Skip to content

Матрица. Эволюция

Публикую с любезного разрешения автора статью из последнего номера Компьютерры #05(721) от 05.02.08.

Денис Степанцов
dh@computerra.ru

«Историографы» до сих пор расходятся во мнениях, что считать первой цифровой камерой. Кто-то ссылается на первую модель Sony Mavica 1981 года, записывающую снимки на дискеты; кто-то ведет отсчет от 1991-го, когда Kodak совместными с Nikon усилиями выпустила профессиональный (!) зеркальный аппарат DSC100; а некоторые вспоминают аж 1975-й, когда Стив Сассон из Kodak сконструировал первый работающий аппарат на CCD-матрице, весивший 3 килограмма и позволявший записывать снимки размером 100х100 пикселей на магнитную кассету.

В любом случае понятно, что пока фотографические сенсоры не стали такими, какими мы привыкли их воспринимать сегодня, прошли долгий и тернистый путь, и, если пытаться отметить каждую вешку на этом пути, времени и журнального места уйдет немало. Посему, да простит меня читатель, мы поскачем некоторым образом галопом по Европам, останавливая взгляд только на чем-то действительно достойном внимания. И еще одна ремарка: с вашего позволения, мелкопиксельные сенсоры «пойнт-энд-шутов» мы из поля зрения уберем; во-первых, мелкие матрицы так или иначе есть производные от больших, а во-вторых, Пляжным Обезьянкам все эти техно-исторические выкладки до одного места: был бы дисплейчик поярче и побольше, да пресетов на все случаи жизни, от «я и башня: оба резко» до «негр ночью ворует уголь».

Если разобраться, вся экстенсивная история развития матриц цифровых фотокамер сводится к борьбе инженеров за увеличение площади и разрешения сенсора, с одновременным снижением шумов на высоких значениях чувствительности. Разумеется, не стоит сбрасывать со счетов и финансовую составляющую — в общем-то, это одна из главных причин, почему «бытовые» сенсоры далеко не сразу доросли до площади обычного кадра 35 мм пленки — 24х36 мм. Но прежде, чем мы начнем наш экскурс в прошлое, давайте вспомним, откуда пошли типоразмеры современных матриц.

Коли вы хоть раз читали спецификацию цифровой компактной камеры, наверняка могли заметить что-то вроде «матрица 1/1,8″». Как и многое в нашей жизни, цифра эта очень странная и ничего толком не обозначает. Это не площадь, не диагональ, — это (вдохните) условный диаметр передающей ТВ-трубки, в которую такая матрица могла бы вписаться. Как говорится в известном анекдоте «понять это нельзя, это надо запомнить», а для определения реальных размеров матриц существует специальная таблица , где, к примеру, видно, что 1/1,8″ — это сенсор 7,176х5,319 мм с диагональю 8,933 мм. А хорошо известный «цифрозеркальщикам» стандарт APS-C — сенсор «1,8″ условных диаметров» (примерно 23,7х15,7 мм).

Вернемся на 17 лет назад и посмотрим на первую цифровую зеркальную камеру — Kodak DSC100. Правда, назвать ее так можно с большой натяжкой — это был пленочный Nikon F3 с модифицированной моторной ручкой MD-4: вместо задней крышки был установлен прообраз современного цифрозадника, KODAK Camera Back с CCD-чипом Kodak M3 imager, способный регистрировать 1,3-мегапиксельную картинку (1280×1024). Существовало две версии чипа: для монохромных и цветных изображений. Аппарат при помощи кабеля соединялся с записывающим модулем — DSU (Digital Storage Unit), габаритами раз в 5-6 превышающими сам аппарат; на DSU можно было записать до 156 снимков без компрессии, и от 400 до 699 снимков с компрессией (при условии, что DSU был оснащен соответствующим блоком). Вы не поверите, но там был даже буфер на целых 8 Мбайт оперативной памяти (DRAM), позволяющей хранить до 6 снимков и фотографировать со скоростью 2,5 к/с! Буфер при желании можно было проапгрейдить до 32 Мбайт; а DSU к тому же оснащался 4-дюймовым дисплеем для просмотра отснятого материала. Что характерно, сенсор размерами примерно соответствовал формату APS-C: чтобы получить изображение, эквивалентное фокусному расстоянию 50 мм, требовался 35-мм объектив (кстати, именно с этого момента в обиход вошло понятие «кроп-фактора»).

