Матрица и экспозиция

Ф04 · размер · Байер · ISO · треугольник

Фотографическая матрица

Прибор, преобразующий световой поток в электрический сигнал.

Система в виде аналоговой или цифро-аналоговой интегральной микросхемы, состоящей из светочувствительных элементов — фотодиодов.

Пять операций сенсора

поглотить фотоны
превратить в заряд
накопить
превратить в напряжение
передать дальше

Устройство одного пикселя матрицы

Пример субпикселя ПЗС-матрицы с карманом n-типа. Схема — на примере красного фотодетектора.

фотоны света, прошедшие через объектив фотоаппарата;
микролинза субпикселя;
R — красный светофильтр субпикселя, фрагмент фильтра Байера;
прозрачный электрод из поликристаллического кремния или сплава индия и оксида олова;
оксид кремния;
кремниевый канал n-типа: зона генерации носителей — зона внутреннего фотоэффекта;
зона потенциальной ямы (карман n-типа), где собираются электроны из зоны генерации носителей заряда;
кремниевая подложка p-типа.

Схема субпикселя ПЗС-матрицы с карманом n-типа

Характеристики матрицы

физический размер
разрешение
отношение сигнал/шум
эквивалент ISO
динамический диапазон
технология изготовления (ПЗС, КМОП и др.)

ПЗС-матрица

ПЗС-матрица (CCD, Charge Coupled Device — прибор с зарядовой связью) состоит из светочувствительных фотодиодов, выполнена на основе кремния и использует технологию приборов с зарядовой связью: накопленный заряд переносится к общему узлу считывания.

КМОП-матрица

КМОП-матрица (CMOS, Complementary Metal Oxide Semiconductor — комплементарная структура металл–оксид–полупроводник) выполнена по КМОП-технологии. Каждый пиксель снабжён усилителем считывания; выборка сигнала с выбранного пикселя выполняется произвольно, как в микросхемах памяти.

светочувствительный элемент (фотодиод);
затвор;
конденсатор, сохраняющий заряд с диода;
усилитель;
шина выбора строки;
вертикальная шина, передающая сигнал процессору;
сигнал сброса.

КМОП: преимущества и недостатки

Преимущества

низкое энергопотребление в статическом состоянии;
единство технологии с остальными цифровыми элементами аппаратуры (миниатюризация и снижение стоимости);
считывание выбранных групп пикселей;
возможность повышать чувствительность при слабом освещении и изменять балансировку белого;
меньшая стоимость производства по сравнению с ПЗС-матрицами.

Недостатки

у каждого пикселя своя характеристическая кривая — разброс светочувствительности и коэффициента контраста;
большой объём электронных элементов относительно площади фотодиода создаёт нагрев при считывании и увеличивает тепловой шум.

ПЗС и КМОП: сравнение

	ПЗС	КМОП
Считывание	перенос заряда к общему выходу	усиление в пикселе, произвольная выборка
Энергопотребление	выше	ниже в статике
Шум / однородность	обычно выше однородность	разброс характеристик пикселей
Производство	дороже	дешевле, совмещается с цифровой логикой
Применение сейчас	специализированные системы	большинство фото- и видеокамер

Формирование цветного изображения

Сам сенсель (пиксель) фиксирует только яркость (светлоту) в одном широком спектральном диапазоне и не различает цвета. Конкретные цвета получают, как правило, с помощью светофильтров и линз, пропускающих излучение в заданном диапазоне спектра.

Чувствительность матрицы — квантовая эффективность и порог, при котором фототок превышает темновой ток.

Панхроматическое изображение

Чёрно-белое изображение, полученное с использованием одного спектрального канала, охватывающего весь видимый диапазон электромагнитного спектра (примерно 450–900 нм). Информация о цвете отсутствует; изображение представлено в оттенках серого.

Варианты получения цвета

фильтр Байера;
многокамерные системы (в аэрофотосъёмке);
трёхматричные системы (3CCD);
Foveon;
Pixel Shift (сдвиг матрицы).

3CCD и Foveon

3CCD

Световой поток разделяется призмой на три спектральные составляющие; каждая регистрируется отдельной матрицей. На каждый пиксель приходится полное измерение трёх каналов без мозаичной интерполяции.

Foveon

Трёхслойный сенсор: фотоны разных длин волн поглощаются на разной глубине кремния. Цветовые каналы формируются в одном столбце пикселей без цветной мозаики на поверхности.

