что такое разрешение матрицы фотоаппарата

Фотоаппарат

сайт про фототехнику

Матрица фотоаппарата

от Photo

Матрица фотокамеры служит для преобразования попадающего на нее с объектива светового потока в электрические сигналы, которые затем камера и преобразует в снимок. Делается это при помощи фотодатчиков, расположенных на матрице в большом количестве.Что такое матрица фотоаппарата — это микросхема, состоящая из фотодатчиков, которые реагируют на свет.

Структура самой матрицы является дискретной, то есть состоящей из миллионов элементов (фотоэлементов), преобразующих свет.Поэтому в характеристиках фотоаппарата как раз и указывается количество элементов матрицы, которое мы знаем как мегапиксели (Мп). 1 Мп = 1 миллиону элементов.

Именно от самой матрицы и зависит количество мегапикселей фотоаппарата, которое может принимать значение от 0.3 (для дешевых телефонных фотоаппаратов) до 10 и больше мегапикселей у современных фотоаппаратов. Например, 0,3 Мп это в переводе уже 300 тысяч фотоэлементов на поверхности матрицы.Характеристиками матрицы можно считать такие параметры:

Сама матрица фотоаппарата формирует черно белое изображение, поэтому для получения цветного изображения, элементы матрицы могут покрывать светофильтрами (красный, зеленый, синий). И если сохранять фотографию в формате JPEG и TIFF, то цвета пикселей фотоаппарат вычисляет сам, а при использовании формата RAW пиксели будут окрашены в один из трех цветов, что позволит обработать такой снимок на компьютере без потери качества.

Физический размер

Еще одной характеристикой матрицы является размер. Обычно размер указывается как дробь в дюймах. Чем больше размер, тем меньше шума будет на фотографии и больше света регистрируется, а значит, больше оттенков получится.Размер матрицы очень важный параметр всего фотоаппарата.

Чувствительность и шумы

В фототехнике применительно к матрицам используется термин «эквивалентная» чувствительность. Происходит это потому, что настоящую чувствительность измеряют различными способами в зависимости от назначения матрицы, а применяя усиление сигнала и цифровую обработку, можно сильно изменить чувствительность в больших пределах.

Светочувствительность любого фотоматериала показывает способность этого материала преобразовывать электромагнитное воздействие света в электрический сигнал. То есть, сколько нужно света, что бы получить нормальный уровень электрического сигнала на выходе.

Чувствительность матрицы (ISO) влияет на съемки в темных местах. Чем больше чувствительность можно выставить в настройках, тем лучше будет качество снимков в темноте при нужных диафрагме и выдержке. Значение ISO может быть от нескольких десятков до нескольких десятков тысяч. Недостатком большой светочувствительности может быть проявление шума на фотографии в виде зернистости. Так же чувствительность участвует в настройке экспозиции.

Размер и количество пикселей

Размер матрицы и ее разрядность в мегапикселях связаны между собой такой зависимостью: чем меньше размер, тем должно быть и меньше мегапикселей. Иначе из-за близкого размещения фотоэлементов возникает эффект дифракции и может получиться эффект замыливания на фотографиях, то есть пропадет четкость на снимке.

Еще размер матрицы и ее разрешение определяют размер пикселя и соответственно динамический диапазон, который показывает возможность фотокамеры отличить самые темные оттенки от самых светлых и передать их на снимке.

Так же чем больше размер пикселя, тем больше отношение сигнал-шум ведь больший по размерам пиксель может собрать больше света и увеличивается уровень сигнала. Поэтому при одинаковом размере матрицы меньшее количество мегапикселей может быть даже полезнее для качества фотографии.

Чем больше физический размер пикселя (англ. pixel — picture element), тем больше он сможет собрать падающего на него света и тем больше будет соотношение сигнал-шум при заданной чувствительности. Можно и по-другому сказать: при заданном соотношении сигнал-шум будет выше чувствительность. Это означает, что можно увеличивать значение чувствительности при настройке экспозиции без боязни получить шумы на фотографии. Разумеется шумы появятся, только значение ISO, при котором это произойдет, будет разным для разных фотокамер. Поэтому зеркалки со своими большими матрицами по этим показателям сильно опережают компакты.

Размер пикселя зависит от физического размера матрицы и её разрешения. Размер пикселя влияет на фотографическую широту.

Разрешение

Разрешение матрицы зависит от количества используемых пикселей для формирования изображения. Объектив формирует поток света, а матрица разделяет его на пиксели. Но оптика объектива также имеет свое разрешение. И если разрешение объектива не достаточное, и он передает две светящиеся точки с разделением черной точкой как одну светящуюся, то точного разрешения фотоаппарата, которое зависит от значения Мп, можно и не заметить. Поэтому результирующее разрешение фотокамеры зависит и от разрешения матрицы и от разрешения объектива, измеряемое в количестве линий на миллиметр.

