Взгляд изнутри

Цифровые фотокамеры своим появлением обязаны, в первую очередь, электронным светочувствительным приборам. Изображение, будучи оцифрованным и помещенным в математическое пространство, с легкостью поддается самым замысловатым преобразованиям прямо в момент съемки. Снимок получается в электронном виде, и это дает фотоаппарату новые возможности, которых не было в пленочных камерах.
Чтобы реализовать эти возможности, конструкция фотоаппарата должна была измениться. Структурная схема цифровой камеры, не претендующая на высокую степень технической детализации, но достаточная для понимания его работы, приведена на стр. 69. Остановимся на некоторых основополагающих принципах построения цифровой камеры и вариантах их реализации.

Объектив
Может ли в цифровой камере использоваться оптика пленочных аппаратов? Так и происходит в цифровых зеркальных камерах. В силу того, что размер цифрового сенсора меньше пленочного кадра, возникает т.н. кроп-фактор (как отношение диагоналей двух кадров) и связанное с ним виртуальное увеличение фокусного расстояния в 1,3–1,6 раза. Т.е. объектив, не меняя своего физического фокусного расстояния, начинает работать как более длиннофокусный. Вернуть цифровым зеркалкам широкий угол могут специально разработанные под меньший формат кадра объективы с фокусным расстоянием от 18 и даже 12 мм.

Одна из проблем, с которой приходится бороться разработчикам оптики, связана со строением цифрового сенсора и как следствие возможностью регистрировать оптическое изображение.

Для пленки безразлично, под каким углом лучи света падают на ее поверхность, (скрытое) изображение будет сформировано в эмульсионном слое практически без потерь качества. Светочувствительный слой цифрового сенсора ввиду особенностей его строения плохо реагирует на косые лучи. В идеале световой пучок должен быть ортогональным или близким к нему. Компания Olympus даже ввела термин — телецентрическая оптика, и специально разработала объективы для камеры E-1, отвечающие этому условию.

Цифровые сенсоры компактных камер, маленькие в размерах, но с высокой плотностью регистрирующих ячеек, потребовали высокоразрешающей оптики. К примеру, 5-мегапиксельная матрица (диагональ 8,9 мм) реально регистрирует на снимке 1800 линий по короткой стороне кадра или 170 пар лин./мм, что в два и более раза выше, чем в пленочной 35-мм фотографии!

Другая интересная особенность оптики цифровых камер — цифровые зумы. Непосредственно при съемке центральная часть изображения вырезается и интерполируется до полного кадра. Разумеется, качество и детализацию картинки это не повышает, зато такой снимок не требует последующего кадрирования на компьютере. А в условиях все большего распространения устройств вывода, поддерживающих технологию прямой печати, компьютер вообще оказывается ненужным.

Для получения более контрастных снимков в оптическую схему цифровой камеры (чаще за объективом непосредственно перед матрицей) необходимо дополнительно устанавливать ИК-фильтр, отрезающий инфракрасную часть спектра. Фотоприемники на основе кремния (к ним относятся практически все существующие ПЗС- и КМОП-сенсоры) хорошо чувствуют излучение в области ближнего ИК-спектра, однако их разрешение здесь ухудшается. Фотоны этого спектра проникают глубоко в материал фотоприемника. При этом фотон влетает в одну ячейку сенсора, но рожденный им электрон может попасть на другую. Иными словами, свет падает на одно место, а результат его воздействия проявляется рядом. Этот эффект наиболее заметен в косых лучах, т.е. на краях кадра.

Без ИК-фильтра обычно делаются видеокамеры наблюдения, чтобы повысить чувствительность в темное время суток. Это же дает возможность использовать не видимую для глаза ИК-подсветку.

Фотоприемник
В цифровых камерах используются два типа матричных фотоприемников: приборы с зарядовой связью (ПЗС) и фоточувствительные сенсоры на основе КМОП-структур. (Трехслойные сенсоры Foveon пока не получили широкого распространения.) Они состоят из набора отдельных чувствительных к свету элементов. Под действием света на каждой ячейке сенсора накапливается (формируется) электрический заряд, который потом преобразуют в напряжение и считывают с фотоприемника.

