Характеристики светочувствительного сенсора

К характеристикам светочувствительного сенсора я отнесу: размеры и связанный с ними формат, разрешение, динамический диапазон, точность аналогово-цифрового преобразования, диапазон значений чувствительности. Большинство характеристик связаны друг с другом.

Начну с динамического диапазона.

Снова рассмотрю сенсель-«корзину». Её функционирование обладает следующей особенностью. Если интенсивность освещения большая, то в «корзину» попадёт много фотонов. Настолько много, что их точное количество перестанет иметь значение. Другими словами, 20 000 и 21 000 фотонов будут порождать одинаковое – максимальное – напряжение на электродах, например, равное 20 000 микровольт.

Такой же эффект происходит в случае, когда интенсивность освещения снимаемой сцены мала. Например, если в «корзину» попадёт меньше 3-ёх фотонов, то напряжение на её электродах будет отсутствовать, другими словами, будет равно 0 микровольтам (см. рис. 7).

Таким образом, у каждого сенселя существуют некоторые верхний и нижний пороги «чувствительности». Так как сенсели одинаковы, то их пороги «чувствительности» примерно равны. Разница между верхним и нижним порогами «чувствительности» обусловливает динамический диапазон сенсора.

Динамический (тоновый) диапазон светочувствительного сенсора – это разница между самой тёмной и самой светлой областями снимаемой сцены, различимыми сенсором. Другими словами, если какая-либо тёмная область снимаемой сцены (например, тени) запечатлевается на цифровом изображении в цвете (отличном от чёрного цвета), то рассматриваемая область «попадает» по освещённости в динамический диапазон сенсора. Утверждение относительно светлой области снимаемой сцены аналогично.

Динамический диапазон светочувствительного сенсора обусловливает второй критерий технического качества. Чем шире динамический диапазон, тем визуально ближе может быть итоговое цифровое изображение к тому, как видит снимаемую сцену человек.

Динамический диапазон измеряют в EV. Например, сенсоры, установленные на фотоаппаратах Nikon D3100 и Nikon D700, обладают тоновыми диапазонами порядка 10-11EV и 12 EV, соответственно. У сенсоров, используемых в камерах Nikon D4, Canon 5D Mark III динамические диапазоны равны порядка 14 EV. Сравните эти показатели с возможностями зрительной системы человека (19-20 EV).

Однако, ширина динамического диапазона часто менее важна, чем 1) его доля, «достающаяся» светлым или тёмным областям снимаемой сцены, относительно среднего значения освещённости, 2) характер распределения, плотность, тонов и 3) сохранение его ширины с ростом или снижением чувствительности сенсора. О чувствительности сенсора к свету я расскажу позже, а сейчас заострю внимание на первом пункте.

У сенселей некоторых сенсоров нижний порог «чувствительности» к фотонам ниже, чем у сенселей других сенсоров. Другими словами, сенсели некоторых сенсоров могут различать детали в таких тёмных областях снимаемой сцены, в которых сенсели других сенсоров «видят» чёрный цвет. При этом, и у первой, и у второй группы сенсоров ширина динамического диапазона может быть одного порядка. Если последнее утверждение верно, то сенсоры, которые воспринимают глубокие тени, менее чувствительны к бликам. Соответственно, в съёмке с фотоаппаратом, в котором установлены рассматриваемые сенсоры, следует аккуратно относиться к переэкспозиции. Скорее, желательно недоэкспонировать кадр на 1/3 – 2/3 EV, а на этапе обработки корректировать экспозицию в «плюс». К таким зеркальным фотоаппаратам я отнесу модели K-3 и K-5 производителя Pentax.

Теперь подробнее рассмотрю второй пункт.

Способ распределения тонов у всех светочувствительных сенсоров одинаков. Он обусловливает третий критерий технического качества изображения. Вы когда-либо видели, обращали внимание, на контурные линии на переходах от светлых областей некоторых изображений к тёмным?

