расстояние между световосприимчивыми сенселями – 0,25 микрометра.
Чем меньше размеры сенселя и чем меньше расстояние между «соседями», тем выше разрешающая способность и, кстати, тем большее количество сенселей можно расположить на сенсоре заданного размера, другими словами, тем выше разрешение (количество эффективных сенселей) светочувствительного сенсора.
Разрешающая способность измеряется в парах линий на миллиметр или парах линий на дюйм. Так, если оптическое изображение содержит 100 пар чередующихся чёрных и белых линий, которые умещаются в одном миллиметре, а сенсор может воспринять лишь 50 из них, то есть, любые 4 соседних линии («чёрная-белая-чёрная-белая») «выглядят» для сенсора как одна линия, то разрешающая способность последнего равна 50 парам линий на миллиметр.
В литературе (как русскоязычной, так и англоязычной) количество эффективных сенселей и разрешающую способность могут обозначать одним и тем же словом – «разрешение» (на англ. resolution). Поэтому уточняйте контекст: что подразумевается под фразой «разрешение светочувствительного сенсора» – разрешающая способность или количество эффективных сенселей.
Вне зависимости от типа светочувствительного сенсора последний является устройством, которое едва ли способно функционировать без электрического тока. Однако потребление тока может быть разным. Обычно, ПЗС более «прожорливые», чем КМОП-сенсоры.
На практике энергопотребление влияет на количество снимков, которые может сделать фотограф, не перезаряжая или не меняя аккумулятор, установленный в фотоаппарат. Для тех специалистов, которые занимаются свадебной и документальной фотографией энергопотребление может являться значимой характеристикой сенсора.
Как любая электронная микросхема светочувствительный сенсор греется во время функционирования. Температура сенсора влияет на уровень шума. Например, при увеличении температуры сенсора на 4-7 градусов Цельсия уровень одного из видов шумов – темнового тока (на англ. dark current) – увеличивается вдвое.
ПЗС более чувствительны к нагреванию. Они более подвержены ему в отличие от КМОП-сенсоров. Поэтому в тех приложениях, в которых важны высокое соотношение «сигнал-шум», другими словами, высококачественное изображение, ПЗС принудительно охлаждают.
Здесь завершаю подготовку и перехожу к способам реализации электронного затвора приборов с зарядовой связью.
В качестве светочувствительного сенсора в цифровой фотографии применяют четыре конструкции ПЗС. Опишу, как функционирует каждая от «открытия» до «закрытия» электронного затвора. Вначале приведу общую особенность приборов с зарядовой связью, которая обусловливает наличие нескольких конструкций.
Электронная схема, управляющая ПЗС, вне зависимости от его конструкции может сигнализировать всем сенселям одновременно, чтобы те начали накапливать электроны. При этом, накопление электрических зарядов начинается «с нуля». Процесс иллюстрирует нижняя схема на рис.1 в предыдущей статье. Приведу аналогию с водопадом и ёмкостью.
Последняя постоянно находится под водным потоком. Вода непрерывно поступает в ёмкость, но тут же вытекает: дно у ёмкости может отсоединяться так, что вода свободно вливается через верхнее отверстие и выливается, не задерживаясь, через нижнее. По сигналу дно устанавливается на место, и ёмкость заполняется водой.
Благодаря способности сенселей ПЗС «стартовать» одновременно, каждый фрагмент будущего цифрового изображения начинает экспонироваться (создаваться) вместе с любым другим фрагментом. Это верный путь к однородной экспозиции и, как следствие, к точной передаче тонов, цветов и аккуратному воспроизведению геометрических форм снимаемых объектов. Тем не менее, чтобы завершить путь, достичь равномерности экспозиции, сенселям необходимо «финишировать», также, одновременно. Это для ПЗС становится задачей.
Дело в том, что «счётчик» у ПЗС, чаще всего, один, а сенселей значительно больше. И чтобы «посчитать» электрический заряд, накопленный самым удалённым от «счётчика» сенселем, потребуется «посчитать» электрические заряды, накопленные всеми остальными сенселями. «Подсчёт» каждой порции электронов едва ли происходит мгновенно, другими словами, занимает время. В итоге, «закрытие» электронного затвора ПЗС происходит в разное время для каждого сенселя: пока электрический заряд, накопленный произвольным сенселем «подсчитывается», другие сенсели вынужденно продолжают накапливать свои заряды. Такое положение вещей ведёт к неоднородности экспозиции по площади кадра. Соответствующие искажения цифрового изображения я опишу и проиллюстрирую чуть позже, «по горячим следам».
Как инженеры решают эту задачу?
Обычно, создают условия, в которых «подсчёт» накопленных электронов выполняется в покое от «назойливых» фотонов. А именно, либо:
Итак, электронный затвор «открывается»: «Накапливаем электроны!» – подаёт сигнал сенселям, способным воспринимать фотоны, управляющая схема. Далее события могут развиваться по-разному, в зависимости от конструкции ПЗС.
Рассмотрю полнокадровый ПЗС.
Примечание:
1 Назову пару мест, в которых я встречал EV или «стопы», когда речь шла о динамическом диапазоне. В спецификациях цифровых задников, произведённых под маркой Phase One, в которых применяется светочувствительные сенсоры среднего формата. И в технических обзорах цифровых фотоаппаратов, в частности, на сайте Digital Photography Review. Обратно к тексту.