Pixel Shift

Серия кадров со сдвигом матрицы на долю пикселя. На каждой позиции под другим цветным фильтром оказывается тот же участок изображения; после совмещения получают более полное цветовое и/или пространственное разрешение без (или с меньшей) интерполяцией мозаики.

Фильтр Байера

Мозаика цветных светофильтров над фотодиодами: 50 % зелёных, 25 % красных, 25 % синих. Полноцветное значение в каждом узле восстанавливается интерполяцией (демозаика).

Демозаика

Оценка недостающих каналов по соседним отсчётам; повышение резкости контуров.

Физический размер матрицы

Линейные размеры светочувствительной области (ширина × высота) в миллиметрах.

Определяет площадь пикселя при заданном числе элементов, отношение сигнал/шум, ГРИП и угол поля при той же оптике. На практике размер указывают по диагонали или через кроп-фактор относительно кадра 24×36 мм.

Аналогия: фотоны — дождь, пиксели — вёдра

Стандартные размеры матриц

Кроп-фактор

K_f = d_24×36 / d_фактотношение диагоналей; d_24×36 ≈ 43,27 мм

При подобных пропорциях кадра то же отношение даёт отношение соответствующих сторон: K_f = a_24×36 / a_факт. Отношение площадей равно квадрату кроп-фактора: S_24×36 / S_факт = K_f².

Оптическое разрешение матрицы

Способность оптического прибора воспроизводить изображение близко расположенных объектов.

Линейное разрешение — минимальное расстояние между различимыми объектами.

На практике матрицу характеризуют:

размером в пикселях по горизонтали и по вертикали;
общим количеством пикселей.

Шумы

Темновой ток — термоэмиссия носителей в потенциальную яму без света
Тепловой шум — флуктуации носителей заряда
Структурный / случайный / линейчатый

Отношение сигнал/шум (SNR) — фототок к темновому. Больше площадь пикселя — выше SNR при той же освещённости.

Чувствительность матрицы и ISO

Квантовая эффективность — отношение числа электронов к числу упавших фотонов. Порог чувствительности — уровень, при котором фототок ещё превышает темновой.

ISO в цифровой камере — передаточная характеристика «матрица + усилитель + АЦП». Верхний предел собственной чувствительности задаёт размер пикселя; дальнейшее повышение ISO — усиление сигнала.

Экспозиционный индекс EI

Числа файла сопоставимы с плёнкой той же ISO при тех же относительном отверстии и выдержке. К параметрам кремния относится косвенно.

Динамический диапазон

Способность воспроизводить различия яркостей с одинаковой степенью контраста. В ступенях экспозиции (EV): от шума в тенях до насыщения ячейки в светах. Глаз ≈ 14 EV, современные камеры примерно 6–15 EV.

Глубина цвета

Число различимых полутонов на канал — разрядность АЦП. 8 бит × 3 = 24 бита ≈ 16,7 млн цветов.

Цветопередача

Две камеры на одну сцену дают разные RGB даже при одном балансе белого. Охват камеры меньше охвата глаза; охват печати — меньше охвата камеры и монитора.

Процессор и АЦП

фокусировка · АЦП · формирование файла и сжатие · запись
дискретизация · квантование · кодирование

Экспозиция

Количество излучения на приёмнике. Для видимого света:

H = E · tосвещённость × выдержка · люкс-секунда

Нормально экспонированное изображение

Согласованное сочетание теней, светов и средних тонов; детали не потеряны из-за насыщения или недодержки. Для измерительных задач дополнительно: наилучшее пространственное разрешение по полю кадра.

1 стоп = ×2 по светуудвоение или уполовинивание H на матрице

Треугольник экспозиции

Экспонометр

Измеряет свет и выдаёт экспопару (выдержка t и относительное отверстие).

ручной — падающий на объект
встроенный — отражённый от объекта

Режимы: матричный · центровзвешенный (~70 % центра) · точечный (2–8 %). Сравнение с 18 %-й серой картой.

Режимы съёмки

Auto · P · A/Av · S/Tv · M · B

Вопросы

Пять операций сенсора?
Почему ISO не тождественна чувствительности кремния?
Зачем в фильтре Байера два зелёных элемента из четырёх?
Чем насыщение (клиппинг) отличается от шума в тенях?
Падающий и отражённый замер — в чём различие?

Конспект · далее: АЦП