Тоном назову величину электрического заряда, соответствующую уровню светлоты одной или нескольких областей снимаемой сцены. Тона можно пронумеровать. Так как в аналогово-цифровом преобразовании используются числовые последовательности длиной, обычно, равной 12-ти или 14-ти битам, то множество тонов – конечно. То есть любой тон может иметь номер от 0 до 4096 (16 384 для 14-ти битной последовательности). Далее, для удобства, будут рассматривать 14-ти битное аналогово-цифровое преобразование.

Тону с номером 0 соответствует минимальное напряжение на электродах сенселя, нижний порог «чувствительности» отдельного сенселя. Тону с номером 16384 соответствует максимальное напряжение, верхний порог «чувствительности». Тона с малыми номерами характеризуют тёмные области снимаемой сцены, тона с большими номерами – светлые области.

Уровни светлоты, как ширину динамического диапазона, можно измерять в EV. Например, если в рассматриваемой снимаемой сцене светлота одной области в два раза больше светлоты другой области, то говорят, что уровни светлоты исследуемых областей отличаются на 1 EV. Таким образом, снимаемая сцена обладает тоновым диапазоном. Он может как превышать возможности зрительной системы человека (соответственно, возможности цифрового фотоаппарата), так и «укладываться» в динамический диапазон светочувствительного сенсора (соответственно, динамического диапазона зрительной системы человека). Примером последнего случая может быть следующая съёмочная ситуация. Сцена не содержит зеркально отражающих поверхностей или кипельно белых объектов и освещена солнечным светом при высокой облачности.

Распределение тонов снимаемой сцены непрерывно. Другими словами, между любыми двумя соседними тонами (первый светлее второго) всегда найдётся третий, промежуточный, тон, который будет темнее первого и светлее второго. Зрительная система человека воспринимает тона непрерывно. Поэтому мы, люди, вряд ли увидим небосклон, синева которого ступенчато переходила бы от тёмно-голубого цвета к светло-голубому. Я называю это «плавностью цветового градиента». Зрительная система человека воспринимает цветовые градиенты плавными.

Светочувствительный сенсор же воспринимает снимаемую сцену дискретно. Другими словами, тона, которые фиксирует сенсор, во-первых, ограничены динамическим диапазоном и их число конечно (16 384 тона), во-вторых, распределяются неравномерно. Поясню вторую особенность.

Рассмотрим два уровня светлоты снимаемой сцены, соответствующих светлой её области. Первый уровень будет соответствовать тону с номером 16384. Фотоны, которые отразятся от объектов снимаемой сцены, соответствующих указанному уровню светлоты, будут генерировать на электродах сенселей максимальное напряжение. Второй уровень светлоты пусть будет в два раза меньше, чем первый. Другими словами, разница между первым и вторым уровнями светлоты равна 1 EV.

В снимаемой сцене между первым и вторым уровнями светлоты существует бесконечное множество промежуточных уровней. Но сенсор может зафиксировать 8192 из них. Таким образом, половина всех доступных тонов использовалась для фиксирования небольшого отрезка – части всего тонового диапазона снимаемой сцены – длиной равной 1 EV.

Из оставшихся 8192 тонов половина (4096 тонов) придётся на следующий отрезок длиной равной 1 EV. И так далее.

В итоге, самым тёмным областям снимаемой сцены, которые способен «увидеть» светочувствительный сенсор, может соответствовать всего 4, 8, 16, 32, 64 тона. Таким образом, цветовые градиенты в тёмных областях итогового изображения запечатлеются значительно менее плавными, чем градиенты в светлых областях. Значительно – более, чем в 100 раз.

Причина «неравномерности» заключается в линейности восприятия светового потока светочувствительным сенсором: 100-ам фотонам соответствуют 100-о микровольт, 20 000 фотонов соответствует 20 000 микровольт.