И максимальным это разрешение будет, когда разрешение объектива соответствует разрешению матрицы. Разрешение цифровых матриц зависит от размера пикселя, который может быть от 0,002 мм до 0,008 мм (2-8 мкм). Сегодня количество мегапикселей на фотосенсоре может дистигать значения 30 Мп.

Отношение сторон матрицы

В современных фотоаппаратах применяются матрицы с форматами 4:3, 3:2, 16:9. В любительских цифровых фотоаппаратах обычно используется формат 4:3. В зеркальных цифровых фотоаппаратах обычно применяют матрицы формата 3:2, если специально не оговорено применение формата 4:3. Формат 16:9 редко используется.

Тип матрицы

Раньше в основном использовались фотосенсоры на основе ПЗС (прибор зарядовой связи, по-английски CCD — Charge-Coupled Device). Эти матрицы состоят из светочувствительных светодиодов и используют технологию приборов с зарядовой связью (ПЗС). Успешно применяется и в наше время.

Но в 1993 году была реализована технология Activ Pixel Sensors. Её развитие привело к внедрению в 2008 году КМОП-матрицы (комплиментарный металл-оксид-полупроводник, по-английски CMOS — Complementary-symmetry/Metal-Oxide Semiconductor). При этой технологии возможна выборка отдельных пикселей, как в обычной памяти, а каждый пиксель снабжен усилителем. Так же матрицы на этой технологии могут иметь и автоматическую систему настройки времени экспонирования для каждого пикселя. Это позволяет увеличить фотографическую широту.

Фирма Panasonic создала свою матрицу Live-MOS-матрицу. Она работает на МОП технологии. Применяя такую матрицу можно получить живое изображение без перегрева и увеличения шумов.

Источник

Матрица фотоаппарата

При выборе фотоаппарата нужно учитывать множество нюансов, обращать внимание на каждую деталь. И далеко не последнюю роль в процессе выбора играют именно характеристики матрицы, которой оснащена камера. Что же представляет собой эта самая матрица и почему она так важна? Давайте это выясним!

Общее представление о матрице фотоаппарата

Если вы посмотрите в объектив камеры, вы легко найдете матрицу: видите блестящий прямоугольник в самом центре объектива? Да, это она и есть.

Матрица является важнейшим элементом фотокамеры, отвечающим за то, какое изображение мы получим в результате съемки.

По сути она представляет собой микросхему, которая состоит из светочувствительных элементов. Когда на нее падает свет, начинается формирование электрического сигнала определенного уровня интенсивности, который зависит от степени яркости света. При съемке она фиксирует свет, который впоследствии преобразуется в фотографию.

Кстати, количество мегапикселей, которое имеет фотокамера, также зависит именно от матрицы и может колебаться от 0.3 до 10 и более (чем дороже и качественнее фотоаппарат, тем больше мегапикселей он имеет).

Изначально матрица создает монохромное (ч.б) изображение. В цветное оно преобразуется благодаря светофильтрам, которыми покрываются ее составные части.

Особенности строения матрицы

Что касается структуры матрицы, то она является дискретной и складывается из множества частей, в совокупности преобразующих падающий на нее свет. Один фотодиод в составе создает один пиксель фотографии.

Как вы наверняка знаете, каждое цифровое изображение представляет собой что-то вроде мозаики, состоящей из множества точек, которые в совокупности и являются фотографией. Изображение не «распадается» именно потому, что этих точек очень много и они имеют высокую плотность расположения относительно друг друга. Вполне логично предположить, что если бы плотность их расположения была ниже, мы бы увидели, как изображение распадается на эти самые точки, и это было бы наглядной демонстрацией дискретного характера структуры матрицы.

Матрица как альтернатива пленки

В те времена, когда цифровой фототехники еще не существовало, светочувствительным элементов, выполняющим функции матрицы, была пленка. Если проанализировать устройство пленочных и цифровых фотоаппаратов, можно увидеть, что существенных отличий между ними не так уж много. Основным отличием как раз и будет схема приема и преобразования света.

Как именно происходит процесс приема света в фотокамере с пленкой? В тот момент, когда фотограф нажимает кнопку спуска, затвор открывается, в результате чего пленка принимает свет. До того, как затвор вновь закрывается, идет химическая реакция, а ее итогом является формирование фотографии.

