Журнал "Компьютерра" №721 - Компьютерра

В любом случае понятно, что фотографические сенсоры прошли долгий и тернистый путь, пока не стали такими, какими мы их видим сегодня, и, если пытаться отметить каждую вешку на этом пути, времени и журнального места уйдет немало. Посему, да простит меня читатель, мы поскачем 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 пресеты 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 - это одна из главных причин, почему "бытовые" сенсоры далеко не сразу доросли до площади обычного кадра 135-мм пленки - 24х36 мм. Но прежде чем начать экскурс в прошлое, давайте вспомним, откуда пошли типоразмеры современных матриц.

Коль вы хоть раз читали спецификацию цифровой компактной камеры, наверняка заметили что-то вроде "матрица 1/1,8”".

Как и многое в нашей жизни, цифра эта очень странная и ничего толком не объясняет. Это не площадь и 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 семнадцать лет назад и посмотрим на первую цифровую зеркальную камеру - Kodak DSC100. Правда, назвать ее так можно с большой натяжкой, поскольку она представляла собой 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 (1280x1024). Существовало две версии чипа: для монохромных и цветных изображений. Аппарат при помощи кабеля соединялся с записывающим модулем DSU (Digital Storage Unit), который был раз в пять-шесть больше самого аппарата; на DSU можно было записать до 156 снимков без компрессии и от 400 до 699 снимков с компрессией (при условии, что DSU оснащался соответствующим блоком). Вы не поверите, но там был даже буфер на целых 8 Мбайт оперативной памяти (DRAM), позволяющей хранить до шести снимков и фотографировать со скоростью 2,5 кадра/с! Буфер при желании можно было расширить до 32 Мбайт; а DSU к тому же оснащался 4-дюймовым дисплеем для просмотра отснятого материала. Что характерно, размерами сенсор примерно соответствовал формату APS-C: чтобы получить изображение, эквивалентное фокусному расстоянию 50 мм, требовался 35-мм объектив (кстати, именно с того момента в обиход вошло понятие "кроп-фактора").

Пропустим модель NASA F4 Elec tronic Still Camera, сделанную на базе модифицированного Nikon F4 и предназначавшуюся для полета на челноке Discovery в сентябре 1991-го, и прыгнем сразу в 1993-й, где цифровая зеркальная камера уже почти обрела привычный вид и габариты. Ею была Kodak Professional DCS 200 - модифицированный пленочник Ni kon F801, "приаттаченный" к цифровому блоку внушительных размеров (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 14x9,3 мм обеспечивал разрешение 1524x1012 пикселов. Весил этот агрегат 1,7 кг.

А дальше пошло-поехало. 1994-й - Kodak DCS 410 (сенсор 13,8x9,2 мм); 1994–95-й - DCS 420 (модификация 410-й модели); 1995–96-й - DCS 460, мощный аппарат с сенсором 27,6x18,4, выдававшим картинку разрешением аж 3060x2036; 1998–99-й - DCS-315 и DCS-330 - уже фактически "нормальные" цифрозеркалки; да, смешные, громоздкие и несовершенные, зато с двумя (!) ЖК-дисплеями: основным, для предпросмотра снимков, и вспомогательным, информационным. 315-я модель оснащалась 1,5-ме гапиксельным сенсором, а 330-я - трехмегапиксельным (1504x2008), 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- мегапиксельным (2000x1312) CCD-чипом Sony формата DX (23,7x15,5 мм), - отметим, что с этого момента размер DX-сенсора у никоновских камер не менялся.

D1 был способен снимать со скоростью 4,5 кадра/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 (им даже нередко продолжают снимать!). На момент выхода D1 стоил $5500 [Кстати, практически столько же нынче просят за самую свежую профессиональную зеркалку Nikon D3] - заметьте, вполне доступная цена для профессионала, и даже для богатого любителя.

Для съемок, правда, чаще берут следующую модель - D1X. Все-таки вдвое большее разрешение (5 Мп) заметно повышает качество. Сенсор этой модели (разумеется, CCD и, разумеется, Sony) интересен "вытянутыми" по вертикали пикселами: по горизонтали было 4028 точек, по вертикали - всего 1324 (как у D1). Путем интерполяции получалось разрешение 3008x1960. Аппарат до сих пор популярен среди энтузиастов, поскольку "толстый пиксел" обеспечивает весьма приличное качество картинки; из недостатков D1X упомянем лишь цифровой шум в виде так называемого "снега" при ночной съемке.

Из моделей, которые тем или иным образом заслужили статус "исторических", достойны упоминания еще три. Вопреки расхожему мнению, что Canon первой выпустила аппарат с "полнокадровой" матрицей (равной по площади кадру 135-мм пленки), это сделала компания Contax в июле 2000 года. Модель называлась Contax N Digital, базировалась на CCD-сенсоре от Philips размерами 24х36 мм и выдавала 6-мегапиксельную картинку с разрешением 3040x2008. Естественно, стоила она по тем временам неслабо - $7400. Может, изза высокой цены, а может, по 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 28,7x19,1 - "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 составляло 2464x1648 пикселов при скорострельности 8 кадров/с! Напоследок вспомним любительский аппарат Canon EOS 300D (август 2003-го).

В нем не было бы ничего примечательного (6-мегапиксельный CMOS-сенсор с разрешением 3072x2048, пластиковая любительская тушка со скоростью съемки 2,5кадра/с), если б не 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 из-за отсутствия подобных продуктов у конкурентов) аппарат раскупался как горячие пирожки. С этого момента качественная цифровая фотография действительно стала доступной всем.

Теперь, когда мы с пользой прогулялись по прошлому, имеет смысл поговорить о технологиях, заложенных в основу цифровых матриц.

В цифровой фотографии сей вопрос, пожалуй, не менее глубок, чем шекспировское "Быть или не быть?". Не стану углубляться в технические дебри и рассказывать о структуре этих типов сенсоров (подробности при желании легко отыскать в Интернете), дам лишь общую информацию. CCD (или ПЗС, если хотите) впервые появился в 1970-м и два последующих десятилетия 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%), проще устроен, но в то же время более дорог в производстве, капризнее в эксплуатации и требует большого количества вспомогательных устройств (то есть нуждается в сложной обвязке, 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. Главные достоинства этой технологии - простота и дешевизна производства, высокое быстродействие, возможность снимать сигнал с каждой отдельной ячейки, низкое энергопотребление. Вдобавок на том же кристалле легко реализовать дополнительные схемы: АЦП, процессор, память и т. п. Разумеется, недостатков у CMOS тоже предостаточно: высокий уровень шума, требующий сложных алгоритмов шумоподавления; не завидная чувствительность (так называемый fill factor - коэффициент заполнения, представляющий собой отношение площади фоточувствительного элемента ко всей площади пиксела, - у CMOS не превышает 75%); усилители, занимающие много полезной площади кристалла, и пр.