Зрительная система человека воспринимает свет нелинейно: сильное воздействие светового потока на клетки сетчатки уменьшается, а слабое воздействие усиливается. Если «перевести» это на язык фотонов-микровольт, то 100-ам фотонам соответствуют 100 микровольт, 200-ам фотонам соответствует 250 микровольт, а не 200, как это происходит в сенселе. На другом конце динамического диапазона: 20 000 фотонов соответствуют 20 000 микровольт, 19 000 фотонов соответствуют 18 500 микровольт.

Отмечу, как особенность восприятия светового потока сенсором связана с практикой.

Рис. 11. Фрагмент фотографии, отражающий эффект постеризации. Затемнение фиолетового цвета от нижнего правого угла к верхнему левому углу происходит не плавно, а «ступенчато». Площадь фрагмента равна 10% площади снимка.

Если я недоэкспонировал фотографию, то многочисленные тёмные области изображения будут представлены малым количеством тонов. Когда я захочу его осветлить на этапе обработки, может проявиться эффект постеризации: переходы между близкими цветами будут выглядеть не плавными, а «ступенчатыми». Такое изображение снимаемой сцены мало похоже на то, как видит человек глазами.

На рис. 11 продемонстрирован для наглядности достаточно экстремальный случай. Дискретность градиентов может не бросаться в глаза, но у наблюдателя всё равно может появиться ощущение, что изображение «цифровое». Чаще всего, эффект постеризации является результатом неверно выбранной экспозиции и неосознанной обработки снимка.

Подведу промежуточные итоги. Чем шире динамический диапазон сенсора, тем более тёмные и более светлые области снимаемой сцены сенсор может запечатлеть. Динамический диапазон обусловливает второй критерий технического качества. Чем шире диапазон, тем более реалистичнее выглядит изображение снимаемой сцены. Характер распределения тонов на изображении отличается конечной плотностью и неравномерностью. Чем выше точность аналогово-цифрового преобразования, тем больше тонов может зафиксировать сенсор (для 1-ти битного преобразования – 4096 тонов, для 14-ти битного – 16 384 тона). Точность аналогово-цифрового преобразования обусловливает первый и третий критерии технического качества изображения. Бо´льшая часть из всего числа тонов приходится на светлые участки снимка. Поэтому лёгкая переэкспозиция приветствуется (на 1/3 – 1 EV). Недоэкспозиция с последующим осветлением изображения на этапе обработки может привести к видимому эффекту постеризации или, как минимум, к ухудшению технического качества изображения по третьему критерию.

Сделаю ещё одно замечание. Чем точнее Вы подбираете экспозицию на этапе съёмки, тем более качественное итоговое изображение Вы получаете. Опытный фотограф «попадает» в экспозицию так, что её не нужно корректировать на этапе обработки. Поэтому фотографии без дополнительных усилий и временных затрат получаются априори максимального технического качества, которое способен «выдать» светочувствительный сенсор.

Таким образом, если искусственно сузить тоновый диапазон снимаемой сцены и подобрать корректную экспозицию, снимая даже с фотоаппаратами начального уровня, Вы можете получить снимки высокого качества. Помимо предложенной выше теоретической базы, это утверждение подтверждается моей практикой, практикой моих учеников и коллег. Представьте, какими будут Ваши результаты, если, овладев мастерски управлением освещением и экспозицией, Вы возьмёте в руки фотоаппарат высшего класса.

Наконец, рассмотрю третий пункт.

Динамический диапазон – характеристика непостоянная. Его ширина зависит от интенсивности светового потока. Если фотонов изначально мало, то сенселю может быть сложно «посчитать» точно, сколько фотонов он «собрал». Однако, энергия фотонов, превращённая сенселем в электрическую энергию может быть усилена. То есть сенсель может различать потоки из 10-ти и 20-ти фотонов, соответственно, «присваивая» им различное напряжение, а не одинаковое – минимальное – как я показывал в примере в начале описания особенностей динамического диапазона. Другими словами, можно управлять «чувствительностью» сенселей и, соответственно, чувствительностью сенсора к свету. Чем выше чувствительность сенсора, тем меньше может быть интенсивность светового потока, преобразуемого сенсором в цифровое изображение. Однако, усиление электрических зарядов приводит к сужению динамического диапазона. Чем выше чувствительность сенсора к свету, тем уже его динамический диапазон.

