Технологии современной фотографии, часть 1: «Как работает матрица»

            Понимание сути всех процессов, происходящих во время съемки внутри современного цифрового фотоаппарат, позволяет фотографу управлять камерой на действительно профессиональном уровне. Незнание же этих процессов даже у опытного фотографа с многолетним стажем часто приводит к появлению «детских» ошибок и значительному снижению качества получаемых фотографий. В серии статей «Технологии современной фотографии» предлагаем разобраться в технической части цифровой фотографии, а также опровергнуть несколько наиболее популярных мифов о ней. Некоторые понятия и физические процессы в материале будут намерено упрощены для лучшей наглядности.

            Так как сердцем любой современной камеры является матрица, то с нее и предлагаем начать расследование. Цифровая матрица современного фотоаппарата представляет собой светочувствительную плоскость определенно размера (например, полный кадр — 24 х 36 мм, а кроп 1,5 — 15 х24 мм), составленную из микроскопических радиодеталей, реагирующих на фотоны света (фотоконденсаторы или фоторезисторы). В действительности все работает очень просто.

            Если представить, что на некоторой площади кадра равномерно выложен целый набор одинаковых фотоконденсаторов, а на сам этот кадр спроецирована картинка, которая должна быть считана, то совершенно очевидно, что там, где на фотоконденсаторы попал более яркий участок изображения (а, значит, попадает больше фотонов света), конденсаторы накопят больший заряд энергии. И наоборот, в теневых участках изображения заряд у конденсаторов будет значительно меньше. Другими словами, наша импровизированная матрица запишет спроецированное изображение за счет разности уровня зарядов каждого из ее конденсаторов. Далее остается только подсоединить матрицу к монитору, где каждый фотоконденсатор будет отвечать за яркость конкретного пикселя на экране (чем больше заряд, тем сильнее загорится пиксель экрана), что и позволит воспроизвести записанную матрицей картинку.

            Это все, конечно, замечательно, но так мы получим только черно-белое изображение, поскольку будут записаны только яркости, но не цвет. Чтобы записать цвет, нам необходимо каждый из элементов матрицы (фотоконденсатор или фоторезистор) накрыть цветным оптическим фильтром определенного цвета. Для того, чтобы получаемая картинка была похоже на то, что мы привыкли видеть, фильтры должны соответствовать тем цветам, которые видит человек — это красный, зеленый и синий (RGB). Причем фильтры должны быть сбалансированы также по подобию человеческого восприятия, то есть каждая точка, видимая человеком, должна быть записана одним красным, одним синим и двумя зелеными датчиками (человек зеленый цвет воспринимает лучше, чем остальные). В результате всех манипуляций получим матрицу, каждый пиксель которой должен состоять из четырех фотоконденсаторов, накрытых фильтрами трех основных цветов цветов. Это очень важно, так как, допустим, зеленый фильтр пропустит к поверхности фотоконденсатора только «зеленый свет», и конденсатор накопит не общую яркость, а только яркость изображения в зеленом спектре.  В программе, отвечающей за перенос заряда с матрицы на экран, указывается, каким именно фильтром накрыт каждый из конденсаторов. И если фотоконденсатор под красным фильтром, то программа направит его сигнал именно к красному пикселю монитора — так и получится цветная картинка.

             В общем, с принципом записи изображения мы разобрались, теперь стоит перейти к более конкретному вопросу — как создать настолько мелкие фотоконденсаторы, чтобы они смогли поместиться на поверхности спичечного коробка в количестве 16-24 миллионов штук (а если учитывать, что каждый пиксель состоит из четырех элементов, то, вообще, 56-64 миллионов элементов). Изготовить такие мелкие детали механическим способом просто невозможно. Но и тут было придумано оригинальное решение — цифровые матрицы просто выращивают как кристалл, при чем делают это послойно. Например, сначала выращивают дорожки проводников к контактам будущих конденсаторов, потом выращивают слой положительных пластин конденсатора, потом слой диэлектрических пластин, а потом уже слой отрицательных пластин — матрица из конденсаторов готова. Основным строительным материалом для кристаллов матрицы обычно является оксид кремния.

            Зачем это знать фотографу? Оказывается, от способа изготовления матрицы напрямую зависит такое понятие как RGB-шумы, проявляющиеся на фотографии в виде цветной каши и размытия контуров изображения. Так как невозможно вырастить кристалл без дефектов, все матрицы обладают определенным шумом (ошибками сигнала) даже на чувствительности 100 ISO — базовая чувствительность каждого пикселя на матрице неодинакова. И когда мы говорим, что установили на камере 400 ISO, то мы должны понимать, что в реальности общая чувствительность матрицы такова, но есть в это же время много участков, где чувствительность нестандартных пикселей составляет: 100, 200, 800 и даже 1600 ISO. И чем меньше попадает света на поврежденные (нестандартные) участки сенсора, тем сильнее проявляются шумы (дефекты изображения).

            Также стоит понимать, что физически чувствительность матрицы не увеличивается, повышение ISO в камере происходит программно: поднимая ISO, вы просто требуете у камеры повышенную яркость картинки при явном недостатке света на сенсоре. И даже если вы снимете кадр на 100 ISO, а потом в редакторе, использовав RAW-формат, увеличите экспозицию уже снятого кадра, то фактически сделаете то же самое, что и при поднятии чувствительности кадра в камере, то есть опять проявите все шумы.

            В качестве вывода можно сказать следующее. Во-первых, хорошее изображение, отвечающее максимальной резкости объектива и минимальным шумам камеры, можно получить только при трех одновременных условиях: низкое ISO, хорошая освещенность и правильная экспозиция кадра (правильно выполненный замер по экспонометру камеры). А совет постоянно недосвечивать изображение при съемке на несколько ступеней, чтобы не пересветить кадр, большая глупость и заблуждение. Исправить темный кадр в редакторе без негативных последствий технически невозможно, просто стоит правильно замерять освещенность и настраивать экспозицию и никаких «пересветов» не будет.