2 Формула приведена под номером 3.44 на странице 79 книги Junichi Nakamura Image sensors and signal processing for digital still cameras. CRS Press, 2006. 321 p. (ISBN 0-8493-3545-0). Обратно к тексту.
3 Такой сенсор устанавливается, в частности, в фотоаппарат среднего формата 645D, выпускаемый под маркой Pentax. Обратно к тексту.
4 Разница освещённостей «самого» тёмного и «самого» светлого участка наблюдаемой сцены, детали в которых способен различить здоровый человек, может достигать 24 EV (источник 1; источник 2). Обратно к тексту.
5 С выпуском в феврале 2015 года компанией Canon светочувствительного сенсора размером 36 × 24 мм и количеством эффективных сенселей равным примерно 50-ти миллионам разрешение уже едва ли обладает значением, определяющим разницу стоимостей среднеформатной и малоформатной камер. Обратно к тексту.
6 Согласно книге Junichi Nakamura Image sensors and signal processing for digital still cameras. CRS Press, 2006. 321 p. (ISBN 0-8493-3545-0) для отличного по качеству цифрового изображения соотношение «сигнал-шум» примерно равно 32 дБ (~ 20 × log(40/1)). Другими словами, фотография содержит полезной информации в 40 раз больше, чем искажающей информации. Для снимка, приемлемого по качеству, соотношение «сигнал-шум» равно 20 дБ (~ 20 × log(10/1)). Эти числа указаны на странице 320 в начале раздела, посвящённого характеристике ISO noise speed.
Согласно критериям оценки DxO Labs – организации, занимающейся, в частности, измерением технических характеристик цифровых фотоаппаратов и объективов – для хорошего качества цифрового изображения соотношение «сигнал-шум» больше 38 дБ, для приемлемого качества – больше 32 дБ. Эти числа указаны в одной из таблиц таблице, расположенной внутри статьи Оскара Де Лама «A Simple DSLR Camera Sensor Noise Model». Статья опубликована в декабре 2014 года и принимает во внимание международный стандарт «ISO 15739:2013. Фотография. Формирование электронных неподвижных изображений. Измерения шума». Обратно к тексту.
7 Формулы, определяющие соотношение «сигнал-шум», и графическое представление соотношения «сигнал-шум» в зависимости от количества фотонов, которые «улавливает» произвольный сенсель, приведены на страницах 80 (формулы 3.45 и 3.48) и 81 (график 3.20) книги Junichi Nakamura Image sensors and signal processing for digital still cameras. CRS Press, 2006. 321 p. (ISBN 0-8493-3545-0). Обратно к тексту.
8 Таблица, отражающая виды шумов, представлена на странице 67 книги Junichi Nakamura Image sensors and signal processing for digital still cameras. CRS Press, 2006. 321 p. (ISBN 0-8493-3545-0). Обратно к тексту.
Доводилось ли вам использовать свою камеру с объективами от стороннего производителя? Предполагаю, что большинство ответит да. Причина этого в том, что на рынке есть много...
Читать дальше →Фотоаппарат – восхитительный инструмент. Просто поразительно как одним щелчком затвора можно остановить текущий миг и сохранить его на будущее. Принцип работы фотоаппарата...
Читать дальше →У каждой семьи есть своя история, а у каждой истории есть свои фотографии: старые цветные распечатки, винтажные черно-белые фотокарточки, негативы и пленки.
Читать дальше →Фотография – мощный инструмент визуальной коммуникации. Объектив в какой-то мере можно считать вашим третьим глазом, который позволяет поделиться с миром тем, что видите вы...
Читать дальше →Мир современной пейзажной фотографии весьма сложный. Кажется, будто достаточно иметь камеру, несколько объективов, штатив, фильтры, карту и отличную идею в голове, но в реальности все...
Читать дальше →Существует миф, будто фотографы разделяются на две категории – те, для кого это просто хобби и профессионалы, которые зарабатывают деньги. На самом деле многие находятся в...
Читать дальше →Окно закроется автоматически через 3 секунды
кто подскажет-после просмотра файлов на компе изображения на флешке становятся маленькими и не годятся для дальнейшего просмотра и печати .или флешка начинает глючить-приходится форматировать.фотик олимпус 510.карта сф
Опишите ситуацию и задайте, пожалуйста, свой вопрос на форуме. Ссылка на последний находится вверху страницы.
Мне кажется, что если окунуться во все это с головой, то и фотографировать будет некогда. Особенно для неподготовленного пользователя, к коим я отношу себя.
Юрий, подготавливайтесь. Я стараюсь наращивать глубину и сложность материала постепенно, начиная с со статьи "Основы фотографии # 1". Также, я рекомендовал в начале статьи "Основы фотографии # 5.8" повторить один из предыдущих разделов и привёл соответствующую ссылку, чтобы "спуск" был более мягким и продуктивным.
По моему опыту, теория практике помогает. Я "окунаюсь", затем "выныриваю", забываю и продолжаю фотографировать. Когда ставлю перед собой новые задачи в практике, снова "окунаюсь" и так далее по спирали. Например, в настоящее время "погрузился" в визуальное восприятие (курс из неврологии) и историю живописи 15-19 веков. Влияние на фотографирование колоссальное.
Может я чего то непонимаю, но какое отношение вот это все имеет собственно к фотографии? Генеальные по занудности статьи а вот фотографии автора не цепляют никак
ну не понимаешь, перечитай.
Автор рассказывает о физических процессах, большинству людей и не нужных, но некоторым интересным, в принципе.