Ф04 · Матрица конспект лекции

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».

Соотношение сигнал/шум (SNR)

Отношение полезного сигнала к шуму. Растёт, когда на пиксель падает больше света (больше площадь, длиннее выдержка, открытее диафрагма) и когда электроника тише.

3. Чувствительность, шум, ISO

Светочувствительность 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.

Фильтр Байера

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

Экспозиция

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.

Треугольник 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:

РежимКогда
A / Avнужен ГРИП (фасад, макро, «всё резкое» / «фон в кашу»)
S / Tvнужна выдержка (смаз БВС, спорт, проводка)
Mсерия для фотограмметрии: ничего не должно прыгать между кадрами
Pкамера 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

  1. Почему рост мегапикселей на той же матрице бьёт по SNR?
  2. ISO в цифре — свойство кремния или тракта?
  3. Зачем в байеровской мозаике два зелёных?
  4. Что необратимее на КМОП: недодержка теней или клиппинг светов?
  5. Какие три ручки в треугольнике и чем каждая платит?
  6. Почему предметное 3D снимают в M без авто-ISO?

Литература

Основная

Дополнительная