Если пропустить модель NASA F4 Electronic Still Camera, сделанной на базе модифицированного Nikon F4 и предназначенного для полета на челноке Discovery в сентябре 1991-го, можно прыгнуть сразу в 1993-й, где цифровая зеркальная камера уже почти обрела привычный вид и габариты. Ею была Kodak Professional DCS 200 — модифицированный пленочник Nikon F801, «приаттаченный» к цифровому блоку внушительных габаритов (представьте себе две камеры, поставленные друг на друга). Существовало целых пять модификаций: цветная с внутренним 80-мегабайтным жестким диском (на 50 снимков), цветная без диска (можно было записать 1 кадр), монохромная с диском, монохромная без диска, и инфракрасная с диском. Сенсор (CCD) размерами 14 x 9,3 мм обеспечивал разрешение 1524 x 1012 пикселя. Весил этот агрегат 1,7 кг.

А дальше пошло. 1994-й — Kodak DCS 410 (сенсор 13,8 x 9,2 мм); 1994-95 — DCS 420 (модификация 410-й модели); 1995-96 — DCS 460, мощный аппарат с сенсором 27,6 x 18,4, выдававшем картинку разрешением аж 3060 x 2036; 1998-99 — DCS-315 и DCS-330 — уже фактически «нормальные» цифрозеркалки, еще смешные, громоздкие и несовершенные, но оснащенные двумя (!) ЖК-дисплеями: основным, для предпросмотра снимков, и вспомогательным, информационным. 315-я модель оснащалась 1,5-мегапиксельным сенсором, а 330-я — трехмегапиксельным (1504 x 2008), снимки записывались в формате TIFF и JPEG (у 330-й — только в TIFF). До выхода Nikon D1, с которой цифровые зеркальные камеры обрели привычный нам вид, оставалось меньше года.

Nikon D1 — статусная камера, начало новой эпохи цифрового фото. Профессиональная зеркалка, оснащенная 2,6-мегапикельным (2000 x 1312) CCD-чипом SONY формата DX (23,7 x 15,5 мм) — отметим, что с этого момента размер DX-сенсора у никоновских камер не менялся. D1 был способен снимать со скоростью 4,5 к/с, «умел» записывать снимки в RAW, TIFF и JPEG, и обеспечивал диапазон чувствительности 200–1600 единиц ISO. Да что говорить, этот аппарат до сих пор можно встретить на интернет-аукционах, где коллекционеры с удовольствием приобретают его как предмет культа (впрочем, им даже нередко продолжают снимать). На момент выхода D1 стоил $55001 — заметьте, вполне доступная цена для профессионала, и даже для богатого любителя.

Правда, для того, чтобы снимать, с большей охотой приобретают следующую модель — D1X. Все-таки вдвое увеличенное разрешение (5 мегапикселей) заметно отличается по качеству. Сенсор этой модели (разумеется, CCD, разумеется, SONY) интересен «вытянутыми» по вертикали пикселями: разрешение по горизонтали было 4028 точек, в то время как по вертикали — всего 1324 (как у D1). Путем интерполяции получалось разрешение 3008 x 1960. Аппарат до сих пор популярен среди энтузиастов, поскольку «толстый пиксель» обеспечивает весьма приличное качество картинки; из известных недостатков этой модели стоит упомянуть лишь цифровой шум в виде т.н. «снега» при ночной съемке.

Из моделей, которые тем или иным образом заслужили статус «исторических», стоит упомянуть еще три. Вопреки расхожему мнению, что Canon первым выпустила аппарат с «полнокадровой» матрицей (равной по площади кадру 135-мм пленки), на самом деле это сделала компания Contax в июле 2000 года. Модель называлась Contax N Digital, была сделана на базе CCD-сенсора Philips размерами 24х36 мм, и выдавала 6-мегапиксельную картинку с разрешением 3040 x 2008. Естественно, стоила она по тем временам весьма неслабо — $7400. Может, из-за высокой цены, а может, по каким-то иным причинам, камера не снискала особой популярности, и стала первой и последней цифровой зеркалкой знаменитой фирмы.

Первым профессиональным цифрозеркалом Canon стала камера EOS-1D (сентябрь 2001) на основе CCD-сенсора (!) размерами 28,7×19,1 — «промежуточный» кроп-фактор 1.3х, еще не 135-мм кадр, но уже и не APS-C. Этот типоразмер матрицы получил название APS-H. Максимальное разрешение снимка 1D было 2464 x 1648 пикселей при скорости 8 к/с!