Детально работу цифровой матрицы мы изложим в последующих номерах журнала, сейчас же остановимся на одном важном моменте.

Если представить падающий свет в виде дождя, то пиксели — это маленькие ведерки, которые накапливают воду (фотоны света). Такая аналогия позволяет легко понять некоторые нюансы этих приборов. Например, дефектные пиксели.

Надо сказать, что из пикселей не получаются идеальные ведерки, и в них могут быть небольшие «дырочки», через которые вода может вытекать из ведерка. Если дырочка большая, то сколько воды ни лей, вся она вытечет, и сигнала с пикселя не будет. Это т.н. черный дефект. Такие дефекты видны на светлом фоне в виде темных точек.

Бывает обратная ситуация, когда света нет, а ведерко-пиксель полностью заполнено. Дело в том, что все пиксели имеют темновой ток, который потихоньку заполняет пиксель (это является главным ограничением максимального времени экспозиции) даже в отсутствии света. Если этот темновой ток большой, то он быстро заполняет ведерко и получается белый дефект. Белые дефекты особенно проявляются при больших экспозициях.

Дефектные пиксели всегда находятся в одном и том же месте. Для их устранения используются методы коррекции, когда вместо дефектного «подставляется» либо просто соседний элемент, либо среднее по прилегающим элементам, либо значение, вычисленное более сложным способом. Заметно уменьшает амплитуду одиночных белых дефектов и кодирование в формат JPEG.

Затвор
Помимо экспонирования, затвор фотоаппарата предохраняет фотоматериал от засветки. Без этого никак нельзя в пленочных камерах, но в цифровых затвор целесообразно держать… всегда открытым. Парадокс? Вовсе нет. В результате фотоаппарат видит и обрабатывает изображение еще до съемки. Как следствие такие узлы фотоаппарата, как видоискатель, системы экспозамера и автофокуса, не только могут быть спроектированы по-новому, но приобретут новые полезные на практике качества.

В этом плане цифровые зеркалки со сменной оптикой недалеко ушли от своих пленочных аналогов. В них матрица закрыта шторками затвора и зеркалом. Поэтому до съемки кадр (а также гистограмма яркости) принципиально не отображается на мониторе.

Затворы пленочных фотоаппаратов имеют непрозрачные шторки (шторно-щелевые затворы), ламели (ламельные затворы) или лепестки (центральные межлинзовые затворы). Отработка выдержек в них осуществляется либо только механически под действием пружин, либо электронным (электромагниты, управляемые электроникой камеры, приводят затвор в действие) или электронно-механическим способом. В последнем случае все выдержки электронные, но в отсутствие источников питания часть из них (обычно одна или две) отрабатывают механически.

В цифровых камерах «механика» и «электроника» понимаются иначе. Механический, т.е. с непрозрачными шторками затвор «открывает» свет на время экспозиции. Но многие фотоприемники могут работать и без механического затвора. По окончании экспозиции они быстро «спасают» полученный кадр, помещая его в специальную закрытую от света секцию памяти, и оттуда уже спокойно считывают информацию. Время экспозиции определяется только управляющими импульсами, подаваемыми на фотоприемник. Такая система в «цифре» и называется электронным затвором, хотя на самом деле никакого отдельного затвора нет, все реализовано на уровне электронных схем.

Обратим внимание на следующий момент. Для центрального межлинзового затвора пленочного фотоаппарата скорость 1/1000 с является очень хорошим результатом (например, камера Olympus MJU-II), как правило, ограничивается 1/500. А как же цифровые Nikon Coolpix 8700 или Olympus Camedia C-8080 c фантастически короткой 1/4000 с? Такая быстрая механика? Нет, просто короткие выдержки отсекаются электронным (в «цифровом» смысле) образом.

