понеделник, 25 март 2013 г.

Дигиталният фотоапарат I част - Матрица

Тази поредица от статии започвам по две основни причини.
Първата е, че колкото повече се увличам по фотографията, толкова повече виждам необходимостта от детайлно познаване на механизма, елементите на фотоапарата. Какви са функциите и какво е тяхното влияние върху изображението в чисто технически план.
Втората е най – общо казано информираният избор т.е. при избора на фотоапарат е хубаво да имаме пълноценна информация за това, какви са предимствата и недостатъците на един или друг модел, какво да очакваме като действителен резултат и прочее.
Матрица

Цифровият фотоапарат е камера, в която вместо фотографски филм се използва електронен сензор - CCD или CMOS матрица. Оптическата система (обектива) намалява изображението и то се проектира върху матрицата (сензора), като след това се записва върху съответния вид носител на информация. Матрицата се състои от милиони независими един от друг светлочувствителни елементи - пиксели. Пикселът е най-малкия елемент от едно изображение и се използва за описване на възможностите на матрицата и за пресмятания, т.е. ако фотоапаратът може да заснеме изображение с разделителна способност 1280x960 пиксела, това дава общ брой на пиксели от матрицата равен на 1228800. Всеки пиксел преобразува попадналата върху него светлина в електричен заряд. Генерираните от матрицата електрични заряди се насочват към процесора.
Процесорът на фотоапарата генерира от множеството електрични заряди едно цифрово изображение, което се съхранява в електронната памет на фотоапарата. Различните фотоапарати създават и съхраняват изображенията в различен електронен формат - най-често JPEG, а по-новите и по-скъпи модели и в RАW.
 Матрицата е полупроводников елемент, изграден от светлочувствителни микроелементи. Поради несъвършенства на самата технология на производство на матриците, практически е невъзможно да се направи матрица със 100% работещи клетки. Разликата между общия и „работния” брой пиксели е около 5%. В някои матрици се използват микроскопични лещи, които служат за фокусиране и насочване на ф отоните към точно определен участък от пикселния елемент. След това фотоните се поглъщат и формират свободни токоносители във фотодиода, който е разроложен под микролупата в светлочувствителната област. Тази светлочувствителна област запазва електрическия заряд на принципа на кондензатора. За да може матрицата да съхрани следващия заснет образ тя периодично се инициализира (изчиства) с честота няколко десетки пъте в секунда.
Производителите на матрици използват и различни конструкции от филтри, пропускащи светлина с определена дължина на вълната (т.е. определен цвят). Най-често използваната при това технология е Bayer Pattern, която се характеризира с това, че зелените филтри са двойно повече от червените и сините. Освен това, червените, зелени и сини филтри са шахматно разположени, така че няма два едноцветни филтъра един до друг, което намалява вероятността от появата на цветови дефекти и взаимното влияние на съседни пиксели.
 CCD матрица
CCD (Charge-Coupled Device) матрицата се състои от фотодетектори, чиито брой е определящ за разделителната способност на изображението. Тя се определя пряко от броя на чувствителните елементи, изграждащи CCD матрицата и следователно е от първостепенно значение за качеството на изображението. Оптическата система фокусира изображението, така то се проектира върху CCD сензора и след това се записва върху съответния носител на информация.
Пикселът е най-малкия елемент от едно изображение и е най-удобно да се използва за описване на възможностите на матрицата и за пресмятания, т.е. ако фотоапаратът може да заснеме изображение с разделителна способност 1280x960 пиксела, това дава общ брой на пиксели от матрицата равен на 1 228 800. Повечето цифрови апарати от нисък и среден клас съдържат една CCD матрица. Съвременните цифрови фотоапарати от по-висок клас използват по три отделни сензора за RGB-съставките на входящия сигнал.
Най-разпространените CCD матрици, използвани в компактните фотоапарати от любителския клас са с размер на диагонала съответно 1/2.7", 1/2.5", 1/1.8" и 2/3". Потребителят трябва да се интересува какъв е размерът на матрицата при покупка на цифров фотоапарат. При съвременните CCD чипове 1/2.5" е добър размер за 3-4 Mpx, 1/1.8" за 5-6 Mpx, а 2/3" за 7-8 Mpx.
Предимства на CCD матриците:
1. Ниско ниво на шума.   
2. Висок коефициент на запълване на пикселите (около 100%).   
3. Висока ефективност (отношението между броя на регистрираните фотони към общия им брой, попадащи върху светочуствителната област на матрицата, около 95%).   
4. Висок динамичен диапазон.
Недостатъци на CCD матриците:
1. Сложният принцип на преобразуване на сигнала, оттам и технологията.   
2. Високо ниво на енергопотреблене (до 2-5 Вт).   
3. По-скъпо производство.
 CMOS матрица
