От пленки к "цифре"

Это предельно упрощенная схема работы цифровой камеры, дающая лишь общее представление о принципиальных различиях между традиционной пленочной и цифровой фотографией. Но и она показывает, что усложнение технологии фиксации изображения на самом деле приводит к значительному упрощению его дальнейшей обработки и повышению точности работы фотоаппарата.

Сначала обратимся именно к точности. От чего зависит техническое качество пленочного снимка? По всей видимости, от конструкции самого фотоаппарата (его объектива и затвора), правильной установки экспозиционных параметров и, самое главное, от характеристик и качества изготовления применяемых фотоматериалов.

Светочувствительный слой негативной фотопленки состоит из зерен галогенидов серебра, равномерно распределенных в толще эмульсии. Однако величина и форма зерен не идентичны - даже при современном уровне технологий достичь этого невозможно. Следовательно, некоторые зерна галогенидов обладают более высокой светочувствительностью (поскольку в них больше солей серебра), другие - меньшей. Значит, и степень фиксации засветки на разных участках эмульсии будет хоть незначительно, но отличаться.

Затем наступает очередь самого вещества эмульсии. Полив эмульсии на подложку пленки осуществляется специальной машиной. Скорость протяжки прозрачной лавсановой ленты постоянна, но не абсолютна. А сопла, из которых эмульсия вытекает на подложку, могут менять пропускную способность - засоряться, находиться в различных температурных режимах (сотые доли градуса, и эмульсия становится чуть более жидкой или вязкой). И так далее… Все это укладывается в нормы технологических допусков, но убеждает в том, что никакая фотопленка не способна давать при экспонировании абсолютно идентичные результаты даже в области кадрового окна фотоаппарата, не говоря уже обо всей поверхности ролика пленки.

В отличие от фотопленки светочувствительная матрица цифрового фотоаппарата фиксирует дискретные значения засветки. То есть там, где зерно галогенида серебра может иметь разную степень затемнения, элемент матрицы выдаст точную информацию - есть засветка элемента или нет. И матрица, таким образом, работает гораздо точнее, чем эмульсия фотопленки. Но только теоретически. На практике конкурировать с фотопленкой светочувствительному сенсору цифрового фотоаппарата пока трудно.

Дело в том, что самый миниатюрный светочувствительный элемент цифровой матрицы оказывается намного крупней зерна галогенида серебра самой крупнозернистой фотопленки. Сам элемент - это полупроводниковый прибор с вмонтированными в него проводниками. Обеспечить такую степень миниатюризации, чтобы элемент сенсора был хотя бы сравним с зерном фотоэмульсии по величине, современные технологии пока не в состоянии.

Это первая причина. Вторая причина кроется в способах получения цветного изображения. На фотопленке цветное изображение строится при помощи трех (иногда более) светочувствительных слоев, каждый из которых отделен от предыдущего окрашенным прозрачным слоем, выполняющим функции светофильтра. На светочувствительности и величине зернистости пленки это сказывается мало (хотя величина зерен галогенидов в глубинных слоях эмульсии должна быть больше, чем в слоях наружных - для обеспечения равномерной цветочувствительности).

В цифровом сенсоре для получения цветного изображения используются, в основном, два способа. В более совершенных цифровых камерах профессионального уровня (в специальных фото и в большинстве массовых и профессиональных видеокамер высокого уровня) применяются три раздельные матрицы, каждая из которых снабжена светофильтром базового цвета - красным, зеленым, синим. Матрицы располагаются под углом друг к другу. Лучи света, проходящие через объектив, преломляются специальной призмой и делятся на три потока, каждый из которых экспонирует "свою" матрицу. На основе трех базовых цветовых каналов электроникой камеры и строится полноцветное изображение.

Рис. 2.5. Сенсор цифрового фотоаппарата

В большинстве цифровых фотоаппаратов применяется иная технология. Поток сфокусированного объективом света проходит через массив цветных светофильтров так называемой "цветовой модели Байера". В этой системе красные, зеленые и синие фильтры расположены в шахматном порядке, а количество зеленых фильтров в два раза больше, чем красных или синих. При этом красные и синие фильтры расположены между зелеными. Большее количество зеленых фильтров обусловлено тем, что наши глаза более чувствительны к зеленому цвету.

Массив фильтров состоит из множества микроскопических светофильтров, каждый из которых взаимодействует с одной ячейкой светочувствительной матрицы. То есть можно сказать, что каждый элемент цветного изображения ( пиксель ) состоит из трех субэлементов. Но при этом разрешение сенсора не уменьшается втрое, поскольку изображение строится на основе механизмов интерполяции, то есть с учетом яркости (интенсивности генерируемого ячейками электрического сигнала) всех элементов.

В фотоаппаратах с сенсорами ПЗС ( CCD ) формирование цветного изображения строится в специальном устройстве после преобразования аналогового сигнала в цифровой сигнал. В фотоаппаратах с сенсорами архитектуры КМОП ( CMOS ) смешение цветов может производиться непосредственно в самом сенсоре. Но и в том, и в другом случае, повторим еще раз, цветное изображение строится по специальным математическим алгоритмам методом интерполяции - то есть с учетом яркости соседних элементов каждого из базовых цветов.

Сенсоры цифровых фотоаппаратов проигрывают фотопленке по множеству параметров. Сенсоры имеют небольшой динамический диапазон (число различимых градаций между абсолютно белым и абсолютно черным), склонны к цветовым шумам (ореолам вокруг границ, разделяющих элементы изображения с большим перепадом яркости, например, вокруг фигур, снятых на освещенном фоне), имеют невысокую светочувствительность (обычно около 50-100 единиц ISO). Наконец, физический размер наиболее распространенных сенсоров меньше, чем стандартный для узкой пленки размер кадрового окна 24х36 мм.

Последний параметр - физический размер - имеет принципиально важное значение. Аргумент элементарно простой - на большей площади кадра умещается большее количество светочувствительных элементов, зерен галогенида серебра или электронных элементов сенсора. Чем больше светочувствительных элементов, тем больше мелких деталей изображения будет зафиксировано фотоаппаратом. И тем больше будет разрешение снимка, позволяющее увеличивать фотографии при печати без видимой потери качества.

В истории фотографии известны случаи попыток введения новых стандартов на узкую пленку. В тридцатые годы прошлого века в Латвии был выпущен сверхкомпактный фотоаппарат Minox, предназначенный для съемки на 16-миллиметровую неперфорированную негативную пленку. Фотоаппарат имел специальное назначение (он применялся в разведке) и получился очень удачным. В шестидесятые-семидесятые годы в СССР выпускались его функциональные аналоги - фотоаппараты "Нарцисс" и "Киев-Вега". Современные варианты 16-мм фотоаппаратов выпускаются швейцарской фирмой Minox и сегодня, но только в качестве миниатюрных копий классических камер Leica, предназначенных для коллекционеров и любителей такого рода техники.

Рис. 2.6. "Шпионский" пленочный Minox

Рис. 2.7. Советская копия Minox - камера "Киев-Вега"