Аналогичный процесс имеет место в зрительной системе человека. В сумерках мы различаем предметы, но разница между самыми тёмными и самыми светлыми областями наблюдаемой сцены значительно меньше (другими словами, контраст мал), чем если бы наблюдаемая сцена освещалась в достаточной степени.

На практике эту особенность следует применять так. Старайтесь фотографировать с таким значением чувствительности сенсора, при котором ширина динамического диапазона максимальна. Часто, это минимальное значение чувствительности.

О чувствительности сенсора к свету я подробнее расскажу далее. В завершение описания динамического диапазона покажу, что происходит, когда тоновый диапазон снимаемой сцены превышает динамический диапазон светочувствительного сенсора, и что в такой ситуации можно предпринять.

На практике любому фотографу приходится учитывать, что тоновый диапазон снимаемой сцены в большинстве съёмочных ситуаций шире динамического диапазона сенсора. Как это отражается на итоговом изображении? В виде появления цветовых и тоновых искажений (пятый критерий технического качества).

В областях фотографии, вышедших за пределы динамического диапазона сенсора, цвет равен либо «абсолютно» белому, либо «абсолютно» чёрному.

Первый случай называется «пересветом», второй – «завалом». На грамотно созданном изображении (с технической точки зрения) «пересветы» и «завалы» нежелательны. Потому что в природе Вы едва ли встретите абсолютно белый или абсолютно чёрный цвета. Другими словами, любая тень и любой блик обладают цветом. Но, как зрительная система человека, так и светочувствительный сенсор не могут различить яркий блик и глубокую тень, когда освещение слишком интенсивное или недостаточно интенсивное, соответственно. Подробнее о «пересветах» и «завалах» и контроле за ними я расскажу в восьмой части «основ».

Тоновый диапазон снимаемой сцены шире динамического диапазона сенсора. Что делать? Существуют четыре пути. 1) Осознанно снимать, как есть, 2) сузить тоновый диапазон снимаемой сцены, 3) расширить динамический диапазон сенсора, 4) снимать «экспозиционной вилкой» (брекетинг экспозиции), с целью создать цифровое изображение с широким тоновым диапазоном (на англ. High Dynamic Range – HDR). Подробнее о том, как реализовать первый, второй и четвёртый пути я расскажу в восьмой части. Здесь же остановлюсь на расширении динамического диапазона.

В большинстве современных цифровых фотоаппаратов реализована функция расширения динамического диапазона (например, в фотоаппаратах Nikon она называется Active D-Lighting, в фотоаппаратах Canon – Highlight Tone Priority, в фотоаппаратах Sony – Dynamic Range Optimization и т.д.). В некоторых моделях камер степень расширения можно регулировать. Функция хорошо справляется со своей задачей, позволяя улучшать техническое качество изображения по второму критерию. Однако, вспомните, сколько уровней светлоты может зафиксировать сенсор?

Когда динамический диапазон шире, то все тона распределяются по более длинному промежутку. В итоге градиенты изображаются менее плавными: техническое качество по третьему критерию понижается. Выбор за Вами. Если Вы хотите достичь максимальной плавности цветовых градиентов в бликах и тенях, то фотографируйте в естественном для сенсора динамическом диапазоне. Если Вы хотите запечатлеть детали в светах и тенях любой ценой – используйте указанную функцию.

Отмечу также, что RAW-файл содержит больше информации о тонах снимаемой сцены, чем файл, получаемый в результате прохождения через «конвейер». Примерно на 33 – 48%. То есть, почти в полтора раза.