Видоискатель
В пленочных камерах основными типами видоискателей (за давностью лет вспоминать о рамочных не будем) являются оптический реального изображения (как в шкальных «Сменах» или дальномерных «Зорких») и зеркальный с визированием через объектив. В однообъективных зеркальных камерах (SLR) для визирования используется основной съемочный объектив, а в двухобъективных (TLR) встроен дополнительный объектив упрощенной конструкции.

В цифровых компактах часто используется оптический видоискатель реального изображения. Четкая и яркая картинка, хотя и привычно (по пленочной фототехнике) мелковатая. Оптический видоискатель не требует энергии источников питания. Из недостатков следует отметить не столько даже параллакс (т.е. несоответствие наблюдаемого в видоискатель кадра границам на снимке, особо проявляющееся на близких дистанциях съемки), а тот факт, что этот видоискатель, как правило, отображает только около 80 процентов реального снимка. В этих условиях точное кадрирование сильно осложняется.

Все цифровые фотоаппараты имеют жидкокристаллический монитор на задней стенке корпуса. Этот экранчик — не только для задания режимов работы фотоаппарата или просмотра отснятого материала, что само по себе не просто удобно, а жизненно необходимо в цифровом аппарате. Монитор превратился в удобный видоискатель, отображающий, как правило, кадр абсолютно полностью (100 процентов).

Использование монитора в качестве видоискателя стало возможно благодаря тому, что затвор цифрового фотоаппарата открыт до съемки. Формируемое на матрице изображение преобразуется в видеосигнал низкого разрешения и непрерывно отображается на мониторе.

Любой, даже самый простой компакт получает возможность визирования через объектив. Примечательно, что люди, не обремененные опытом работы с пленочными камерами, предпочитают ЖК-монитор традиционным оптическим видоискателям. А в некоторых компактах с увеличенным до 2–2,5 дюйма монитором оптический видоискатель вообще исчез.

Визирование через объектив в зеркальных фотокамерах реализовано по классической схеме, но действительно ли нужны для этого зеркало и матовый фокусировочный экран? В «цифре» — нет. В т.н. псевдозеркальных камерах электронный видоискатель — это такой же ЖК-монитор. Дополнительная оптическая схема окуляра позволяет комфортно (по сравнению с задним ЖК-монитором, практически слепнущем в условиях дневного, особенно солнечного, освещения) рассматривать формируемое на нем изображение. Хотя качеству восприятия здесь еще весьма далеко до систем с зеркалом: неизбежные паузы в проекции видеокартинки и крупный растр, мягко говоря, раздражают. Но, с другой стороны, эффектная и полезная возможность отображения самой детальной информации по настройке камеры — прямо в поле зрения фотографа.

Экспосистема
Выбор экспозиции в цифровой камере должен осуществляться более точно, нежели в пленочных, т.к. электронные фотоприемники более чувствительны к пересветкам, чем пленка. Но и сделать это в цифровой камере можно гораздо точнее, используя сам фотоприемник.

Казалось бы, получив предварительный кадр, нужно найти самое яркое место и подобрать параметры съемки так, чтобы яркость в нем соответствовала максимальному значению, допустимому в цветовом пространстве изображения. Однако определять экспозицию только по уровню с одного пикселя с максимальным сигналом не всегда правильно, ведь это может быть единичный пик от случайного блика, и тогда весь остальной снимок останется недодержанным.

Одним из эффективных методов определения оптимальной экспозиции могла бы стать гистограмма яркости. Она содержит довольно точную информацию о характере распределения тональностей на снимке, воспроизведении или потери деталей на границах яркостного диапазона.

Однако автоматическое определение экспозиции по гистограмме яркости не получило широкого распространения в цифровой фотографии. Предпочтение было отдано традиционным методам оценки яркости — многозонному оценочному, центровзвешенному и точечному. Но для их реализации в цифровом фотоаппарате не нужен, в отличие от DSLR, специализированный сенсор. Для этого используется непосредственно матрица.

