Отношение полезного сигнала к шуму. Растёт, когда на пиксель падает больше света (больше площадь, длиннее выдержка, открытее диафрагма) и когда электроника тише.
Матрица и экспозиция
Приёмник изображения: преобразование светового потока в электрический сигнал, параметры матрицы и связь с экспозицией. Жёлтым — в тетрадь.
1. Типы матриц и физический размер
Фотографическая матрица — прибор, преобразующий световой поток в электрический сигнал; аналоговая или цифро-аналоговая интегральная микросхема из фотодиодов.
ПЗС (CCD) — накопленный заряд переносится к общему узлу считывания. КМОП (CMOS) — усиление в пикселе, произвольная выборка. В современных камерах преобладает КМОП. Пять операций сенсора: поглощение фотонов → заряд → накопление → напряжение → передача.
Физический размер — линейные размеры светочувствительной области в миллиметрах (или диагональ / кроп-фактор относительно 24×36 мм). Задаёт площадь пикселя при заданном числе элементов, отношение сигнал/шум и угол поля при той же оптике. В обозначениях 1″, 1/2,3″ «дюйм» условен (≈ 16 мм диагонали на единицу обозначения).
Кроп-фактор: Kf = d24×36 / dфакт (отношение диагоналей); при подобных пропорциях — то же отношение сторон; отношение площадей = Kf².
2. Разрешение и сигнал/шум
Разрешение матрицы — число пикселей (например 6000×4000). Пространственное разрешение снимка на местности — уже GSD, его считают через размер пикселя и масштаб. Больше пикселей на той же площади → меньше пиксель → меньше фотонов на ячейку → раньше шум и дифракция. Это ответ Ф01 «почему 108 Мп не всегда лучше 12».
3. Чувствительность, шум, ISO
Характеристика цифровой камеры: как числовые значения изображения зависят от экспозиции, полученной матрицей. Единицы условно те же, что у плёнки, чтобы пользоваться классическим экспонометром.
В цифре ISO — не «чувствительность кремния», а передаточная функция матрица + усилитель + АЦП. Квантовая эффективность — электроны / упавшие фотоны; порог, когда фототок ещё выше темнового тока. Экспозиционный индекс EI подбирают так, чтобы файл был сопоставим с плёнкой той же ISO при тех же K и t — к кремнию это относится косвенно. Подняли ISO — обычно усилили сигнал (и шум) после матрицы. Шумы: темновой ток, тепловой, структурный, случайный, линейчатый. Высокое ISO на маленькой матрице грязнее: физика площади.
4. Глубина цвета, цветопередача, динамический диапазон, Байер
Глубина цвета — сколько бит на канал. JPEG обычно 8 бит (256 ступеней на канал). RAW часто 12–14 бит: больше запас в светах и тенях, пока не сжали. Цветопередача — насколько отклик каналов соответствует задуманной колориметрии; её ломают фильтры, баланс белого и профили.
Мозаика цветных фильтров над пикселями, типично красный–зелёный–зелёный–синий. Каждый пиксель видит один канал; цвет собирает демозаика в процессоре. Схему и демозаику разбирает Cambridge in Colour: Digital Camera Sensors (фильтр Байера, 1976, Kodak).
Отсюда: цветное разрешение ниже яркостного; зелёных ячеек больше — яркость считают в основном по ним. Альтернативы (Foveon, трёхматричные призмы, многослойные сенсоры) на этой паре достаточно назвать.
Динамический диапазон (фотографическая широта)
Предельный диапазон яркостей без искажений. В цифре часто в экспозиционных ступенях. Света «пробиваются» (клиппинг): насыщение ячейки, дальше рост экспозиции не даёт сигнала. Тени тонут в шуме.
HDR — склейка нескольких экспозиций. Для измерения геометрии серия должна быть с жёсткой камеры: иначе получите красивый JPEG и сломанный стерео.
5. Экспозиция, экспонометр, треугольник
Количество актиничного излучения на приёмнике. Для видимого света H = E · t (освещённость × выдержка), люкс-секунда. Диафрагма крутит E, затвор — t. ISO в классической формуле не стоит: оно говорит, как это H превратить в числа файла. Подробнее — ГОСТ Р 50679-94 (ИСО 2721). Фотография. Камера. Автоматический контроль экспозиции.
Три ручки одной экспозиции: диафрагма, выдержка, ISO. Свет фиксирован — крутите любые две, третья догоняет, чтобы H на приёмнике (с учётом ISO) дал «нормальный» файл. Цена каждой ручки разная: K меняет ГРИП и дифракцию, t — смаз, ISO — шум. Живой разбор — симулятор экспозиции: пресеты «стол» и «улица», режимы PASM.
Экспонометр выдаёт экспопару. Ручной меряет свет, падающий на объект; встроенный — отражённый. Матричный, центровзвешенный (~70% центра), точечный (2–8%) — разные ответы на «что считать средним серым» (18%). Ошибка типична на снегу и в тоннеле: сцена не 18% серого.
Ступень (шаг, EV): удвоили или уполовинили свет. Недодержка — дыры в тенях. Передержка — клиппинг светов, на матрице необратимее, чем на негативе.
6. Режимы съёмки
PASM уже был на Ф01. После затвора и матрицы его можно сказать жёстче:
| Режим | Когда |
|---|---|
| A / Av | нужен ГРИП (фасад, макро, «всё резкое» / «фон в кашу») |
| S / Tv | нужна выдержка (смаз БВС, спорт, проводка) |
| M | серия для фотограмметрии: ничего не должно прыгать между кадрами |
| P | камера сама делит свет между K и t |
Авто-ISO в M — удобная ловушка: выдержка и диафрагма стоят, а шум плавает. Для технической серии фиксируйте все три.
7. Вопросы
- Почему рост мегапикселей на той же матрице бьёт по SNR?
- ISO в цифре — свойство кремния или тракта?
- Зачем в байеровской мозаике два зелёных?
- Что необратимее на КМОП: недодержка теней или клиппинг светов?
- Какие три ручки в треугольнике и чем каждая платит?
- Почему предметное 3D снимают в M без авто-ISO?
Литература
Основная
- CCD vs CMOS
- ГОСТ Р 50679-94 (ИСО 2721). Фотография. Камера. Автоматический контроль экспозиции
- ГОСТ 25205-82. Фотоаппараты и съёмочные фотографические объективы. Термины и определения
Дополнительная
- Редько А. В. Основы фотографических процессов. СПб.: Лань, 1999 — широта, экспозиция
- DxOMark lens and camera sensor testing protocol — SNR, ДД, ISO
- Digital Camera Sensors. Cambridge in Colour — фильтр Байера
- ПЗС-матрицы. Дзен
- Ф01 — кроп, размер сенсора, PASM
- Ф03. Затвор