Теперь расскажу о чувствительности сенсора, диапазоне значений чувствительности и связи этой характеристики сенсора с пятым критерием технического качества изображения.

Чувствительность сенсора к свету – это способность сенсора усиливать электрические заряды, которые возникают в каждом сенселе в результате накопления ими фотонов. Чувствительность обусловливает возможность съёмки в условиях с малой интенсивностью освещения. Измеряется в единицах, принятых Международной организации по стандартизации (от англ. International Organization for Standardization – ISO) и описанных в документе ISO 12232:2006. Вы можете выбирать значение чувствительности (число ISO) и, тем самым, влиять на экспозицию.

С экспозицией чувствительность связана следующей закономерностью. Увеличение чувствительности в два раза, увеличивает экспозицию в два раза. Например, разница между экспозицией снимка, сфотографированного со значением чувствительности равным 160 ISO, и снимка, сфотографированного со значением чувствительности равным 320 ISO, составляет 1 EV.

Усилением электрических зарядов «занимаются» специальные компоненты сенсора. Каждый усилитель может быть встроен в сенсель или находиться за его пределами. В первом случае усилитель «обслуживает» один сенсель, во втором – несколько сенселей (например, целую строку или столбец).

При усилении неизбежно происходят ошибки. В итоге учтённое в числовой таблице напряжение на электродах сенселя может не соответствовать количеству «собранных» фотонов. Например, в сенсель попало 50-ть фотонов. Усилитель, настроенный на двукратное усиление, увеличил напряжение на электродах до 110-ти микровольт вместо 100-а микровольт. Погрешность составила 10-ть микровольт.

Погрешности усиления являются, в частности, причиной цифрового шума. На фотографии они проявляется россыпью точек, различных по светлоте и цвету основному «мотиву» изображения (см. рис. 12). Проявление цифрового шума может быть более заметным в тёмных, чем в светлых участках снимка.

Рис. 12. Проявление цифрового шума. Плавные тоновые переходы «испещрены» точками, цвет которых немного отличается от цвета переходов. Масштаб равен 75%, размер фрагмента равен примерно 10% площади исходного снимка. Слева – экспозиция, установленная во время съёмки; справа – коррекция экспозиция в «плюс» на 1 EV на этапе обработки.

Цифровой шум всегда присутствует на изображении. Чем сильнее усиление, тем больше погрешности. Другими словами, чем выше значение чувствительности, тем выше уровень цифрового шума и тем сильнее последний может проявиться на фотографии.

Чтобы цифровой шум менее проявлялся на итоговом изображении, производители фотоаппаратов разрабатывают специальные программные алгоритмы, встраиваемые в «конвейер». Подобные алгоритмы реализованы в самостоятельные программы, с помощью которых можно уменьшить проявление цифрового шума на этапе обработки, и в программах, интерпретирующих RAW-файлы. В отличие от «конвейерных», встроенных в фотоаппарат, алгоритмов, отдельные программы позволяют получить более качественный результат, но требуют от пользователя знаний и навыков.

Побочным эффектом от применения алгоритмов, «скрывающих» проявление цифрового шума, являются уменьшение чёткости изображения (детали «размываются»), уменьшение насыщенности цветов и их изменение, дискретизация цветовых и тоновых переходов. По сути, одни искажения итогового изображения заменяют другие. На рис. 13 представлен результат применения подобных алгоритмов.

Рис. 13. Применение алгоритмов, «скрывающих» проявление цифрового шума. Слева – фрагменты исходных изображений, справа – те же фрагменты после «сглаживания» с максимальными значениями параметров (алгоритм реализован в RAW-интерпретаторе). Отдельные волоски-детали превратились в единую пластичную массу, но «следы» цифрового шума не видны.

Таким образом, чувствительность сенсора обусловливает пятый критерий технического качества. Как Вы можете, управляя чувствительностью, получить наилучшие по качеству результаты?

