Как работает цифровая камера

Как работает цифровой фотоаппарат

Для полного контроля над процессом получения цифрового изображения необходимо хотя бы в общих чертах представлять себе устройство и принцип работы цифрового фотоаппарата.

Единственное принципиальное отличие цифровой камеры от плёночной заключается в природе используемого в них светочувствительного материала. Если в плёночной камере это плёнка, то в цифровой – светочувствительная матрица. И как традиционный фотографический процесс неотделим от свойств плёнки, так и цифровой фотопроцесс во многом зависит от того, как матрица преобразует свет, сфокусированный на неё объективом, в цифровой код.

Принцип работы фотоматрицы

Светочувствительная матрица или фотосенсор представляет собой интегральную микросхему (проще говоря, кремниевую пластину), состоящую из мельчайших светочувствительных элементов – фотодиодов.

Матрица фотоаппарата Nikon D4

Существует два основных типа сенсоров: ПЗС (Прибор с Зарядовой Связью, он же CCD – Charge-Coupled Device) и КМОП (Комплементарный Металл-Оксид-Полупроводник, он же CMOS – Complementary Metal-Oxide-Semiconductor). Матрицы обоих типов преобразовывают энергию фотонов в электрический сигнал, который затем подлежит оцифровке, однако если в случае с ПЗС матрицей сигнал, сгенерированный фотодиодами, поступает в процессор камеры в аналоговой форме и лишь затем централизованно оцифровывается, то у КМОП матрицы каждый фотодиод снабжён индивидуальным аналого-цифровым преобразователем (АЦП), и данные поступают в процессор уже в дискретном виде. В целом, различия между КМОП и ПЗС матрицами хоть и принципиальны для инженера, но абсолютно несущественны для фотографа. Для производителей же фотооборудования имеет значение ещё и тот факт, что КМОП матрицы, будучи сложнее и дороже ПЗС матриц в разработке, оказываются при этом выгоднее последних при массовом производстве. Так что будущее, скорее всего, за технологией КМОП в силу чисто экономических причин.

Фотодиоды, из которых состоит любая матрица, обладают способностью преобразовывать энергию светового потока в электрический заряд. Чем больше фотонов улавливает фотодиод, тем больше электронов получается на выходе. Очевидно, что чем больше совокупная площадь всех фотодиодов, тем больше света они могут воспринять и тем выше светочувствительность матрицы.

К сожалению, фотодиоды не могут быть расположены вплотную друг к другу, поскольку тогда на матрице не осталось бы места для сопутствующей фотодиодам электроники (что особенно актуально для КМОП матриц). Восприимчивая к свету поверхность сенсора составляет в среднем 25-50 % от его общей площади. Для уменьшения потерь света каждый фотодиод накрыт микролинзой, превосходящей его по площади и фактически соприкасающейся с микролинзами соседних фотодиодов. Микролинзы собирают падающий на них свет и направляют его внутрь фотодиодов, повышая таким образом светочувствительность сенсора.

Основа любой фотографии – свет. Он проникает в камеру через объектив, линзы которого формируют изображение предмета на светочувствительной матрице. При нажатии на кнопку спуска затвор камеры открывается (как правило, на доли секунды) и происходит экспонирование кадра, т.е. освещение матрицы потоком света заданной интенсивности. В зависимости от желания получить светлый или тёмный снимок, может потребоваться различное количество света, т.е. различная экспозиция.

По завершении экспонирования электрический заряд, сгенерированный каждым фотодиодом, считывается, усиливается и с помощью аналого-цифрового преобразователя превращается в двоичный код заданной разрядности, который затем поступает в процессор фотоаппарата для последующей обработки. Каждому фотодиоду матрицы соответствует (хоть и не всегда) один пиксель будущего изображения.

Разрядность определяет количество оттенков, т.е. градаций яркости для каждого пикселя. Чем выше разрядность, тем более плавные тональные переходы способна запечатлеть камера. Большинство цифровых зеркальных камер способно сохранять 12 или 14 бит информации для каждого пикселя. 12 бит означает 2 12 =4096 оттенков, а 14 бит – 2 14 =16384 оттенка.

Динамический диапазон

Под динамическим диапазоном матрицы подразумевают отношение между максимальным уровнем сигнала фотодиодов и уровнем фонового шума матрицы, т.е., по сути, – отношение между максимальной и минимальной интенсивностью света, которые матрица способна воспринять.

Чем больше фотонов способен уловить фотодиод до того, как он достигнет насыщения, тем большим динамическим диапазоном будет обладать сенсор в целом. Ёмкость фотодиодов пропорциональна их физическому размеру, а потому, при прочих равных условиях, фотоаппарат с бо́льшей матрицей, а значит, и с более крупными фотодиодами, будет обладать большим динамическим диапазоном и меньшим уровнем шума.