Характеристики матрицы

Необходимо понимать, что матрицы бывают совершенно разными по качественным показателям. В этом вопросе важным сигналом будет цена: в том или ином ценовом сегменте матрицы имеют определенный уровень качества. Будьте готовы к тому, что бюджетные варианты фотоаппарата вряд ли будут обладать высококачественной матрицей. Поскольку матрицу можно смело назвать сердцем камеры, не стоит экономить при выборе. Вы ведь хотите, чтобы ваши снимки были на высоте? Тогда остановите свой выбор на фотоаппарате, оснащенном качественной матрицей.

По каким параметрам следует выбирать матрицу?

Учтите, что именно размер матрицы является ее главной характеристикой. При выборе на него нужно обратить особое внимание.

Что же обеспечивает размер матрицы и почему он является таким важным параметром?

Итак, размер матрицы диктует:

Больший размер матрицы обеспечивает:

Глубина цвета является показателем, который определяет возможность камеры идентифицировать любые метаморфозы цвета, даже самые незначительные. Это особенно ценно для фотографий однотонных пейзажей, не имеющих резких цветовых переходов. Большая матрица способна уловить даже самый незначительный цветовой переход, в то время как маленькая не имеет такой возможности.

Единственный недостаток, с которым придется смириться при выборе большой матрицы, это размер самой камеры. Чем больше матрица, тем больше размер камеры. Строго говоря, это вряд ли можно считать серьезным недостатком, учитывая широкий спектр преимуществ, которые дает матрица большого размера.

Виды матрицы

Он определяет способ работы матрицы.

На этом основании матрицы делят на 2 технологии:

Если говорить о качестве фотографий, то плюсом CCD-технологии были более приятные глазу цвета, а CMOS-технология выгодно отличалась гораздо меньшим уровнем шума.

В наше время подавляющее большинство камер оснащено матрицей CMOS.

Чувствительность матрицы

Она является очень важным параметром. Чем большую чувствительность установить, тем больше возможность зафиксировать на фотографии плохо освещенные объекты. Но при таких условиях будут также увеличиваться нежелательные шумы.

Сигнал-шум

Это параметр, который находится в непосредственной связи с чувствительностью. Он определяет уровень света и шумов на снимке.

Нужно помнить, что любое фото имеет определенный показатель шума. Светочувствительность характеризуется тем же. Она не может иметь статичных показателей. Они будут меняться, и эти изменения зависят от условий съемки.

Даже если свет совсем отсутствует, фотодатчик все равно продемонстрирует в итоге определенное значение. Как раз это и является шумом. Чтобы получить качественную фотографию, сигнал должен побороть помехи на определенном уровне. Это явление и носит название «сигнал-шум».

Чтобы фотография получилась четкой и не имела нежелательных шумов, нужно правильно настроить фильтры, чтобы они не пропустили эти помехи.

Если увеличивать уровень чувствительности матрицы, действие фильтра будет ослабевать, чтобы поймать слабый сигнал. Но одновременно с этим на снимке отразятся и шумы. Поэтому, чтобы не нужно было усиливать чувствительность, необходимо правильно настроить выдержку.

Что нужно сделать, чтобы ослабить помехи?

Чтобы уровень шума был минимальным, необходимо настраивать минимальную чувствительность матрицы. Однако эта возможность напрямую зависит от того, позволяет ли это выдержка камеры.

Если же требуется уменьшать выдержку, то одновременно с этим необходимо увеличивать чувствительность, что в свою очередь приведет к увеличению уровня шума. Определенное значение приведет к тому, что шумы станут видны на снимке. Потому при съемке выбор стоит между уменьшенной чувствительностью и уменьшенным временем выдержки.

Все это говорит в пользу выбора камеры с большим размером матрицы, позволяющего снижать уровень шума и уменьшать выдержку, чтобы снимать объекты в движении без ущерба качеству изображения.

Разрешение матрицы

Этот параметр для многих является очень важным при выборе камеры. Так ли это? Попробуем разобраться.

Размер пикселя является очень важным параметром, и вот почему это так: когда пиксель больше по размеру, он способен «поймать» больше света. Матрица подобного типа будет давать меньшее количество шумов.

Если матрица имеет большее разрешение, то размер пикселей, которые ее составляют, меньше, а это стимулирует нагрев и поднимает уровень шумов.

Отличительные черты размера пикселя:

Динамический диапазон матрицы

Он устанавливает максимальный диапазон яркости фотографии. Каждый из пикселей, составляющих матрицу, имеет свой уровень яркости. Функцией динамического диапазона является идентификация широты яркого участка снимка, который способен охватить фотоаппарат без ущерба качеству наиболее темных и наиболее ярких частей кадра.

