Общие принципы работы

Любой фотоаппарат, в том числе и цифровой, можно условно разделить на три части. Первая из них — оптическая система, состоящая из объектива (иногда с насадками) и затвора. Вторая часть — это регистратор изображения. Третья часть предназначена для хранения отснятых кадров. В обычном фотоаппарате функции второй и третьей частей выполняет пленка, в цифровом для этого используются два разных устройства.

Для регистрации изображения используется электронно-оптический преобразователь, а для хранения — флэш-память.

ПРИМЕЧАНИЕ
Электронно-оптический преобразователь (ЭОП) — прибор, преобразующий световой поток в электрический сигнал. Характеризуется разрешением — количеством точек по вертикали и горизонтали, а также соотношением сигнал/шум.
Флэш-память — энергонезависимая память, сохраняющая информацию после выключения питания. Характеризуется форм-фактором, емкостью (в мегабайтах), скоростью доступа и напряжением питания (как правило, 3,3 либо 5 В).

В качестве ЭОП используются два типа устройств — ПЗС-матрицы (матрицы приборов с зарядовой связью) и КМОП-матрицы. Чаще в цифровых фотокамерах используются ПЗС-матрицы.

ПРИМЕЧАНИЕ
ПЗС, прибор с зарядовой связью, — устройство, накапливающее электронный заряд при попадании на него светового потока. Уровень заряда зависит от интенсивности и продолжительности освещения. В англоязычной литературе используется определение CCD (Couple-Charged Device).

По конструкции данные устройства примерно похожи на используемые в видеокамерах матрицы, основное различие заключается в разрешении. Эта же характеристика является одной из основных при описании цифровой фотокамеры, именно дороговизна ПЗС-матриц с большим количеством элементов сдерживала развитие цифровой фотографии. И если для любительской видеокамеры достаточно матрицы из 300 тысяч элементов, то для фотографии размером 9x12 см необходимо наличие как минимум мегапиксела.

ПРИМЕЧАНИЕ
Пиксел — точка изображения, имеющая две характеристики — цвет и яркость.
Мегапиксел — миллион точек, используется как характеристика разрешающей способности ЭОП. Произведение количества точек по вертикали и горизонтали, поделенное на миллион, дает величину разрешения в мегапикселах. Например, разрешение двухмега-пиксельной матрицы — 1600x1200.

Мегапиксельные ПЗС-матрицы с разрешением 1280x960 появились в цифровых фотокамерах в конце 1997 года.

Классификация

Если попытаться провести классификацию цифровых фотокамер, то полученные категории будут примерно совпадать с существующими в области пленочной фотографии классами.

Изначально все цифровые фотоаппараты можно разделить на студийные и полевые. Как видно из названия, отличаются они друг от друга «средой обитания».

Студийные камеры

Названия фирм, производящих эту технику, не скажут ничего не только рядовому пользователю, но и профессиональному фотографу — Leaf, Phase One, Dicomed. Студийные камеры предназначены для стационарной съемки в специально отведенном для этого помещении — фотостудии.

ПРИМЕЧАНИЕ
Экспонирование— процесс освещения ЭОП, при котором создается «электронный образ» кадра.

Для студийных камер не существует ограничений ни на время экспонирования, ни (теоретически) на габариты устройства. В связи с этим данные приборы в основном представляют собой приставку к среднеформатной или крупноформатной камере, устанавливаемую вместо задней стенки аппарата. Конструктивно эти устройства можно разделить на два основных типа — сканирующие и полнокадровые. В приставках первого типа изображение формируется перемещающейся линейкой ПЗС-элементов -практически так же, как и в планшетных сканерах, при этом процесс съемки довольно продолжительный. Полнокадровые приставки способны зафиксировать кадр целиком, однако элементы матрицы могут регистрировать только яркость в той либо иной точке фотографируемого объекта, но не его цвет.

Рис. 1.1. Диск со светофильтрами

Поэтому при съемке происходит поочередная смена трех светофильтров — зеленого, синего и красного, устанавливаемых перед ПЗС-матрицей, что также требует значительных затрат времени.

Существует вариант, позволяющий уменьшить время съемки до приемлемого для фотографирования движущихся объектов значения. Для этого используется расщепление светового потока на три раздельных луча, каждый из которых попадает на отдельную матрицу со светофильтром (зеленым, синим или красным).

Рис. 1.2. Расщепляющая световой поток призма

Поскольку в студийной технике применяются дорогостоящие ПЗС-матрицы высокого разрешения, поток информации в таких системах очень интенсивный. В описываемой же ситуации скорость передачи данных должна быть в три раза больше, чем в обычных камерах. Кроме того, разделение лучей приводит к ослаблению светового потока, что требует дополнительного освещения композиции. Необходимо также обеспечить точную калибровку всех трех ЭОП, чтобы обеспечить правильные уровни каждого из цветовых каналов. Все эти факторы привели к тому, что, несмотря на очевидные преимущества, данная схема в студийных камерах пока не стала доминирующей.

Полевые камеры

Гораздо более распространенной категорией являются полевые камеры. Так как данные модели предназначены для эксплуатации в различных условиях освещения, а объекты съемки могут быть самыми разнообразными, крайне необходим широкий диапазон выдержки и диафрагмы, а также встроенная вспышка. Фотоаппараты этого класса работают автономно, поэтому должны обладать большими объемами памяти и низким уровнем энергопотребления. Ввиду того, что полевые камеры постоянно находятся в руках своих владельцев, в крайнем случае в сумке на плече, к этому типу техники предъявляются очень жесткие требования по массе и габаритам.