Кроме того, бо́льшая матрица обычно означает более высокое максимальное значение чувствительности ISO для конкретной модели фотоаппарата. Ведь повышение ISO в цифровой камере – это всего лишь усиление электрического сигнала непосредственно перед его оцифровкой. Естественно, что вместе с полезным сигналом усиливается и шум, а значит, матрица с большим отношением сигнал/шум обеспечивает более чистую картинку при высоких значениях ISO.

Формирование цветного изображения

Возможно, некоторые из читателей уже заметили, что матрица цифрового фотоаппарата в том виде, в каком она описана выше, способна воспринимать лишь чёрно-белое изображение. Совершенно верно. Фотодиод регистрирует лишь интенсивность освещения (по принципу один фотон – один электрон), но не имеет возможности определить цвет, зависящий от длины световой волны или, иначе говоря, от энергии конкретных фотонов.

Чтобы решить эту проблему, каждый из фотодиодов снабжается светофильтром красного, зелёного или синего цвета. Красный светофильтр пропускает лучи красного цвета, но задерживает синие и зелёные лучи. Аналогичным образом ведут себя зелёный и синий светофильтры, пропуская лучи только своего цвета. В результате каждый фотодиод становится восприимчив лишь к ограниченному спектру световых волн.

Фильтр Байера

Цветные светофильтры, покрывающие фотодиоды, образуют узор или мозаику, называемую массивом цветных фильтров. Существует множество вариантов взаимного расположения светофильтров, но в большинстве цифровых камер используется т.н. фильтр Байера, состоящий на 25 % из красных, на 25 % из синих и на 50 % из зелёных элементов. Вдвое большее количество зелёных светофильтров используется потому, что человеческий глаз обладает повышенной чувствительностью именно к световым лучам зелёного цвета, из-за чего неточность в передаче зелёного канала на фотографии особенно заметна.

Полученное с помощью массива цветных фильтров изображение не является в полной мере цветным, ведь каждый фотодиод сообщает процессору камеры информацию лишь об одном из основных цветов: красном, зелёном или синем. Недостающая цветовая информация для каждого пикселя восстанавливается в процессе дебайеризации. Процессор фотоаппарата анализирует данные из расположенных по соседству элементов и, используя хитроумные алгоритмы интерполяции, рассчитывает значения красного, зелёного и синего цвета для каждого пикселя, получая в конечном итоге полноцветное RGB изображение.

Печально, но платой за цвет является трёхкратное снижение чувствительности матрицы, поскольку, при использовании фильтра Байера, световой поток, достигающий каждого фотодиода, ослабляется светофильтром примерно втрое. Кроме того, страдает резкость изображения. Заявленное производителем разрешение матрицы отражает её, так сказать, чёрно-белое разрешение, в то время как цветное изображение формируется посредством интерполяции соседних пикселей, что несколько размывает картинку.

Также матрицы с массивом цветных фильтров ведут себя из рук вон плохо в условиях монохромного освещения. Например, при свете натриевых ламп низкого давления полноценно работают только красные фотодиоды. Зелёные получают минимум света, а синие и вовсе не воспринимают никакой информации. В результате фотография выходит довольно зернистой даже при умеренных значениях ISO, поскольку изображение приходится восстанавливать почти исключительно на основании красных пикселей, которых на матрице всего 25 %.

Существуют альтернативные подходы к получению цветного изображения вроде трёхматричных систем 3CCD или трёхслойных фотосенсоров Foveon X3, однако и они не лишены недостатков и по распространённости значительно уступают матрицам с фильтром Байера.

Предварительная фильтрация света

Поверх фильтра Байера и микролинз сенсор накрыт дополнительным фильтром, прозрачным для видимого света, но непроницаемым для инфракрасных лучей. Необходимость в ИК фильтре продиктована высокой чувствительностью матрицы не только к видимому, но также и к инфракрасному излучению. ИК фильтр отсекает световые лучи с длиной волны свыше 700 нм и приводит диапазон частот, воспринимаемых фотосенсором, в соответствие с чувствительностью человеческого глаза.

Для съёмки же в инфракрасном диапазоне выпускаются специальные камеры без ИК фильтра.

К ультрафиолетовому излучению (с длиной волны меньше 400 нм) сенсор цифрового фотоаппарата практически не восприимчив, и потому в специальном УФ фильтре не нуждается.

Помимо фильтра, задерживающего инфракрасное излучение, фотосенсор часто снабжается ещё и т.н. оптическим фильтром нижних частот или сглаживающим фильтром, задача которого состоит в лёгком размытии изображения. Дело в том, что если снимаемый объект имеет области с мелкими деталями, размер которых сопоставим с размерами фотодиодов матрицы, то при оцифровке изображения возможно появление неестественно выглядящих артефактов вроде муара. Фильтр нижних частот сглаживает мельчайшие детали изображения, т.е. снижает частоту исходного аналогового сигнала до уровня, не превышающего частоту дискретизации. Это позволяет уменьшить риск возникновения артефактов оцифровки ценой незначительного снижения резкости конечного снимка.