Динамический диапазон является статичной характеристикой матрицы. Его невозможно изменить. Правда, есть возможность сделать его более узким, если повысить чувствительность ISO, но это далеко не всегда сможет решить проблему. Строго говоря, это даже нежелательно.

Когда фотоаппарат не справляется с трудными условиями съемки, например, если снимать нужно против солнца, мы получаем на фотографии слишком сильные контрасты, которые действительно режут глаз. При взгляде на такие фотографии даже непрофессионал вынесет кадру строжайший вердикт и, конечно, будет совершенно прав.

При таких результатах съемки говорят, что динамический диапазон матрицы не справляется с условиями, в которых ведется съемка. Обычно для исправления этих недостатков нужно менять компоновку кадра, прибегать к разного рода профессиональным хитростям, которые сгладят досадные несовершенства, словом, делать все то, что с динамическим диапазоном фотоаппарата совершенно не связано, поскольку, как мы уже упомянули выше, менять его показатели невозможно, поскольку они статичны.

Источник

Матрицы. Красная, зеленая или синяя капсула?

Содержание

Содержание

В записывающей и воспроизводящей аппаратуре на смену фотопленкам и кинескопам пришли матрицы. Визуально они похожи на прямоугольные таблицы со столбцами и строчками, но значительно меньше по размеру. Каждая клетка-ячейка – это один или несколько электронных элементов, выполняющих общую функцию. Называют их пикселями, а количество измеряют миллионами. От типа и характеристик матрицы прямо зависит качество фото и видео.

Устройство матрицы камеры

Геометрические размеры такой матрицы очень малы. Например, у видеокамеры Sony FDR-AX33 диагональ 7,76 миллиметров.

У других моделей она может быть чуть больше или меньше. Поэтому ее относят к микроэлектронным устройствам.

Элементы матрицы закреплены на тонкой пластине и связанны между собой электрически. Микроэлектронные устройства подобной конструкции называют интегральными микросхемами. Следовательно, матрица камеры является интегральной микросхемой. Сокращенно ИМС.

Элементы принимающей матрицы светочувствительные. Они изменяют свои свойства под действием света. Природа света довольно сложна, но можно условно сказать, что он «состоит» из элементарных частиц – фотонов. Отсюда названия: фотоматрица и фотоэлементы.

Принцип работы фотоматрицы

Главную роль при фото- и видеосъемке играет свет, исходящий от солнца или от источников искусственного освещения. Свет падает на предметы, отражается от них, фокусируется в объективе и проецируется на матрицу цифровой камеры.

При попадании потока света на матрицу, фотоны передают свою энергию фотоэлементам. В результате такого взаимодействия возникают носители электрического заряда и электрический ток. На выходах фотоэлементов генерируется электрическое напряжение. Оно прямо пропорционально интенсивности светового потока, который в свою очередь зависит от контуров и свойств объекта съемки. Таким образом, электрическое напряжение является сигналом, который несет сообщение об объекте съемки.

Преобразование полученного света сначала в электрический заряд, а затем в электрический сигнал – это и есть основная задача и основной принцип работы фотоматрицы.

Из аналогового в цифровой

Сигнал напряжения непрерывен и определен в любой промежуток времени, поэтому он по определению является аналоговым. Его сложно записать, передать, воспроизвести без ошибок и помех. Поэтому его преобразуют в цифровой сигнал. Для этой цели используется еще один электронный компонент камеры – аналого-цифровой преобразователь.

Сигнал напряжения поступает в АЦП, где сначала проходит дискретизацию. При этой операции выделяются одинаковые интервалы времени, которым соответствуют определенные значения напряжения. На следующем этапе выполняется квантование – разбиение значений напряжения на уровни и их округление.

После всех преобразований на выходе из АЦП получается цифровой сигнал. Далее он кодируется и превращается в двоичный код из нулей и единиц. После сжатия в виде файла сохраняется на карте памяти или другом носителе. Это ваша фотография или видеофильм в цифровом виде. Вы можете воспроизвести и просмотреть его на ноутбуке или смартфоне, переслать другу или разместить в социальных сетях.

Типы принимающих матриц

Первые цифровые фотоаппараты потребительского класса, были оснащены CCD-матрицами. Современные представители: Kodak PIXPRO FZ43 и Nikon Coolpix A300.

Пиксель CCD – это только один фотоэлемент. Он пассивен, так как электрический ток в нем протекает произвольно. Сигналы считываются с одного или двух каналов и последовательно: от одного ряда к другому. Для оцифровки передаются за пределы подложки матрицы.