Напоследок было бы совершенно несправедливо обойти вниманием любительский аппарат Canon EOS 300D (август 2003). В нем не было бы ничего особенно примечательного (6-мегапиксельный CMOS-сенсор с разрешением 3072 x 2048, пластиковая любительская тушка со скоростью съемки 2,5 к/с), если бы не его цена в $899 на момент релиза. В США «трехсотка» получила название «Digital Rebel», что, очевидно, намекало на борьбу с дороговизной цифровых камер. Цена и в самом деле была более чем щадящей, в силу чего (а также по причине отсутствия подобных продуктов у конкурентов) аппарат стал невероятно популярен, и число проданных камер было поистине рекордным. С этого момента качественная цифровая фотография стала действительно доступной всем.

Теперь, когда мы успешно вернулись из прошлого, имеет смысл немного поговорить о технологиях, заложенных в основу цифровых матриц.

CCD или CMOS?

В цифровой фотографии сей вопрос, пожалуй, не менее глубок, чем шекспировское «Быть или не быть?» Не стану углубляться в дебри технических подробностей и рассказывать про структуры этих типов сенсоров (при желании эти сведения легко отыскать в интернете), дам лишь общую информацию. CCD (или ПЗС, если хотите), впервые появился в 1970-м, и два последующих десятилетия решительно преобладал во всех массовых разработках. Он традиционно считается менее шумным, очень эффективным (отношение числа зарегистрированных фотонов к общему числу, попавшему на светочувствительную область матрицы, для CCD составляет 95%), более просто устроен, но — в то же время более дорог в производстве, капризнее в эксплуатации и требует большого количества вспомогательных устройств (проще говоря — имеет сложную обвязку, куда входят зарядовые усилители, сигнальные процессоры, различные регистры и дублирующая саму матрицу структура обычной памяти), в силу чего более прожорлив (потребляет на порядок больше CMOS).

Реально работающий твердотельный датчик изображения, построенный на базе CMOS (по-русски — КМОП) появился лишь в 1993-м. Основные достоинства этой технологии — простота и дешевизна производства, высокое быстродействие, возможность снимать сигнал индивидуально с каждой ячейки, низкое энергопотребление. Плюс на том же кристалле легко реализовать необходимые дополнительные схемы: АЦП, процессор, память, и т.п. Разумеется, недостатков у CMOS тоже предостаточно: высокий уровень шума, требующий сложных алгоритмов шумоподавления, заниженная чувствительность (так называемый fill factor — коэффициент заполнения, представляющий собой отношение площади фоточувствительного элемента ко всей площади пикселя — у CMOS не превышает 75%), усилители, занимающие много полезной площади кристалла, и пр.

Противостояние CCD vs. CMOS до некоторого времени можно было приравнять к знаменитой войне брендов: Nikon vs. Canon. Известно, что Canon с самого начала (с момента выпуска EOS D30 в октябре 2000-го) сделала ставку на CMOS, и по сей день оснащает свои зеркальные камеры сенсорами, сделанными на основе этой технологии. Nikon же очень долгое время оставалась верной CCD, превознося достоинства этого типа сенсора, как источник менее шумной и более качественной картинки. До некоторого времени CCD действительно пребывал в безусловном фаворе (в том числе и в умах потребителей), но время расставило все по местам и сегодня уже нельзя с уверенностью сказать, какая технология окончательно завоюет рынок, а какая — постепенно сойдет со сцены. Если говорить о зеркальных камерах, то здесь, пожалуй, CMOS уже начинает преобладать над CCD, и свою роль в этом процессе сыграла не столько Canon, сколько SONY, как крупнейший производитель сенсоров, к тому же продающий их «на сторону» — в последнее время она, видимо, тоже решила поставить на CMOS. Nikon же первый раз «сломался» только в 2004-м, выпустив профессиональную камеру топ-класса D2X на основе «сониевского» CMOS-датчика; позднее похожей матрицей был оснащен аппарат D2Xs. Вообще интересное явление: почти все производители, плотно сидевшие на CCD, в 2007-08 гг. выпустили хотя бы одну свежую модель на основе CMOS-сенсора: Nikon, SONY, Pentax, Olympus, Panasonic — однако, тенденция…