Создать для пленочного фотоаппарата отдельный сенсор с несколькими десятками чувствительных зон сложно. Их общее число обычно колеблется в диапазоне 9–21, в некоторых зеркальных камерах Canon их больше — 35, а в Nikon F5 около 60 перекрывающихся зон, формируемых по 1005-точечному RGB-сенсору. Зато на цифровой матрице двести–триста зон оценки — вполне обычное дело.

В большинстве алгоритмов автоэкспозиции анализируется общая яркость пикселя, а не каждая из его цветных составляющих. А ее предварительно еще надо посчитать. Обычно так оно и делается. Но иногда, в упрощенных конструкциях аппаратов, экспозиция определяется только по яркости зеленого канала. И если ошибка не носит случайный характер, а вызвана сложностью (для алгоритма процессора) композиции, то приходится задействовать имеющуюся в большинстве камер подстройку светочувствительности (обычно 4–6 ступеней ISO), которая в заданных пределах регулирует коэффициент передачи усилителя видеопроцессора.

Автофокусировка
Бывает активного и пассивного типа. При активной автофокусировке дополнительный излучатель и приемник, работающие в инфракрасной области или на ультразвуке, измеряют расстояние до объекта по принципу эхолокации отраженного сигнала. В пассивной системе специальный датчик анализирует изображение объекта по методам оценки контраста или фазовой детекции. У каждого способа есть свои сильные и слабые стороны, так что явного лидера выявить вряд ли возможно. В пленочных компактах обычно устанавливают активную систему, в зеркальных камерах — только пассивную.

Определить, какая система автофокусировки используется в вашем аппарате, очень просто: попробуйте навестись на чистый белый лист. Активный автофокус без заминки справится с задачей, пассивная же система вынуждена будет признаться в своей беспомощности, выдав сигнал о невозможности сфокусироваться (или не выдав сигнала готовности фокусировки).

В цифровой камере (за исключением DSLR) отсутствует надобность в специальном датчике системы автофокуса. Его роль может выполнять сама матрица, а вычислительная часть реализуется процессором, выполняющим обработку изображения. А добавить еще одну программу процессору проще, чем встраивать отдельную систему.

Благодаря такой функции матрицы сейчас повсеместно реализуется TTL-автофокусировка по методу оценки контраста. Его достоинство — точность, которая, впрочем, снижается в условиях слабого освещения или на малоконтрастных объектах.

Чтобы повысить эффективность автофокусировки, цифровые камеры могут иметь дополнительный датчик. Например, у камер Olympus Camedia C-5060/ 8080 есть внешний датчик фазовой детекции (функционально напоминает оптический дальномер), способный работать применительно к объектам небольшого контраста. А в Canon PowerShot Pro1 внешняя система активного типа грубо, но быстро сфокусирует на объект, затем камера точно настроится по контрасту на матрице.

А что с количеством зон фокусировки? В пленочных зеркальных камерах Canon EOS-1V и EOS-3 их число достигло 45. В цифровом Nikon Coolpix 5200 пять определяемых автоматически зон и 99(!) — вручную.

Матрица позволила реализовать т.н. плавающую область для фокусировки по любой части кадра. Прямоугольную метку автофокуса нужно просто передвинуть на ЖК-мониторе в требуемое место. В перспективе вся матрица может стать одной большой зоной автофокуса.

Баланс белого
Спектральная чувствительность фотоматериала должна соответствовать цветовой температуре источника освещения или, точнее, спектральному составу света, иначе на снимке возникают сильные цветовые искажения.

Выпускать фотопленки, сбалансированные под каждый тип освещения, нереально. Производители остановились на двух — «дневной свет» и «лампы накаливания», да и то только для позитивных пленок (слайдов). Негатив балансируется только под дневной свет.
С пленочными фотоаппаратами подкорректировать ситуацию можно было только при помощи конверсионных и цветобалансирующих светофильтров, но электроника позволяет довольно легко справиться с подобной проблемой. Причем порой даже без участия фотографа. Для этого достаточно изменить коэффициенты усиления в цветовых каналах. Не хватает синего? Повышаем коэффициент усиления синего канала и получаем снимок, как бы сделанный не в свете лампы накаливания, а при дневном освещении.

