Главная » Статьи » Для начинающих

CCD-матрица
В основной массе цифровых фотокамер используются так называемые CCD-матрицы (Charge Coupled Device - прибор с зарядовой связью (ПЗС)). В качестве чувствительных ячеек в таких матрицах используются конденсаторы, которые накапливают заряд пропорционально продолжительности и интенсивности падающего на них света. CCD-технология была изобретена в октябре 1969 года инженерами Джорджем Смитом (George Smith) и Уиллардом Бойлем (Willard Boyle), которые работали в Bell labs. Сейчас эта технология широко используется не только в цифровой фотографии, но и в сканерах, факсах и других устройствах.

CCD-матрица - это кремниевый чип, покрытый множеством маленьких электродов, которые называются фотосайтами (Photosites). Фотосайты выстроены в виде решетки, и каждый из них соответствует одному пикселю на полученном снимке. Таким образом, можно сказать, что количество фотосайтов соответствует разрешению изображения - изображение будет состоять из стольких пикселей, сколько фотосайтов содержит матрица.

Перед съемкой все фотосайты заряжаются электронами. Когда свет попадает на фотосайт, электроны собираются на нем в количестве, пропорциональном количеству и интенсивности упавшего света, таким образом каждый фотосайт набирает некоторый отрицательный заряд, пропорциональный интенсивности света. После засветки матрицы остается только измерить заряд каждого фотосайта и перекодировать его в некую цифру, в соответствии с глубиной цвета, предусмотренной для этой матрицы. Обычно используется глубина цвета в 8 бит. Заряд кодируется цифрами от 0 до 255.

Название CCD-матрицы возникло от способа, которым камера считывает заряды с отдельных фотосайтов. Дело в том, что заряды считываются только с одного ряда фотосайтов, а ряды связаны друг с другом. После считывания ряда заряд удаляется с него, затем на него переходят заряды следующего ряда, и так – пока не будут считаны все ряды. После этого вся матрица перезаряжается и готова к съемке следующего изображения.

Как говорилось ранее, фотосайты не различают цветов. Они воспринимают только интенсивность света. Чтобы получить цветное изображение, используют цветовые фильтры (маски) для матрицы. Самой распространенной является схема, основанная на шаблоне Байера (рисунок ниже). Этот шаблон состоит из 4 фильтров - двух зеленых, одного красного и одного синего. Глаз человека воспринимает зеленый цвет лучше, чем остальные, поэтому изображение, насыщенное зеленым, субъективно воспринимается более натуральным. Из-за своей структуры схема Байера иногда называется GRGB (зеленый-красный-зеленый-синий).

схема Байера


Фотосайты, находящиеся под маской, воспринимают интенсивность света одного определенного цвета. Конечная картинка получается с помощью интеллектуальной интерполяции соседних фотосайтов в изображении, получившемся на матрице. Процесс интерполяции называется демозаикой. Алгоритм демозаики у каждого производителя свой и очень сильно влияет на качество получаемого изображения. Простая квадратичная интерполяция анализирует все фотосайты, соседние с рассматриваемым. Она используется в основной массе CCD-матриц. Фирма «Hewlett-Packard» использует аналогичный метод, но в данном случае анализируются области размером 9x9 пикселей. А фирма «Canon», используя квадратичную демозаику, взяла другую схему цветовых фильтров. Вместо GRGB-схемы она использует CYGM-схему (голубой, желтый, зеленый, пурпурный).

Размер матрицы небольшой. В компактных недорогих камерах используются матрицы размером 1/1.27", т.е. с диагональю всего около 10 мм. В более качественных камерах размер матрицы - 1/1.8", а в полупрофессиональных моделях размер еще больше - 2/3". Чем больше геометрический размер матрицы (измеряемый в мм, а не в мегапикселях), тем выше разрешение, чувствительность, точнее цветопередача изображения и, главное, меньше шумы, вносимые матрицей в изображение.

По количеству светочувствительных ячеек матрицы называют 3-, 5-, 7- и т.д. мегапиксельными, т.е. матрица имеет 3, 5, 7 млн. ячеек (пикселей) соответственно. Не все фотосайты (пиксели), которые есть в матрице, используются ею для формирования изображения. Некоторые пиксели не попадают в область, засвечиваемую объективом. Некоторые используются для определения баланса черного. Поэтому разрешение камеры надо определять не по максимальному количеству пикселей матрицы, а по эффективному разрешению. Для его определения узнайте максимальное разрешение снимка, который может сделать данная камера. Например, 2048x1536. Перемножьте эти цифры - и вы получите эффективное количество пикселей - 3,1 млн.

Надо помнить, что маленькая матрица с большим количеством пикселей дает большие шумы при светочувствительности свыше ISO 400. Поэтому оценивать фотоаппарат надо не по максимальному значению количества ячеек (мегапикселям), а по шумам, вносимым матрицей при каком-то конкретном значении светочувствительности. У маленьких матриц с большим количеством мегапикселей есть еще один враг - дифракция света. Свет имеет волновую природу, и строгие точки геометрической оптики размываются в пятнышки при низком качестве оптической системы. В результате для матриц размером 1/1,8" и 2/3" разрешение больше 5 мегапикселей теряет весь смысл, так как требует очень точной и мощной оптики.

Описанная выше система формирования цветного изображения использует одну матрицу для всех трех каналов цветов. Естественно, такой подход приводит к потере качества изображения. Фотосайт, замаскированный красным фильтром, не воспринимает информацию о синем и зеленом каналах. Замаскированный синим, не воспринимает зеленый и красный и т.п. Чтобы повысить качество были придуманы другие способы получения цветного изображения с помощью CCD-матрицы. Примером может служить технология «тройной съемки» (Three-shot). При этом методе делается три последовательных засветки матрицы с разными цветовыми фильтрами. Таким образом получается информация по каждому из цветовых каналов, которая потом собирается вместе. В этом методе исключена демозаика, что повышает качество снимка. Но тройное последовательное сканирование занимает достаточно много времени, что позволяет использовать этот метод только в студийных условиях. Ведь свет должен иметь одинаковую интенсивность, а объект - быть неподвижным во время тройного сканирования.

Другая технология - линейная сканирующая система - использует только один ряд сенсоров, который трижды сканирует объект с разными фильтрами. Один ряд сенсоров позволяет сильно увеличить разрешение матрицы без заметного увеличения цены. Но недостаток тот же, что и у предыдущей системы – время тройного сканирования достаточно велико.

Трилинейная сканирующая система аналогична предыдущей, но использует три ряда сенсоров, имеющих свои фильтры. Такая система делает только один проход при сканировании, что дает высокую скорость. Но она дороже линейной.

И, наконец, система с несколькими матрицами. Эта система использует призмы для разделения цветов исходного изображения, а затем каждый цвет воспринимается отдельной CCD-матрицей. Скоростная и высококачественная система. Главный недостаток - наличие трех матриц резко увеличивает стоимость камеры.
Категория: Для начинающих | Добавил: MiG29_vmvp (11.11.2010)
Просмотров: 6825 | Рейтинг: 0.0/0
Всего комментариев: 0
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]