Один из несокрушимых пока бастионов — компания Fuji, стоящая особняком со своими уникальными сенсорами SuperCCD. Мнения об этой технологии можно встретить самые разные, но даже скептики признают, что камера S5 Pro с матрицей SuperCCD четвертого поколения заметно превосходит по динамическому диапазону профессиональные модели N и С. Правда, она столь же заметно проигрывает оным в детализации, но Москва не сразу строилась, и есть надежда, что компания не станет сидеть, сложа руки. Тем более что хоть Fuji и использует исключительно собственные матрицы, «коробки» для них она патентует у Nikon — старушка S3 Pro — это фактически «Nikon F80 с цифрозадником», а S5 Pro — почти копия Nikon D200; впрочем, это не секрет. «Цимес» матриц Fuji в том, что, во-первых, ячейки имеют не прямоугольную, а ромбовидную форму (точнее — шестигранную), что позволяет эффективнее использовать площадь кристалла; во-вторых — массив SuperCCD-сенсора состоит из двух типов пикселей: S и R. S-пиксели, предназначенные для проработки деталей в тенях, — большого размера и весьма чувствительны к падающему свету; при увеличении освещенности быстро насыщаются и перестают реагировать на дальнейшее увеличение экспозиции. Напротив, R-пиксели — маленькие и низкочувствительные — отвечают за проработку деталей в светах. Казалось бы, вечная проблема «цифры» решена, но, увы, ничего в этой жизни не дается даром. Динамический диапазон в самом деле получился отменный, но за него пришлось расплачиваться низкой производительностью: в режиме Wide dynamic range (а иначе какой смысл покупать такую камеру?) скорость серийной съемки всего 1,6 к/с в JPEG и 1,4 к/с — в RAW (да и 3 к/с в режиме стандартного ДД — не бог весть, какой подарок). Вес RAW-файлов получился тоже очень и очень неслабый — около 25 Мбайт, ну а что касается разрешения, то споры, сколько мегапикселей на самом деле у «фуджи», не утихают до сих пор. В спецификации четко написано: 12,34 млн. эффективных пикселей, но все дело именно в слове эффективных — на деле получается, что хотя в формировании изображения и задействованы все 12 миллионов (6+6), реальное разрешение картинки именно 6 мегапикселей, а в режиме, когда размер записываемой картинки — 4256×2848 (12 мегапикселей) изображение формируется путем интерполяции, что не лучшим образом сказывается на детализации. В общем и целом SuperCCD — задумка отличная, но работы там еще непочатый край: пока у Fuji не получится камера с реальным, а не интерполированным разрешением 12 мегапикселей и скоростью, ну, пусть 5 к/с — она так и будет занимать свою маргинальную нишу.

Кстати, что касается производителя сенсора — есть одна странность, замеченная в горячих форумных обсуждениях новых аппаратов: почему-то очень большой процент пользователей всерьез волнует, кто именно сделал сенсор для той или иной камеры. Хочу заметить, достоверно выяснить это удается не всегда: иногда вендор прямо указывает в технических характеристиках, чей сенсор, иной раз — напротив, тщательно скрывает. Порою сведения подаются с помпой, чтобы заинтересовать потенциальных покупателей, а иногда с прозрачным намеком: мол, вы же понимаете, о ком речь. С Canon все понятно — та делает собственные матрицы для собственных же камер, с SONY в этом плане тоже все прозрачно, но есть еще Nikon и Pentax, а также Olympus и Panasonic, покупающие матрицы на стороне. Только ли покупающие? Еще с момента выпуска модели D1X, Nikon тесно сотрудничает с SONY, при каждом удобном случае подчеркивая, что инженеры компании либо принимали участие в разработке очередного сенсора, либо при разработке SONY учла их пожелания, D2H вообще оснащен эксклюзивной матрицей Nikon JFET LBCAST (кстати, в основе которой лежит технология CMOS), а в последних моделях — D3 и D300 — о тёте Соне вообще ни слова, «сенсор разработан компанией Nikon», а прочее вас не касается. Согласитесь, между разработкой и производством — большая разница, и, как мне кажется, первое намного важнее, даже если эта разработка — совместная. Добавлю, что SONY вовсе не обязана всегда производить сенсоры на собственных производственных мощностях, она вполне себе вправе разместить заказ у той же TSMC, или еще где-нибудь; таким образом, понятие «производитель сенсора» становится весьма расплывчатым. Olympus начинала свою «зеркальную» карьеру при помощи Kodak (знаменитая профессиональная 5-мегапиксельная E1, до сих пор в строю), а после начала сотрудничества с Panasonic «перепрыгнула» на сенсоры этой компании; Pentax достаточно долго довольствовался продукцией SONY, но некоторое время назад умудрился «задружиться» с корейским полупроводниковым гигантом, и, думаю, SONY «Пентаксу» больше не понадобится. Новый аппарат K20D, анонсированный 23 января этого года, согласно пресс-релизу, оснащается оригинальным 14-мегапиксельным CMOS(!)-датчиком принципиально новой конструкции, где инженерам удалось на 60% увеличить полезную площадь пикселя и существенно снизить за счет этого шумы. Производитель этого супер-сенсора деликатно не указывается, но вы же понимаете, о ком речь?