Чем выше разрешение цифрового фотоаппарата, тем меньше необходимость в сглаживающем фильтре, и потому в последнее время всё чаще выпускаются модели без оного. При разрешении матрицы свыше 15-20 мегапикселей аберрации объектива и дифракция на отверстии диафрагмы обеспечивают естественное и неизбежное размытие изображения, что делает намеренное ухудшение резкости с помощью фильтра нижних частот излишним.

Теперь вы знаете, как работает цифровая камера, и обладаете достаточным представлением об определённых технических слабостях цифровой фотографии на настоящем этапе её развития. Само собой разумеется, что сведения эти дополняют, но ни в коем случае не заменяют глубокое и всестороннее понимание экспозиции.

Спасибо за внимание!

Post scriptum

Если статья оказалась для вас полезной и познавательной, вы можете любезно поддержать проект, внеся вклад в его развитие. Если же статья вам не понравилась, но у вас есть мысли о том, как сделать её лучше, ваша критика будет принята с не меньшей благодарностью.

Не забывайте о том, что данная статья является объектом авторского права. Перепечатка и цитирование допустимы при наличии действующей ссылки на первоисточник, причём используемый текст не должен ни коим образом искажаться или модифицироваться.

Как получается фотография

Термин фотография означает рисование светом. Фактически, фотоаппарат фиксирует свет попадающий через объектив, на матрицу и на основе этого света формируется изображение. Механизм того, как на основе света получается изображение — довольно сложен и на эту тему написано много научных трудов. По большому счету, детальное знание данного процесса не столь необходимо.

Как же происходит формирование изображения?

Проходя через объектив, свет попадает на светочувствительный элемент, который его фиксирует. В цифровых камерах этим элементом является матрица. Матрица изначально закрыта от света шторкой (затвор фотоаппарата), которая при нажатии кнопки спуска убирается на определенное время (выдержка), позволяя свету в течении этого времени воздействовать на матрицу.

Результат, то есть сама фотография, напрямую зависит от количества света, попавшего на матрицу.

Фотография — это фиксация света на матрице фотоаппарата

Типы цифровых фотоаппаратов

По большому счету можно выделить 2 основных типа фотокамер.

Зеркальные (DSLR) и без зеркальные. Основная разница между ними в том, что в зеркальном фотоаппарате, через установленное в корпусе зеркало, вы видите в видоискателе изображение непосредственно через объектив.
То есть «что вижу — то снимаю».

В современных без зеркальных для этого используются 2 приема

Видоискатель оптический и расположен в стороне от объектива. При съемке надо делать небольшую поправку на смещение видоискателя относительно объектива. Обычно используется на «мыльницах»
Электронный видоискатель. Самый простой пример — передача изображения прямо на дисплей фотокамеры. Обычно используется на мыльницах, но в зеркальных камерах этот режим часто используется вместе с оптическим и называется Live View.

Вот так выглядит цифровая зеркалка

Как работает фотоаппарат

Рассмотрим работу зеркальной камеры, как наиболее популярного варианта, для тех кто действительно хочет чего то добиться в фотографии.

Зеркальная камера состоит из корпуса (обычно — «тушка»,»боди» — от английского body ) и объектива («стекло», «линза»).

Внутри корпуса цифровой камеры стоит матрица, которая фиксирует изображение.

Обратите внимание на схему выше. Когда вы смотрите в видоискатель, свет проходит через объектив, отражается от зеркала,затем преломляется в призме и попадает в видоискатель. Таким образом вы видите через объектив то, что будете снимать. В момент, когда вы нажимаете спуск, зеркало поднимается, открывается затвор, свет попадает на матрицу и фиксируется. Таким образом получается фотография.

Теперь перейдем к основным терминам.

Пиксель и мегапиксель

Начнем с термина «новой цифровой эры». Он относится скорее к компьютерной области, чем к фото, но тем не менее важен.

Любое цифровое изображение создается из маленьких точек, которые называются пикселями. В цифровой фотографии — количество пикселей на снимке ровняется количеству пикселей на матрице камеры. Собственно матрица и состоит из пикселей.

Если вы многократно увеличите любой цифровой снимок, то заметите что изображение состоит из маленьких квадратиков — это и есть пиксели.

Мегапиксель — это 1 миллион пикселей. Соответственно, чем больше мегапикселей в матрице фотоаппарата, тем из большего числа пикселей состоит изображение.

Если сильно увеличить фото — можно увидеть пиксели

Что дает большое количество пикселей? Все просто. Представьте что вы рисуете картину не штрихами, а ставя точки. Сможете ли вы нарисовать круг, если у вас есть всего 10 точек? Возможно получится это сделать, но скорее всего круг будет «угловатым». Чем больше точек, тем более детальным и точным получится изображение.