Эта процедура называется балансом белого и может выполняться автоматически. На первый взгляд, сделать ее просто: на полученном снимке посмотреть отличия белого (или монохромного серого) цвета от реального белого и изменить соответствующим образом коэффициенты усиления в цветовых каналах. Глазом мы моментально останавливаем взгляд на белых участках снимка, но процессору их надо еще найти. А ведь их может и не быть в изображении.

Принадлежность пикселя к зоне белого цвета определяется проверкой шести условий. (Обычно эти вычисления делаются для цветоразностных сигналов, т.к. график цветности получается двумерный. Зона белого цвета имеет не слишком простой вид, поэтому и возникают эти условия.) Анализируются ли при этом все пиксели кадра или выбираются фрагменты, зависит от реализованных производителем конструктивных решений. Безусловно, просмотреть весь кадр было бы правильнее, но это займет больше времени.

В некоторых случаях вычислять коррекцию не нужно, она уже определена заранее. Допустим, если вы снимаете в свете лампы накаливания, то ее спектр хорошо известен, и все нужные коррективы заложены в память процессора. При этом автомат анализа белого не работает, вычисления не производятся.

Обычно стандартными предустановками источников освещения являются: солнце, дневной свет, голубое (тень) и облачное небо, люминесцентная лампа и лампа накаливания с вольфрамовой нитью, фотовспышка. В большинстве случаев такие предустановки прекрасно работают.

Но все же спектры реального освещения могут отличаться от тех, на которые заложился производитель. Чаще это относится к люминесцентным лампам и лампам накаливания. Для подобных случаев в камере существует режим ручного баланса белого, дающий наилучшие результаты.

Фотографируется белый лист бумаги, и по полученному снимку определяется цветность освещения. В отличие от автоматического режима процессору не нужно искать на изображении участки белого. Найденные настройки сохраняются в памяти.

Пространство цифр
Сигнал с выхода фотоприемника имеет специфический вид, и надо сначала выделить полезную его часть, что выполняет схема, имеющая загадочное название двойной коррелированной выборки (ДКВ).

Наличие темнового тока можно попытаться скомпенсировать. Для этого запоминается его значение со специальных пикселей, закрытых от света, и это значение затем вычитается из сигналов «полезных» пикселей. Такая операция называется привязкой к уровню черного.

Для чего нужна т.н. гамма-коррекция? Наш глаз имеет логарифмическую чувствительность к свету, а фотосенсоры — линейную. Поэтому, чтобы кадр на снимке имел привычный вид, слабые сигналы имеют больший коэффициент усиления, чем сильные. О наличии гамма-коррекции не всегда указывается, но это не значит, что ее нет.

Гамма-коррекция может осуществляться в электронном тракте или в процессоре. Часто для этого (и для некоторых других целей) используют т.н. таблицы перекодировки, определяющие соответствие входного и выходного сигналов. Задавать преобразование в виде формулы не очень удобно, т.к. увеличивается время на вычисление, да и задать формулой можно далеко не любую кривую. Если же использовать таблицы перекодировки, то эта операция выполняется намного быстрее, да и функция преобразования задается гораздо проще в виде таблицы.

Несколько вариантов таких таблиц, хранящихся в памяти процессора, дают возможность оперативно выбирать любую из предлагаемых характеристик гамма-коррекции. Нередко функция гамма-коррекции встраивается в видеопроцессор, но точность характеристики и стабильность при этом уступают описанному выше программному способу ее формирования.

Для перевода сигнала в цифровой вид служит аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Обычно в фотокамерах используется 8-разрядный АЦП, в более дорогих моделях 12–14, а в цифровых задниках даже 16-разрядный. Чем выше разрядность, тем больше тональных градаций может быть представлено в цифровой форме.

Весь этот набор функций осуществляет микросхема видеопроцессора, но если используется КМОП-сенсор, то видеопроцессор стоит у него внутри. Более того, в некоторых моделях КМОП в саму микросхему вставляют и процессоры. И вся электроника камеры умещается в один чип.