CMOS (Complementary Metal-Oxide Semi-conductor) матрица - някои модели все още използват CMOS сензори. CMOS матриците притежават по-високи нива на шума и по-ниска чувствителност, в резултат от което се получават снимки с по-ниско качество. За сметка на това CMOS сензорите са по-евтини и използват значително по-малко енергия при работата си, което увеличава живота на батериите.  
CMOS сензор със задно осветяване  - технологията е въведена с увеличаване количеството светлина, получавана от всеки пиксел, с цел подобряване чувствителността и намаляване шума в изображението. В известна степен се търси компенсиране на недостатъците, причинявани от физически малкия размер на матриците.
Предимства на CMOS матриците:
1. Високо бързодействие (до 500 кадъра/сек).  
2. Ниско потребление на енергия (почти в 100 пъти в сравнение с CCD).  
3. По евтино и просто производство.  
4. Перспективност на технологията (на същия кристал напълно безплатно могат да се реализират всички необходими допълнителни схеми: аналогово-цифровият преобразувател (АЦП) и електронният затвор, процесорът, схемите за баланса на белия цвят и компресията на изображението).
CMOS (Complementary Metal-Oxide Semi-conductor) матрица - някои модели все още използват CMOS сензори. CMOS матриците притежават по-високи нива на шума и по-ниска чувствителност, в резултат от което се получават снимки с по-ниско качество. За сметка на това CMOS сензорите са по-евтини и използват значително по-малко енергия при работата си, което увеличава живота на батериите.
Недостатъци на CMOS матриците:
1. Нисък коефициент на запълване на пикселите, което намалява чуствителността (ефективната повърхност на пиксела е ~75%, останалото е заето от транзистори).   
2. Високо ниво на шума (обусловен от факта, че и в отсъствие на светлина през фотодиода протича значителен ток), борбата с който усложнява и оскъпява технологията.   
3. Невисок динамичен диапазон.
Live MOS матрици
Live MOS сензорът е търговска марка на сензорите за изображения, използвани от производителите Leica, Panasonic и Olympus, за Four Thirds System DSLR фотоапаратите, произведени от 2006 г. насам.
Този вид сензори са може би най изследвани и разработвани от Panasonic. Те твърдят, че сензорът може да постигне същото качество на изображението, като CCD сензорите, при запазване на консумацията на енергия до нивата на CMOS матриците. Поради ниска консумация на енергия, стана възможно да се добави функция Live View за всички Four Thirds камери след  2006 г. насам (с изключение на Olympus E-400, Е-410 и E-500). Също така, за да се намали проблема за шума в първото поколение DSLR камери, Olympus E-1, Е-300, Е-400 и E-500), които използват FFT CCD сензори, (поради по-малкия сензорен размер в сравнение с APS-C размера), матрицата Live MOS включва напълно нова технология за намаляване на шума.
Този сензор се използва също и в Panasonic Micro Four Thirds System камера, Lumix GH1, и в Panasonic DMC-GF1 и DMC-GF2. LCD дисплеите харчат много от заряда на батериите и затова почти всички DSLR фотоапарати, които имат Live View функция са със CMOS сензори. Изключение са Fujifilm, Olympus и Leica (последните използват Live MOS сензор, който изисква по-малко енергия). Общо взето CMOS и Live MOS сензорите започнаха бавно да изместват CCD в последно време дори и при DSLR фотоапаратите.
Физически размер на матрицата
Физическият размер е реалната площ, върху която са разположени пикселите. Реалната площ и броят пиксели побрани на тази площ има пряко отношение към качеството на проектиращото се върху матрицата изображение.
В таблицата можете да видите различни типове матрици и техните физически размери в милиметри.
Тип сензор
/матрица/
Диагонал в
мм.
Ширина в
мм.
Височина в
мм.
Обща площ
кв. мм.
Стоп
площ
Кроп 
фактор
1/10 "
 1.60
 1.28
 0.96
 1.23
 -9.51
 27.04
1/8 "
 2.00
 1.60
 1.20
 1.92
 -8.81
 21.65
 1/6 "
 3.00
 2.40
 1.80
 4.32
 -7.64
 14.14
 1/4 "
 4.00
 3.20
 2.40
 7.68
 -6.81
 10.81
 1/3.6 "
 5.00
 4.00
 3.00
 12.0
 -6.16
 8.65
 1/3.2 "
 5.68
 4.54
 3.42
 15.50
 -5.80
 7.61
 1/3 "
 6.00
 4.80
 3.60
 17.30
 -5.64
 7.21
 1/2.7 "
 6.72
 5.37
 4.04
 21.70
 -5.31
 6.44
 1/2.5 "
 7.18
 5.76
 4.29
 24.70
 -5.12
 6.02
 1/2.3 "
 7.66
 6.17
 4.55
 28.50
 -4.92
 5.64
 1/2 "
 8.00
 6.40
 4.80
 30.70
 -4.81
 5.41
 1/1.8 "
 8.93
 7.18
 5.32
 38.20
 -4.50
 4.84
 1/1.7 "
 9.50
 7.60
 5.70
 43.30
 -4.32
 4.55
 1/1.6 "
 10.07
 8.08
 6.01
 48.56
 -4.15
 4.30
 2/3 "
 11.00
 8.80
 6.60
 58.10
 -3.89
 3.93
1/1.2 "
 13.33
 10.67
 8.00
 85.33
 -3.34
 3.24
 Super 16 милиметър
 14.54
 12.52
 7.41
 92.80
 -3.22
 2.97
 1 "
 16.00
 12.80
 9.60
 123
 -2.81
 2.70
 4/3 "
 21.60
 17.30
 13
 225
 -1.94
 2.00
 1.5 "
 23.36
 18.70
 14.00
 262
 -1.78
 1.85
Общи APS-C
28.2-28.4
 23.6 23.7
 15.60
 368-370
 -1.23
 1.52-1.54
 APS-H
 33.50
 27.90
 18.60
 519
 -0.73
 1.29
35 мм филмов кадър.
43.2-43.3
 36
 23.9-24.3
 860-864
 0
 1.0