Но тут кроется два подвоха, успешно эксплуатируемые маркетологами. Во первых — одних лишь мегапикселей мало для получения качественных снимков, для этого еще нужен качественный объектив. Во вторых — большое количество мегапикселей важно для печати фотографий в большом размере. Например для постера во всю стену. При просмотре снимка на экране монитора, особенно уменьшенного под размер экрана — разницы между 3 или 10 мегапикселями вы не увидите по простой причине.

В экран монитора обычно влезает намного меньше пикселей, чем содержится в вашем снимке. То есть на экране, при сжатии фотографии до размеров экрана и менее, вы теряете бОльшую часть своих «мегапикселей». И 10 мегапиксельный снимок превратится в 1мегапиксельный.

Затвор и выдержка

Затвор — это то, что закрывает матрицу фотоаппарата от света, пока вы не нажали на кнопку спуска.

Выдержка — это то время, на которое открывается затвор и приподнимается зеркало. Чем меньше выдержка — тем меньше света попадет на матрицу. Чем больше время выдержки — тем больше света.

В яркий солнечный день, чтобы на матрицу попало достаточное количество света, вам потребуется очень короткая выдержка — например, всего лишь 1/1000 секунды. Ночью, чтобы получить достаточное количество света, может потребоваться выдержка в несколько секунд и даже минут.

Выдержка определяется в долях секунды или в секундах. Например 1/60сек.

Чем больше выдержка, тем больше света падает на матрицу

Диафрагма

Диафрагма это многолепестковая перегородка находящаяся внутри объектива. Она может быть полностью открыта или закрыта настолько, что остается всего лишь маленькое отверстие для света.

Диафрагма так же служит для ограничения количества света попадающего в итоге на матрицу объектива. То есть выдержка и диафрагма выполняют одну задачу — регулирование потока света попадающего на матрицу. Зачем же использовать именно два элемента?

Строго говоря, диафрагма не является обязательным элементом. Например в дешевых мыльницах и камерах мобильных устройств она отсутствует как класс. Но диафрагма крайне важна для достижения определенных эффектов связанных с глубиной резкости, о которой речь пойдет далее.

Диафрагма обозначается буквой f за которой через дробь стоит число диафрагмы, например, f/2.8. Чем меньше число, тем больше раскрыты лепестки и шире отверстие.

Диафрагма в объективе

Светочувствительность ISO

Грубо говоря это чувствительность матрицы к свету. Чем выше ISO тем матрица восприимчивее к свету. Например, для того чтобы получить хороший снимок при ISO 100 вам потребуется определенное количество света. Но если света мало, вы можете поставить ISO 1600, матрица станет более чувствительной и хорошего результата вам потребуется в несколько раз меньше света.

Казалось бы в чем проблема? Зачем делать разное ISO если можно сделать максимальное? Причин несколько. Во первых — если света очень много. Например, зимой в яркий солнечный день, когда кругом один снег, у нас встанет задача ограничить колоссальное количество света и большое ISO будет только мешать. Во вторых (и это главная причина) — появление «цифрового шума».

Шум это бич цифровой матрицы, который проявляется в появлении «зернистости» на фотографии. Чем выше ISO тем больше шума, тем хуже качество фото.

Поэтому количество шума на высоких ISO один из важнейших показателей качества матрицы и предмет постоянного совершенствования.

Обратите внимание на появление шума при увеличении ISO

В принципе, показатели шума на высоких ISO у современных зеркалок, особенно топового класса находятся на довольно хорошем уровне, но до идеала еще далеко.

Из за технологических особенностей, количество шума зависит от реальных, физических размеров матрицы и размеров пикселей матрицы. Чем меньше матрица и чем больше мегапикселей — тем выше шумы.

Поэтому «кропнутые» матрицы фотокамер мобильных устройств и компактных «мыльниц» всегда будут шуметь намного больше чем у профессиональных зеркалок.

Экспозиция и экспопара

Познакомившись с понятиями — выдержка, диафрагма и чувствительность, перейдем к самому главному.

Экспозиция является ключевым понятием в фотографии. Не понимая что такое экспозиция — вы вряд ли научитесь хорошо фотографировать.

Формально экспозиция — это величина засветки светочувствительного сенсора. Грубо говоря — количество света попавшего на матрицу.

От этого будет зависеть ваш снимок:

Если он получился слишком светлый — то изображение переэкпонированное, на матрицу попало слишком много света и вы «засветили» кадр.
Если снимок слишком темный — изображение недоэкспонированное, нужно чтобы на матрицу попало больше света.
Не слишком светлый, не слишком темный — значит экспозиция выбрана правильно.

Слева направо — переэкпонированный снимок, недоэкспонированный и правильно экспонированный

Экспозиция формируется подбором комбинации выдержки и диафрагмы, которая еще называется «экспопара». Задача фотографа, подобрать комбинацию так, чтобы обеспечить необходимое количество света для создания изображения на матрице.