Значение чувствительности можно выбирать из некоторого диапазона, индивидуального для каждой модели фотоаппарата. Например, от 50 ISO до 25 600 ISO. Изменение значения чувствительности, обычно, можно осуществлять с шагом равным шагу изменения значения диафрагмы и выдержки – 1/3 EV – что удобно для точного управления экспозицией.

Чем меньшее значение чувствительности Вы выбираете, тем меньше уровень цифрового шума. Однако, ширина динамического диапазона зависит от чувствительности сенсора немного «сложнее». Максимальная ширина динамического диапазона достигается либо при одном значении чувствительности, назову его базовым, либо на небольшом отрезке. Последний случай характерен для фотоаппаратов высшего класса, предназначенных для профессиональной деятельности (например, камеры Canon 1D Mark IV или Nikon D4). Для таких фотоаппаратов максимальная ширина естественного динамического диапазона может сохраняться на отрезке 100 – 1600 ISO. Это удобно для съёмки с естественным освещением, так как его интенсивность непостоянна.

Обычно, базовое значение чувствительности равно 100 ISO. В некоторых моделях фотоаппаратов оно равно 200 ISO. При значении чувствительности меньшем или большем базового значения ширина динамического диапазона уменьшается.

Чем «медленнее» сужается динамический диапазон с ростом значения чувствительности, тем «дольше» сохраняется техническое качество изображения в некоторых приемлемых рамках. Для цифровых зеркальных фотоаппаратов начального уровня характерно лавинообразное сужение динамического диапазона при повышении чувствительности.

Подобным образом «ведёт себя» уровень цифрового шума. На некотором отрезке из всего диапазона значений чувствительности, цифровой шум проявляется в относительно низкой, приемлемой мере. Начиная с какого-то значения происходит лавинообразное увеличение уровня цифрового шума. Фотоаппараты высшего класса отличаются большей «стабильностью», в отличие от камер начального уровня.

Отмечу, что уровни цифрового шума на различных сенсорах при одном и том же значении чувствительности, например, равном 100 ISO, могут отличаться. Минимальный уровень шума для конкретной модели фотоаппарата определяется рядом факторов, например: размерами сенсора, его разрешением, расположением сенселей относительно друг друга, типом сенсора (ПЗС или КМОП-микросхема). Некоторые тенденции-закономерности я подробнее рассмотрю далее.

Резюмирую. Чувствительность сенсора связана с экспозицией. Чем выше чувствительность, тем при меньшей интенсивности освещения можно вести съёмку. Это удобно, когда требуется сохранить атмосферу снимаемой сцены, созданную тусклым освещением. Чувствительность измеряется в единицах ISO. Чем меньше значение чувствительности, тем меньше уровень цифрового шума. Чем меньше уровень цифрового шума, тем меньше цветовых и тоновых искажений содержит итоговое изображение (пятый критерий технического качества). Алгоритмы, «скрывающие» проявление цифрового шума на снимке, относительно эффективны. Максимальная ширина динамического диапазона достигается при базовом, малом, значении чувствительности. Часто, пределы изменения чувствительности менее важны, чем стабильно широкий динамический диапазон и стабильно низкий уровень цифрового шума при различных значениях чувствительности. Чем больше «отрезок стабильности», тем более удобным является фотоаппарат для использования в различных съёмочных ситуациях.

К сожалению, точные закономерности уровня цифрового шума и ширины динамического диапазона от значения чувствительности сенсора производители фотоаппаратов не указывают. Представление об этих закономерностях Вы можете составить, основываясь либо на собственном опыте (например, его можно приобрести, если воспользоваться услугами компаний, сдающих фотооборудование в аренду), либо на результатах искусственных тестов, опубликованных на специализированных Интернет-ресурсах.

Размеры и разрешение светочувствительного сенсора – группа характеристик, которую я рассмотрю далее. Здесь же проведу обзор форматов сенсоров и сделаю замечание относительно применения объективов с фотоаппаратами, отличающимися форматом установленных в них сенсоров.