Как всъщност размерът на матрицата влияе на проектиращото се върху и изображение?
Матрицата и броят пиксели
При компактните фотоапарати производителите търсят ниска цена и малък размер на тялото, следователно себестойността на произвеждания продукт също трябва да е ниска за да се постигне добра печалба. Съвсем естествено размерът на тялото и ниската цена са две предпоставки определящи размерите на матрица, обектив, дисплей и т.н. Онова, с което производителите се стремят да привлекат вниманието на потребителите към своите компактни модели е броят на мегапикселите. Освен, че цифри като 10, 12, 16 мегапиксели звучат внушително в ушите на потребителите, навеждат и на мисълта, че качеството и размерът на отпечатаните снимки ще бъде по – високо и по – добро. Ако за полу- професионалните и професионални фотоапарати, ползващи матрици с размери близки или еднакви с този на пълноформатен филм ( 36 -24 mm ) големият брой пиксели е в полза за качеството на изображението, то за компактните това се оказва на практика недостатък.

Изображения на различни по размер матрици.
     

Схема на брой и размер пиксели на единица площ.

Увеличавайки броят на пикселите се намалява техният размер. Това намалява и количеството светлина, която поглъща всеки един пиксел. Нагъсто подредените пиксели изтъняват слоя изолация помежду им и се появява възможност на зарядите да пробият изолацията, усилвайки цифровия шум в изображението. Намаленото количество светлина, обусловено от по – малките размери на пикселите по – отделно трябва да бъде най – просто казано компенсирано, което се извършва чрез усилване на сигнала по технологичен път. Усилването на сигнала пропорционално увеличава и шума в изображението.
                                            Малък размер пиксел в малка матрица

                                             Голям размер пиксел в голяма матрица
Снимката показва съотношението брой пиксели : физически размер на матрица
В левият край на снимката е по – малък брой пиксели спрямо матрицата.
В средата се вижда достатъчен брой пиксели спрямо размер на матрицата.
В десният край се вижда по – голям брой пиксели спрямо матрица.
Примери за оптимални съотношения брой пиксели : физически размер на матрица са :
1/2.5" размер на матрица - 3-4 Mpx,
 1/1.8" размер на матрица - 5-6 Mpx,
 2/3"  размер на матрица -  7-8 Mpx.


Информация и снимки : Уикипедия, macropic.net, 6mpixel.org, cambridgeincolour.com
Следва продължение…
Rate this posting:
{[['']]}

Няма коментари :

Публикуване на коментар

Две димящи дула

Canon EOS 450 D

kit - Canon EF-S 18 -55mm f/3.5-5.6 IS

Canon EF 80 - 200 1:4.5-5.6 II

CPL -polarizing filter, FLD filter , UV filter, CS-cross screen filter x 6, ND filter с регулираща се плътност, IR filter

KONIG TRAVELLER TRIPOD - KN-TRIPOD 19

Member
Widget By: NBT
Member
Widget By: NBT
Member
Widget By: NBT
Member
Widget By: NBT
Member
Widget By: NBT
Member
Widget By: NBT
Member
Widget By: NBT
Follow Me
Follow Me
Enjoy

E-Mail Will Be Delivered By FeedBurner.
Мозъчни донори
“Лайка, шмайка. Апаратът няма никакво значение. Всичките могат да запечатат това, което виждаш. Номерът е да видиш!” - Ернст Хаас
×