И еще один важный момент: матрица — это не всё, что определяет картинку с камеры. Есть еще процессор, и есть софт, интерпретирующий полученные с матрицы данные. А эти вещи, как вы понимаете, у разных производителей камер — разные. К примеру, в плане софта (как внутреннего, так и внешнего) Nikon всегда был и есть на высоте, оттого картинка с камер Nikon D80 и SONY A100, сделанных на одной и той же матрице, заметно отличается в пользу первой. Скажите, вам всё еще действительно важно, кем сделан сенсор вашей камеры? Мне — нет.

Рынок цифровой фотографии жив не едиными зеркалками, есть еще сектор среднеформатных цифровых камер, где не требуется особенное быстродействие, и нет необходимости задирать чувствительность «выше крыши» — потому CCD там, что называется, «на своем месте». Учитывая, что рынок среднеформатной цифровой техники сравнительно молод, говорить о «победе» той или иной технологии (в глобальном смысле) пока рано.

Что ж, несмотря на расхожее мнение скептиков, что в цифровой фотографии уже давно не происходит ничего технологически революционного, определенные успехи инженеров вполне заметны. Можно сказать, на сегодняшний день технология достигла расцвета: с одной стороны, даже бюджетные современные зеркальные камеры обеспечивают очень хорошее качество картинки и мало в чем ограничивают творческий замысел фотолюбителя. Если взглянуть на сегмент advanced-моделей, — там, по зрелом размышлении, вообще минимум технологических ограничений: даже 1600 ISO в подавляющем большинстве сюжетов полностью рабочее, а при правильном подходе и 3200 ISO может служить неплохим творческим инструментом — например, как средство имитации черно-белой высокочувствительной пленки. О профессиональном сегменте и говорить нечего — узкая пленка здесь давно ушла на задворки истории, и лишь 120-й формат еще остается конкурентоспособным; в основном, по причине дороговизны крупных сенсоров2 . Свежая «полнокадровая» модель D3 от Nikon, недавно вышедшая на рынок, удивляет даже опытных фотографов: чистая картинка вплоть до 1000 ISO, абсолютно рабочие 1600 и 3200 (!) ISO и даже на 6400 ISO вполне можно снимать, когда условия не позволяют установить более низкую чувствительность. В режиме hi2 крайнее значение чувствительности — вдумайтесь! — 25600 ISO, и, хотя это «на самый крайний случай», сама цифра уже говорит о многом. По крайней мере, о том, что есть еще куда двигаться, и то, что мы имеем сегодня, — не предел.


1 Кстати, практически столько же нынче просят за самую «свежую» профессиональную зеркалку Nikon D3.

2На сегодняшний день пока не существует оборудования, способного «отпечатать» за один раз матрицу столь большой площади. Сенсор приходится «клеить» из нескольких кусков, что, разумеется, сильно удорожает процесс.

Комментарии (8):

  1. bonesdmz писал(а):Ответить

    Не увидел статьи у Дэна, поэтому замечу здесь — местами спорно, неполно и не логично. Впрочем, в качестве обзорного материал весьма неплох.

    Среда, Февраль 6, 2008 в 17:42 Ссылка на комментарий
  2. Alick писал(а):Ответить

    У Дена ее нет. Он вроде свои журнальные статьи в ЖЖ не публикует.

    Среда, Февраль 6, 2008 в 17:56 Ссылка на комментарий
  3. bonesdmz писал(а):Ответить

    Жаль, жаль. А то поредактировал бы редактора :)
    Офттоп — у тебя же на вордпрессе сайт? Каким плагином такие комменты делаются, древовидные?

    Среда, Февраль 6, 2008 в 19:25 Ссылка на комментарий
  4. Alick писал(а):Ответить

    Поредактируй. Он тут комменты прочитает.
    Да, на WP. Плагин такой:
    Brian’s Threaded Comments http://meidell.dk/threadedcomments/

    Среда, Февраль 6, 2008 в 19:29 Ссылка на комментарий
  5. xxax писал(а):Ответить

    Прям как урок истории, клёво получилось.

    Воскресенье, Февраль 10, 2008 в 02:55 Ссылка на комментарий
  6. pesec писал(а):Ответить

    либо плёнка формата 135, либо 35-мм, но никак ни 135-мм.

    Воскресенье, Февраль 10, 2008 в 14:58 Ссылка на комментарий
  7. Alick писал(а):Ответить

    Спасибо, исправил.

    Воскресенье, Февраль 10, 2008 в 15:35 Ссылка на комментарий
  8. Мария писал(а):Ответить

    У меня камера Canon EOS 6D. Вопрос: подскажите, пожалуйста, когда производители фотокамер создали брекетинг белого цвета (и кто был первым).

    Пятница, Октябрь 26, 2012 в 23:42 Ссылка на комментарий