Процессоры и программы
Руководство процессом съемки осуществляет процессор. Он определяет параметры съемки, обрабатывает информацию, принимает решение, какие параметры и на сколько надо изменить. В большинстве случаев цифровой аппарат сам автоматически определит все необходимые параметры съемки, для этого ему требуется сделать несколько пробных кадров, проанализировать их, внести нужные коррективы, и только после этого он готов снимать.

В работе процессора можно выделить две функциональные части: обработка изображений и интерфейс. Конструктивно на каждую группу функций может приходиться свой специализированный процессор. Процессор интерфейса должен знать протоколы общения с внешними устройствами, записывать данные в память, выводить на экран видоискателя и т.п. Однако нередко все эти функции могут быть возложены на один-единственный процессор камеры.

Но сам по себе процессор — не более чем кусочек кремния. Чтобы заставить его работать, требуется программное обеспечение с записанными алгоритмами обработки. Обычно такая библиотека функций жестко «прошивается» (отсюда, кстати, и пошел термин — микропрограммная прошивка) в интегральной схеме.

В некоторых моделях цифровых камер (чаще — в профессиональных) имеется возможность изменения программного обеспечения путем его обновления. Такая модернизация не только исправляет обнаруженные ошибки программного обеспечения, но и добавляет новые возможности в уже существующую камеру. К примеру, последняя фирменная микропрограммная прошивка добавила в Nikon Coolpix 5400 возможность съемки в формате RAW. А пытливые обладатели камеры Canon EOS-300D нашли способ аналогичным образом существенно расширить ее возможности до старшей камеры Canon EOS-10D.
Согласитесь, это уже совсем другие фотоаппараты.

По гистограмме отчетливо видно, что света на снимке воспроизведены без потерь, чего не скажешь о тенях изображения. Ошибка экспозиции? Нет, с экспозицией все нормально, просто такова тональность сюжета

Зависимость коэффициента передачи от величины сигнала может быть плавной или иметь резкий излом. Слабые сигналы передаются на выход без изменений, а для более ярких коэффициент передачи уменьшен. Изломов характеристики может быть несколько, за счет этого она кажется более плавной

--------------------

Улучшение изображения
Подавление шумов, повышение резкости и проч. выполняет процессор обработки сигнала, и, не углубляясь в дебри математических формул, покажем, как он это делает.

Одним из распространенных видов обработки является т.н. свертка. Пусть не пугает это название, все достаточно просто. Возьмем фрагмент снимка размером 3&1110;3 элемента. Из него получается значение для нового пикселя, расположенного в центре этого квадрата. На этот фрагмент накладывается матрица коэффициентов (называемая маской или ядром свертки), и значение каждого пикселя умножается на величину соответствующего коэффициента ядра свертки (рис. а). После этого все полученные значения складываются. Пусть все коэффициенты ядра свертки равны единице, тогда после сложения сигналов со всех девяти элементов и деления на число элементов для нового пикселя получается среднее значение по фрагменту.

Допустим, фрагмент содержал ровный фон с шумовым выбросом в центре. Тогда в новом кадре его значение уменьшится, т.е. уменьшится и шум. Эта же операция для соседних пикселей чуть приподнимет их яркость, резкий пик заметно сгладится. Если был провал, то он подтянется к среднему уровню, а соседние пиксели чуть опустятся. Вот мы и получили сглаживающий фильтр, способный уменьшать шумы. Правда, при этом и резкость будет несколько ухудшаться. Поэтому многие придерживаются философии «лучше не производить шумы, чем их устранять».

Такая же процедура, но с другими коэффициентами свертки усиливает контраст соседних пикселей, в результате чего контуры предметов становятся подчеркнутыми (рис. б), или выделяет вертикальные контуры для системы автофокусировки (рис. в).
Подобные программы просты и требуют небольшого объема памяти. А, используя разные маски, в том числе и по размеру, одной программой можно получить массу различных эффектов.

Виктор БЕЛОВ