При этом надо учитывать чувствительность матрицы — чем выше ISO, тем меньше должна быть экспозиция.

Более доступно прочитать про экспозицию вы можете прочитать в статье «Экспозиция в двух словах«.

Точка фокусировки

Точка фокусировки или просто фокус — это та точка, на которую вы «навели резкость». Сфокусировать объектив на предмете, значит таким образом подобрать фокусировку, чтобы этот предмет получился максимально резким.

В современных камерах обычно используется автофокус, сложная система позволяющая автоматически фокусироваться на выбранной точке. Но принцип работы автофокуса зависит от множества параметров, например от освещенности. При плохом освещении автофокус может промахиваться или вообще окажется неспособен выполнить свою задачу. Тогда придется переключиться на ручную фокусировки и надеяться на свой собственный глаз.

Фокусировка по глазам

Точку, на которой будет фокусироваться автофокус — видно в видоискателе. Обычно это маленькая красная точка. Изначально она стоит по центру, но на зеркальных камерах вы можете выбрать другую точку для лучшей компоновки кадра.

Фокусное расстояние

Фокусное расстояние — это одна из характеристик объектива. Формально эта характеристика показывает расстояние от оптического центра объектива до матрицы, где образуется резкое изображение объекта. Фокусное расстояние измеряется в миллиметрах.

Результат при разном фокусном расстоянии и разном расстоянии до объекта

Важнее физическое определение фокусного расстояния, а в чем практический эффект. Тут все просто. Чем больше фокусное расстояние, тем сильнее объектив «приближает» объект. И тем меньше «угол зрения» объектива.

Объективы с небольшим фокусным расстоянием называют широкоугольными («ширики») — они ничего не «приближают» но зато захватывают большой угол зрения.
Объективы с большим фокусным расстоянием — называют длиннофокусными, или телеобъективами («телевик»). называют «фиксами». А если вы можете менять фокусное расстояние, то это «объектив с трансфокатором», а проще говоря — зум объектив.

Процесс зуммирования — это процесс изменения фокусного расстояния объектива.

Светосила

Светосила — это пропускная способность объектива. Другими словами — это максимальное количество света, которое объектив способен пропустить к матрице. Чем больше светосила, тем лучше и тем дороже объектив.

Светосила зависит от трех составляющих — минимально возможной диафрагмы, фокусного расстояния, а так же от качества самой оптики и оптической схемы объектива. Собственно качество оптики и оптическая схема как раз и влияют на цену.

Не будем углубляться в физику. Можно сказать что светосила объектива выражается отношением максимально открытой диафрагмой к фокусному расстоянию. Обычно именно светосилу производители указывают на объективах в виде числа 1:1.2, 1:1.4, 1:1.8, 1:2.8, 1:5.6 и т.п.

Чем больше соотношение, тем больше светосила. Соответственно, в данном случае, самым светосильным будет объектив 1:1.2

Carl Zeiss Planar 50мм f/0.7 — один из самых светосильных объективов в мире

Кроп фактор и полнокадровая матрица

Это понятие пришло в жизнь вместе с цифровой фотографией.

Полнокадровым принято считать физический размер матрицы, равный размеру 35мм кадра на пленке. Ввиду стремления к компактности и стоимости изготовления матрицы, в мобильных устройствах, мыльницах и не профессиональных зеркалках устанавливают «кропированные» матрицы, то есть уменьшенные в размерах относительно полнокадровой.

Исходя из этого, полнокадровая матрица имеет кроп фактор равный 1. Чем больше кроп фактор — тем меньше площадь матрицы относительно полного кадра. Например при кроп факторе 2 — матрица будет в два раза меньше.

Объектив предназначенный для полного кадра, на кропнутой матрице захватит только часть изображения

В чем недостаток кропнутой матрицы? Во первых — чем меньше размер матрицы — тем выше шум. Во вторых 90% объективов, произведенных за десятилетия существования фото, расчитаны на размер полного кадра. Таким образом, объектив «передает» изображение в расчете на полный размер кадра, но маленькая кропнутая матрица воспринимает только часть этого изображения.

Баланс белого

Еще одна характеристика, появившаяся с приходом цифровой фотографии. Баланс белого — это подстройка цветов снимка для получения естественных оттенков. При этом отправной точкой служит чистый белый цвет.

При правильном балансе белого — белый цвет на фото (например бумага) выглядит действительно белым, а не синеватым или желтоватым.

Баланс белого зависит от типа источника света. Для солнца он один, для пасмурной погоды другой, для электрического освещения третий.
Обычно новички снимают на автоматическом балансе белого. Это удобно, так как камера сама выбирает нужное значение.