Процесс длится несколько микросекунд, но быстродвижущийся объект успеет изменить положение и изображение на снимке может получиться размытым. Так как вся CCD состоит из фотоэлементов, у нее высокая светочувствительность. Качественные снимки получаются даже при плохом освещении.

Большинство современных цифровых фото- и видеокамер оснащены CMOS-матрицами. Они установлены в фотоаппарате Nikon D3400, в видеокамере Sony HDR-CX625 и многих других.

Пиксель CMOS матрицы активен – он включает не только фотоэлемент, но и элемент для усиления электрического тока. Сигнал считывается в любом порядке и с любого участка матрицы. На одной подложке с пикселями установлен и АЦП.

Благодаря такой архитектуре, CMOS обеспечивают более быструю передачу данных. Фото мчащегося по автотрассе Феррари получится без искажений. Также снижается энергопотребление – камера в автономном режиме проработает дольше.

В то же время из-за дополнительных элементов на подложке размер пикселей у CMOS меньше, поэтому они улавливают не весь поступивший свет. Это влияет на качество снимков, сделанных при слабом освещении. По этой же причине могут возникать цифровые шумы – дефекты изображения в виде зернистости.

С развитием технологий характеристики CMOS улучшаются. Обновлённые BSI CMOS установлены во многих камерах Panasonic, включая модели HC-V800, HC-VX1, HC-VXF1. Они обладают более высокой светочувствительностью. Даже при слабом освещении изображения получаются с высокой детализацией и глубокой цветопередачей.

Матрицы в ЖК-дисплеях

Когда вы смотрите телевизор Hartens 32 или работаете на ноутбуке Lenovo IdeaPad, изображение воспроизводится с помощью жидкокристаллического дисплея. Английская аббревиатура – LCD. Такая технология массово используется в производстве цифровой видеотехники.

Жидкокристаллические матрицы имеют многослойную структуру. В центре – слой жидких кристаллов. Они совмещают в себе свойства кристаллических тел и жидкостей, одновременное проявление текучести и упорядоченного расположения. Каждый пиксель LCD «наполнен» жидкими кристаллами. Для подачи электрического напряжения к пикселям подведены электроды.

От носителя к дисплею

При передаче цифровой информации с носителя на монитор важным звеном является видеокарта. Ее графический редактор выполняет расчеты выводимого изображения. При помощи видеоконтроллера изображение формируется в видеопамяти. Он же обеспечивает формирование сигналов развертки для монитора. За передачу цифрового сигнала на ЖК-дисплей отвечает устройство TMDS.

Если у видеокарты нет выхода DVI, она не сможет передать цифровой сигнал. В этом случае он преобразуется сначала в аналоговый, а затем через АЦП самого дисплея вновь в цифровой. Процессы таких преобразований аналогичны тем, о которых рассказывалось выше.

Далее цифровой сигнал примет контролер дисплея, раскодирует его, преобразует в сигнал управления дисплеям, масштабирует изображение, выполнит цветовую коррекцию, сформирует уровни напряжения.

В зависимости от уровня напряжения, молекулы жидких кристаллов изменяют свою пространственную ориентацию. Вместе с этим меняется и способность пикселей пропускать свет, то есть меняется их прозрачность. Такой эффект и дает возможность воспроизводить и просматривать видеофильмы и фотографии.

Передающие матрицы IPS и TN

Матрицы IPS и TN отличаются между собой геометрией поверхностей и материалами изготовления. Общим остается наличие жидких кристаллов. В TN LCD стержневидные молекулы закручены в спирали. У пикселей высокая скорость отклика, но при этом угол обзора экрана невелик и на нём нет насыщенного черного цвета. Позже была внедрена технология TN+film, в которой угол обзора увеличили за счет дополнительного слоя. Пример – ноутбук HP 15-bw662ur.

В дисплеях более поздней технологии IPS жидкие кристаллы расположены параллельно и в одной плоскости. При подаче напряжения они одновременно меняют свое положение. Это дает высокую яркость и большой угол обзора. Но скорость отклика во время игр оставляет желать лучшего. В новых модификациях IPS LCD скорость отклика повышена до 5 и более миллисекунд. При таких показателях они становятся хорошим вариантом не только для просмотра фильмов, но и для игр. IPS-дисплеем снабжены ультрабук Huawei Matebook 13, планшеты Lenovo TAB4 10 Plus, Lenovo Yoga Book C930, Apple iPad Pro 2018 и многие другие гаджеты.

В культовой киноленте главный герой выбирал между красной и синей таблеткой, между реальностью и иллюзиями. Так и выбор матрицы определяет, каким предстанет мир на ваших фото и видео, на экранах телевизоров, дисплеях планшетов и мониторах ноутбуков.

Источник