Техническое качество изображения

Раздел #2. Светочувствительный сенсор

В предыдущем, первом разделе я показал ход световых лучей в цифровом зеркальном фотоаппарате с подвижным зеркалом (см. рис. 3).

После того как Вы нажали на кнопку спуска затвора до упора, поднимаются зеркала, открывается затвор, оптическое изображение, созданное объективом, проецируется на светочувствительный сенсор – плоский прямоугольной формы электронно-оптический прибор. Его основная функция – преобразовывать энергию света в электрическую энергию.

Прежде, чем «окунуться» в устройство, принцип работы, виды и характеристики светочувствительного сенсора предлагаю разобраться, для чего это может понадобиться на практике.

Техническое качество изображения

Фотографию рассматривает человек. Согласно психологии восприятия любой человек бессознательно стремится увидеть на изображении то, что он привык видеть в окружающем его мире. Другими словами, зелёный закат покажется большинству людей нереалистичным. Он может привлечь внимание на первых порах, но наблюдать его постоянно вряд ли захочется, потому что желание не подкреплено повседневным опытом. Вы часто видите зелёный закат?

На восприятие изображения оказывают влияние культура и уровень психического развития конкретного человека. Но стороны восприятия, сильнее связанные к содержанием изображения, с его художественным качеством, в настоящей части «основ» я не рассматриваю. Она затрагивает техническую сторону восприятия.

Снимаемая сцена «превращается» в плоское двумерное цифровое изображение, последовательно проходя минимум два преобразования.

Сначала отражение световых лучей от объектов снимаемой сцены преобразовывается объективом в оптическое изображение: световые лучи модифицируются. Этому «преобразованию» посвящена вторая часть «основ». Для ясности дальнейшего изложения я предполагаю, что объектив справился со своей задачей наилучшим образом: не хуже, чем человеческий глаз.

Затем светочувствительный сенсор преобразовывает световые лучи в электрические импульсы (заряды). Какой орган в человеческом организме выполняет аналогичную трансформацию?

От того, как проходит преобразование световой энергии в электрическую (в некоторых случаях дополнительно электрическую энергию в числа), зависит соответствие цифрового изображения, сохраняемого в виде файла на карте памяти, оптическому изображению, сформированному объективом. Как оценить степень указанного соответствия?

Производители сенсоров для фотоаппаратов стремятся создать устройство, которое бы запечатлевало снимаемую сцену близкой к такой, какой её воспринимает человек. Вне зависимости от конструкции и принципа работы светочувствительного сенсора.

Как в случае с самолётом и птицей инженеры-конструкторы разрабатывают сенсоры, применяемые в современных цифровых камерах, по образу и подобию человеческому глазу. Критерии технического качества изображения следуют из возможностей зрительной системы человека. Её возможности я выберу в качества эталона.

Техническим качеством изображения назову меру соответствия двух изображений снимаемой сцены: первое сформировано зрительной системой здорового человека, второе – с помощью фотоаппарата, – определяемую по совокупности следующих критериев:

1. точность передачи и охват цветов;

2. способность различать цвета в тёмных, близких к чёрному цвету, и светлых, близких к белому цвету, областях снимаемой сцены;

3. плотность и характер распределения тонов, которыми представлена снимаемая сцена;

4. способность передавать детали;

5. уровень цветовых и тоновых искажений.

Приведу несколько пояснений.

Как я отмечал ранее, объектив влияет на техническое качество изображения. В основном, по первому, четвёртому и пятому критериям. Для выделения «зоны ответственности» светочувствительного сенсора, предполагаю в рамках настоящей статьи, что оптическое изображение, сформированное объективом, в достаточной мере удовлетворяет перечисленным критериям. Таким образом, я рассматриваю степень соответствия оптического изображения, сформированного объективом, цифровому изображению, сохранённому в виде файла на карте памяти, по пяти критериям.

Несмотря на то, что все названные критерии измеримы – могут быть оценены по какой-то числовой шкале – эти измерения относительны. Конкретная съёмочная ситуация определяет степень удовлетворения этим критериям. Также, критерии могут быть неравнозначны. Поэтому в разговоре о «высоком» или «низком» техническом качестве, следует уточнять как съёмочную ситуацию, так и то, в чём проявляется его «высота». Приведу пример.

Я снимаю пейзаж, на котором изображён морской закат (цвета переходят между собой «плавно»). Если итоговое изображение предназначено для печати в формате 30х40 см (примерно формат А3), то четвёртый критерий более важен, чем в случае, когда речь идёт об итоговом цифровом изображении с размерами 10х15 см, предназначенном для просмотра на экране компьютерного монитора (например, для портфолио на веб-сайте).

Уровень детализации (четвёртый критерий) для отпечатка в указанном формате должен быть в 2-4 раза больше, чем для отображения на экране современного монитора.

Если добавить к условиям цифровую печать на высококачественном плоттере (например, для корпоративного календаря или на выставку), то в «авангард» помимо четвёртого критерия выходят сразу первый, третий и пятый критерии.

Высококачественное печатающее устройство в руках опытного специалиста может превосходит по точности цветопередачи и цветовому охвату (первый критерий) и плавности тоновых переходов (третий критерий) среднестатистический монитор. Дополнительно, искажения на опечатке большего формата, если они присутствовали на исходном цифровом изображении, могут быть заметнее, чем на отпечатке меньшего формата.

Теперь, когда я обозначил роль светочувствительного сенсора в формировании цифрового изображения и раскрыл понятие «техническое качество изображения», перейду к управлению техническим качеством изображения. Другими словами, я постараюсь ответить на следующий вопрос. Как мне настроить фотоаппарат, чтобы передать с помощью цифрового изображения то, что я вижу глазами и так, как я вижу глазами?

Вначале опишу и проиллюстрирую устройство и принцип работы светочувствительного сенсора на примере наиболее распространённого вида – с массивом цветных фильтров – применяемого в современных фотоаппаратах. Как в зеркальных, так и в беззеркальных и компактных камерах. Затем обзорно затрону менее распространённые технологии.

Далее перейду к характеристикам светочувствительных сенсоров и их связи с критериями технического качества изображения.