Изменение тона фотографии в зависимости от баланса белого

Но к сожалению, автоматика далеко не всегда так умна. Поэтому профи часто выставляют баланс белого вручную, используя для этого лист белой бумаги или другой предмет, имеющий белый цвет или максимально близкий к нему оттенок.

Другим способом является коррекция баланса белого на компьютере, уже после того как снимок сделан. Но для этого крайне желательно снимать в RAW

RAW и JPEG

Цифровая фотография это компьютерный файл с набором данных из которых формируется изображение. Самый распространенный формат файла для показа цифровых фотографий — JPEG.

Проблема в том, что JPEG — это так называемый формат сжатия с потерями.

Допустим у нас есть красивое закатное небо, в котором тысяча полутонов самых разных мастей. Если мы попытаемся сохранить все многообразие оттенков, размер файла будет просто огромен.

Поэтому JPEG при сохранении выкидывает «лишние» оттенки. Грубо говоря если в кадре есть синий цвет, чуть более синий и чуть менее синий, то JPEG оставит только один из них. Чем сильнее «сжат» Jpeg — тем меньше его размер, но тем меньше цветов и деталей изображения он передает.

RAW — это «сырой» набор данных зафиксированный матрицей фотоаппарата. Формально эти данные еще не являются изображением. Это исходное сырье для создания изображения. Благодаря тому, что RAW хранит полный набор данных, у фотографа появляется намного больше возможностей для обработки этого изображения, особенно если требуется какая то «коррекция ошибок» допущенных на стадии съемки.

Фактически при съемке в JPEG, происходит следующее, камера передает «сырые данные» микропроцессору фотоаппарата, он обрабатывает их согласно заложенным в него алгоритмам «чтобы получилось красиво», выкидывает все лишнее с его точки зрения и сохраняет данные в JPEG который вы и видите на компьютере как итоговое изображение.

Все бы хорошо, но если вы захотите что то изменить, может оказаться что нужные вам данные процессор уже выкинул как ненужные. Вот тут то и приходит на помощь RAW. Когда вы снимаете в RAW камера просто отдает вам набор данных, а дальше — делайте с ними что хотите.

Об это часто стукаются лбом новички — начитавшись, что RAW дает лучшее качество. RAW не дает лучшего качества сам по себе — он дает намного больше возможностей получить это лучшее качества в процессе обработки фотографии.

Цифровые камеры в эпоху смартфонов: как устроены и зачем нужны

В отличие от старомодных плёночных камер, цифровые запечатлевают окружающий нас мир с использованием цифровых технологий. Сегодня мы познакомимся с ними поближе и узнаем, не вытеснят ли их камеры смартфонов.

Рассказываем о разнице между плёночными и цифровыми камерами и знакомим с устройством последней. Также мы порассуждаем, нужны ли цифровые камеры сейчас, когда есть смартфоны.

В отличие от старомодных плёночных камер, цифровые запечатлевают окружающий нас мир с использованием цифровых технологий. Другими словами, они хранят фотографии не как тёмные и светлые узоры, а как длинные строки чисел. Этот поход имеет много преимуществ: он позволяет фотографировать мгновенно, даёт возможность редактировать фотографии и позволяет нам делиться ими с помощью мобильных телефонов, электронной почты и веб-сайтов.

Как работают плёночные камеры

Если вы обладатель такой камеры, то вы наверняка в курсе, что она бесполезна без одного жизненно необходимого компонента — плёнки. Плёнка представляет собой длинную катушку из гибкого пластика, покрытую специальными химическими веществами на основе соединений серебра, которые чувствительны к свету. Чтобы не дать свету испортить плёнку, её помещают внутрь жёсткого светонепроницаемого пластикового цилиндра, который вы кладёте в камеру.

Нажатие кнопки на плёночной камере запускает механизм, называемый затвором. Он открывает небольшое отверстие (апертуру) в передней части камеры, позволяя свету проникнуть через объектив — толстый кусок стекла или пластика, установленный спереди. Свет вызывает реакции в химических веществах на плёнке, таким образом запечатлевая изображение.

Однако на этом дело не заканчивается. Когда плёнка заполнена, вы должны отвезти её в лабораторию для проявки. Как правило, плёнка помещается в большую автоматизированную машину для проявки. Машина открывает контейнер плёнки, вытаскивает её и окунает в различные химикаты. В результате этого процесса плёнка становится «негативной» и цвета фотографий инвертируются: белое становится чёрным, чёрное — белым, и остальные цвета тоже превращаются в обратные себе. После создания негатива, машина использует их, чтобы сделать готовые версии ваших фотографий.

Если вы хотите сделать только одну или две фотографии, всё это может быть немного неудобно. Приходится делать ненужные фотографии просто для того, чтобы «закончить плёнку». После этого нужно ждать несколько дней, чтобы вашу плёнку проявили и вы получили свои фотографии. Неудивительно, что цифровая фотография стала очень популярной, поскольку она позволяет избежать всех этих проблем.