Вышеперечисленные условия накладывают определенные ограничения на конструкцию полевых фотоаппаратов, поэтому, помимо наличия собственной оптики и встроенной памяти, от студийных моделей они отличаются еще и конструкцией ПЗС-матрицы. В полевых камерах данное устройство в основном использует схему с чередованием элементов, каждый из которых регистрирует оттенки только одного из цветов. Как правило, используется комбинация R-G-B-G (red-green-blue-green, красный-зеленый-синий-зеленый). Полученное изображение подвергается обработке встроенным программным обеспечением камеры, при этом производится математический обсчет всех цветов во всех точках матрицы. Несмотря на кажущуюся сложность, данный подход позволяет получать изображения с высоким разрешением и реалистичными оттенками цветов.

Намного реже встречается схема с расщеплением светового потока на несколько ЭОП. В основном она прижилась в профессиональных камерах, обладающих крупногабаритными корпусами, способными вместить все компоненты данной схемы.

В 2002 году появилась технология, которую смело можно назвать революционной — многослойные матрицы, в которых каждый элемент (пиксел) регистрирует полную информацию о цветовом диапазоне. Достигается это за счет того, что свет с разной длиной волны проникает в материал ЭОП на разную глубину.

Применение сменной оптики и цена — вот что разделяет многочисленное семейство полевых фотокамер на две большие категории: профессиональные и любительские.

Профессиональные камеры

К началу 2003 года основной из критериев — цена составляет от 2000 долларов для профессиональных камер. Тому виной два обстоятельства.

Во-первых, категория покупателей профессиональной техники относительно немногочисленна и согласна с высокой ценой за хорошее качество. Кроме того, сменные объективы, используемые в камерах этого класса, зачастую стоят не намного дешевле самих фотоаппаратов.

Рис. 1.3. Профессиональная цифровая фотокамера

Вторая причина повышенной стоимости — конструкция этих устройств. Фактически профессиональная камера представляет собой корпус «зеркального» пленочного фотоаппарата высокого класса (и высокой стоимости), доработанного с учетом установки электронно-оптического преобразователя (ЭОП) и устройства хранения кадров.

Большинство моделей снабжаются также цветным ЖК-дисплеем, расположенным на задней панели, — он используется для просмотра и удаления отснятых кадров, настройки камеры и т. д. Главное же конструктивное отличие данной категории — наличие байонетного разъема для сменной оптики, причем стоимость качественного объектива может в несколько раз превосходить стоимость камеры. Использование стандартной оптики накладывает также ограничение на минимальный размер ЭОП, по габаритам он должен быть максимально приближен к размерам кадра 35-мм пленки. Так как в качестве ЭОП в основном используются дорогостоящие крупногабаритные ПЗС-матрицы, общую цену камеры низкой назвать нельзя. Однако в последнее время наметилась тенденция использовать в качестве базы фотоаппараты среднего класса. Возможно, в недалеком будущем стоимость цифровой «зеркалки» опустится ниже планки в 2000 долларов.

Любительские камеры

Поскольку фотолюбителей, готовых купить камеру за 2000 долларов и выше (это без учета стоимости оптики), не так уж и много, вскоре после профессиональных моделей появились и любительские, которым и будет уделено основное внимание на страницах данной книги. В англоязычной литературе часто встречаются определения consumer cameras (буквальный перевод — потребительские камеры), а также prosumer cameras — этот термин появился сравнительно недавно и образован за счет слияния слов professional и consumer. Им обозначаются недавно появившиеся модели с высоким разрешением, большим количеством ручных настроек и сервисных функций, с возможностью установки оптических насадок и подключения внешней вспышки — в общем, со всем тем, что до недавнего времени встречалось только в профессиональных моделях. Любительская цифровая камера в отличие от профессиональной разрабатывается, что называется, «с нуля», без использования корпуса и оптики пленочных камер. Есть, правда, модели, внешним видом напоминающие широко известные 35-мм любительские камеры.

Рис. 1.4. Цифровая камера Canon Digital IXUS

Рис. 1.5. Сверху — пленочная камера Olympus n[mju:]ZOOM 115, снизу — цифровая камера Olympus C-990ZOOM

Как и следует ожидать, на внешнем виде сходство заканчивается -даже такая, на первый взгляд, легко поддающаяся копированию часть пленочной камеры, как объектив, не годится для цифровой модели. Дело в том, что используемые в любительских цифровых фотоаппаратах ПЗС-матрицы значительно меньше тех, что применяются в профессиональных. Их размер не превышает 2/3 дюйма по диагонали, а наиболее часто встречаются матрицы с диагональю 1/2 дюйма. При этом оптика, перенесенная один в один с 35-мм камеры, дает изображение, значительно превосходящее по размерам ПЗС-матрицу. Кроме того, ЭОП обладают меньшей по сравнению с пленкой светочувствительностью, а с другой стороны, продолжительное воздействие яркого света губительно для них, что накладывает дополнительные ограничения на конструкцию затвора и светосильные характеристики оптики. Как ни прискорбно, до сих пор встречаются конструкции камер, оптика которых вызывает нехорошие воспоминания о дешевых китайских «мыльницах» с пластмассовыми линзами. Естественно, что никакие «мегапикселы» не помогут сформировать качественное изображение при эксплуатации таких моделей. В то же время появившиеся в 1998 году камеры с ЭОП на полтора миллиона элементов и хорошей светосильной оптикой до сих пор с успехом используются в достаточно сложных для съемки условиях, например при съемке в помещениях с плохой освещенностью.