Как работают цифровые камеры

Цифровые камеры очень похожи на обычные плёночные камеры, но работают они совершенно по-другому. Когда вы нажимаете кнопку, чтобы сделать фотографию цифровой камерой, спереди открывается апертура, и внутрь объектива проникает свет. На этом всё сходство с плёночной камерой заканчивается. Вместо плёнки в цифровой камере есть электронное оборудование, которое захватывает поступающие лучи света и преобразует их в электрические сигналы. Этим оборудованием, как правило, является либо CCD-матрица, либо CMOS-матрица.

Если вы когда-либо смотрели на экран телевизора вблизи, вы могли заметить, что изображение состоит из миллионов крошечных цветных точек или квадратов, называемых пикселями. В LCD-экранах ноутбуков изображения тоже состоят из пикселей, хотя зачастую они слишком малы, чтобы их можно было увидеть. На экране телевизора или компьютера электронное оборудование очень быстро включает и выключает все эти цветные пиксели. Свет с экрана попадает в глаза, обманывает ваш мозг, и вы видите большую движущуюся картинку.

В цифровой камере происходит всё в точности до наоборот. Свет от того, что вы фотографируете, попадает в объектив камеры. Это входящее «изображение» попадает на датчик изображения, который разбивает его на миллионы пикселей. Датчик измеряет цвет и яркость каждого пикселя и сохраняет его как число. Ваша цифровая фотография фактически представляет собой очень длинную строку чисел, описывающую точные характеристики каждого пикселя, из которых она состоит.

Как цифровые камеры используют цифровую технологию

После сохранения изображения в цифровой форме вы можете загрузить сделанные фотографии на компьютер и отредактировать их в программах вроде Photoshop или загрузить на веб-сайты, отправить друзьям и т.д. Всё это возможно благодаря тому, что ваши фотографии хранятся в цифровом формате и всевозможные цифровые гаджеты: MP3-плееры, мобильные телефоны, компьютеры и фотопринтеры — тоже используют цифровую технологию. Это своего рода язык, на котором гаджеты «разговаривают» сегодня.

Вы можете изменить цифровую фотографию с помощью программ вроде Paint. Подобные программы настраивают числа, ответственные за каждый пиксель. Таким образом, если вы решите сделать изображение на 20 процентов ярче, программа по очереди переберёт все числа для каждого пикселя и увеличит их на 20 процентов. Если хотите отзеркалить изображение, программа поменяет последовательность чисел, чтобы они шли в противоположном направлении. На экране вы видите, как меняется изображение при его редактировании. Но то, как программа меняет все числа в фоновом режиме, вы не увидите.

Некоторые из этих методов редактирования изображений встроены в более сложные цифровые камеры. У вас может быть камера с оптическим зумом и цифровым зумом. С оптическим зумом объектив перемещается наружу и внутрь, чтобы сделать входящее изображение больше или меньше, когда оно попадает на CCD-матрицу. С цифровым зумом микрочип внутри камеры меняет входящее изображение без перемещения объектива. Таким образом, как и при приближении к телевизору, изображение ухудшается по качеству. Иными словами, оптический зум увеличивает изображение, сохраняя качество, а с цифровым зумом изображение получается размытым.

А теперь давайте взглянем поближе на устройство обычной цифровой камеры.

Батарейный отсек.
Конденсатор вспышки, который заряжается в течение нескольких секунд, чтобы накопить достаточно энергии для вспышки.
Лампа вспышки.
Светодиод, который позволяет следить за автоспуском, чтобы вам было удобнее делать селфи.
Объектив.
Механизм фокусировки.
Датчик изображения. Вообще, здесь вы его не увидите, так как он расположен под объективом.
USB-разъём.
Слот для SD-карты.
Процессор, который контролирует все функции камеры.
Разъём для крепёжного ремешка.
Крышка, обнажающая всё, что вы тут видите.

Почему цифровые камеры сжимают изображения

Представьте себя на месте CCD или CMOS-матрицы. Посмотрите в окно и попробуйте понять, как вы будете хранить детали того, что видите. Во-первых, вам нужно разделить изображение на сетку квадратов. Поэтому вам придётся нарисовать воображаемую сетку поверх окна. Затем вам нужно будет измерить цвет и яркость каждого пикселя в сетке. Наконец, вам придется записать все эти измерения как цифры. Если бы вы измерили цвет и яркость шести миллионов пикселей и записали всё это в цифровом виде, вы бы получили строку из миллионов цифр — и всё это просто чтобы сохранить одну фотографию! Вот почему высококачественные цифровые изображения часто занимают много места на компьютере. Каждое из них может весить несколько мегабайт.

Чтобы решить эту проблему, цифровые камеры, компьютеры и другие гаджеты используют метод сжатия. Сжатие — это математический трюк, который позволяет уменьшить объём фотографии. Одной из популярных форм сжатия является JPG. JPG известен своими потерями при сжатии, так как при использовании данного метода некоторая информация фотографий теряется и уже не может быть восстановлена. JPG с высоким разрешением потребляет большое количество памяти и выглядит достаточно чётко, а JPG с низким разрешением использует гораздо меньше места, но и выглядит размыто. По такой же логике регулируется разрешение снимков на самой камере. Чем выше разрешение и, соответственно, лучше качество, тем меньше изображений камера может хранить, и наоборот. А ещё изображения с низким разрешением сжимаются сильнее.

Цифровые камеры vs. камеры смартфонов

После всего сказанного, вы понимаете, что цифровые камеры довольно хороши в сравнении с плёночными. Благодаря современным датчикам изображения у вас больше нет причин (кроме ностальгии, разве что) использовать плёнку. Вы могли подумать, что раз цифровые камеры так удобны, то наверняка их продажи зашкаливают. Однако это не совсем так. За последние несколько лет продажи упали в двузначное количество раз на фоне роста популярности смартфонов и планшетов (которые теперь продаются более чем по миллиарду штук в год). Загляните на сайты вроде Flickr и вы увидите, что самые популярные «камеры» на самом деле телефоны: в июне 2017 среди пяти лучших камер Flickr были четыре модели iPhone и один Samsung Galaxy, и все пять из них — смартфоны. Есть ли в таком случае веская причина покупать цифровую камеру, или же можно обойтись телефоном, который может больше?

Датчики и экраны

Ещё лет десять назад телефоны, с их грубыми и неуклюжими камерами, нечего было и сравнивать с даже самыми посредственными компактными цифровыми камерами. В то время как цифровые камеры хвастались всё увеличивающимся количеством мегапикселей, телефоны довольствовались тем, что делали снимки чуть лучше обычной веб-камеры (как правило 1 мегапиксель или меньше). Теперь всё изменилось и смартфоны обгоняют камеры по количеству мегапикселей, что, кажется, подразумевает лучшее качество фотографий.

Однако постойте! «Мегапиксели» — это вводящая в заблуждение маркетинговая уловка: что действительно важно, так это размер и качество самих датчиков изображения. Как правило, чем больше датчик, тем лучше снимки. Возьмём, к примеру, камеру Canon Ixus с 7 Мп и какой-нибудь смарфтон LG с 13 Мп. При сравнении характеристик выясняется, что у Canon размер CCD-матрицы составляет 1/2.5″, в то время как у LG стоит CMOS с размером 1/3.06″. Что на самом деле значат все эти числа? Можно было бы долго объяснять всю запутанную математику, но суть в том, что за счёт большего размера датчика Canon, скорее всего, превзойдёт LG, особенно в условиях низкой освещённости.

Canon также имеет гораздо лучшую телескопическую линзу, которая может справиться со всем — от пейзажей до макросъемки крупным планом. Однако, чтобы оценить фотографии, их нужно загрузить на компьютер, потому что у Canon есть только маленький 2.5-дюймовый экран. В то же время у LG размер экрана составляет 5.5 дюймов. У экрана Canon 2300000 пикселей, а у LG QHD экран с 2560х1440 пикселями, что примерно в 16 больше. Возможно, вам не удастся получить лучшие фотографии с LG, но, по крайней мере, вы сможете сразу же оценить их на большом экране.

Имейте в виду, что это сравнение не самое честное. Камера упомянутого LG — одна из лучших среди смартфонов, в то время как данный Canon и близко не находится в числе лучших цифровых камер. Профессиональная цифровая зеркальная камера будет иметь гораздо больший сенсор, чем смартфон — до 3.6х2.4 см, поэтому он сможет захватывать действительно мелкие детали даже при самом низком уровне освещенности. Он также будет иметь больший и лучший экран и лучшие (заменяемые) линзы.

Так зачем покупать цифровые камеры?

Так как сейчас у многих есть смартфон, встаёт вопрос: а нужна ли тогда цифровая камера? Сложно найти какой-то аргумент для покупки «мыльниц», так как для социальных сетей многие обходятся телефонами.

Если вы хотите делать профессиональные фотографии, то смартфоны и рядом не стояли с «зеркалками». У первоклассной зеркалки более качественный датчик изображения (в 50 раз больше, чем у смартфона) и гораздо лучший объектив, что делает «сырое» изображение из такой камеры на порядок лучше. Добавьте к этому множество неудобных настроек камеры и вы сможете ещё больше. Если вам действительно важно качество фотографий, то мгновенная загрузка на сайты для вас будет не так важна: вы захотите просмотреть свои фотографии на большом мониторе, отредактировать их и поделиться ими только тогда, когда всё будет идеально. И, конечно, ничто не мешает вам носить и смартфон и зеркалку, чтобы взять лучшее от обоих устройств!