Сдвиг матрицы фотоаппарата что это
5-осевой матричной стабилизацией инфопространство в сфере фото-техники забито уже по-максимуму. Sony, Panasonic и Olympus очень активно внушают неискушённым людям, что им крайне необходима дополнительная стабилизации изображения за счёт сдвига матрицы. А если это скомбинировать с оптической стабилизацией в объективе, то будет вообще бомба и вам больше ничего не нужно. Это как волшебная кнопка «сделать шедевр».
Матричная стабилизация решает всё, — во всяком случае в это верит уже целое поколение фото/видео-любителей. Я подчёркиваю, что речь идёт именно о любителях. В профессиональной сфере для стабилизации изображения используются штативы/моноподы/стедиками/глайдкамы/рельсы и многое другое. Матричная стабилизация не применяется в более дорогих и профессиональных кино-камерах, на неё также не полагаются профессиональные фотографы в съёмках, где необходимо зафиксировать камеру. Но последнее время эта функция стала популярным маркетинговым оружием против тех производителей, которые эту самую стабилизацию не внедрили.
Мне досадно, что некоторые люди зачарованно повторяют эти два слова «матричный стаб», не понимая вообще, где это реально нужно и насколько это РЕАЛЬНО важно.
В общих чертах здесь хорошо описали суть технологии. Меня огорчает путаница в головах людей, думающих, что наличие этой самой матричной стабилизации всё принципиально поменяет. Это не так.
Матричная стабилизация в видео
Предпосылка для использования этой технологии при съёмке видео — возможность получать плавное изображение без дополнительных устройств при съёмке с рук. В теории звучит красиво, но не на практике.
Во-первых, беззеркалки, где применяется эта технология обычно компактные и несбалансированные. Если вы возьмете любую полнокадровую камеру Sony с хорошим родным объективом, то ощутите насколько она неудобно лежит в руке и как оптика перевешивает камеру. Это означает, что при съёмке с рук количество случайных вибраций будет значительно выше, чем если бы вы держали профессиональную видеокамеру с удобным хватом и хорошим балансом. То есть, система стабилизации будет уже перегружена ввиду того, что вы снимаете видео на непригодный для этого фотоаппарат. Камеры с удобной рукояткой и правильной балансировкой значительно лучше приспособлены для съёмки с рук.
Во-вторых, как работает сама технология. Сдвиг матрицы возможен только в некоторых пределах. Работа матричного стабилизатора даже в теории не может погасить любые вибрации камеры, как это делают профессиональные стедикамы. Соответственно, съёмка с рук с такой технологией возможна только если вы делаете очень осторожные движения и максимально крепко держите камеру (о чём говорилось в предыдущем пункте).
Продолжая этот пункт, стоит заметить, что камеры Sony Alpha имеют относительно узкий байонет как для полного кадра, соответственно работа матричного стабилизатора там сильно ограничена. Матричный стаб от Sony нередко работает ощутимо хуже, чем оптическая стабилизация в оптике других производителей. Этого нельзя сказать о камерах системы Micro 4/3, где соотношение размера матрицы к диаметру байонета очень хорошее. Там матричная стабилизация работает значительно лучше, чем на камерах Sony.
Насколько эффективен матричный стаб?
Чудес не бывает. Если вы захотите снять фото с действительно длинной выдержкой (1 секунда и длиннее), вам понадобиться штатив. Если вы захотите сделать плавное видео с амплитудным движением камеры (ходьба или бег), вам понадобится стедикам. Сдвиг матрицы не может компенсировать сильные колебания, так же как и не может оптическая стабилизация. Сразу скажу, и их комбинация чуда не производит.
Как быть с оптической стабилизацией?
Точно так же. По эффекту эти две технологии очень похожи. Более новые объективы с продвинутой оптической стабилизацией дают тот же эффект. Вы можете делать осторожные проводки на видео или даже немного перемещаться и видео будет годным к просмотру. Хитрость тут в использовании широкоугольных объективов. Длиннофокусная оптика тяжелее поддаётся стабилизации. Впрочем такие модели телевиков как Canon 100-400mm f4.5-5.6L II или Canon EF 70-300mm f4.5-5.6 IS USM III позволяют снимать с рук при очень длинных выдержках (как для такой оптики). Мне лично удавалось получить резкие кадры при 300мм и выдержке 1/25. Надо уточнить, что я снимал на камеру с крепким и удобным хватом — Canon R. Повторюсь, когда у вас есть возможность крепко держать камеру, вы облегчаете работу любого стабилизатора — будь он оптический или матричный.
Когда нужно стабилизировать изображение?
В целом нельзя однозначно сказать, какая из технологий лучше. И та и другая выполняет одну и ту же функцию — НЕМНОГО помочь стабилизировать изображения при съёмке с рук. Надо понимать, в каких ситуациях вам понадобится эта технология и понадобиться ли вообще.
Так например, стабилизация абсолютно не нужна при репортажной съёмке и студийной фотосъёмке (т.к. вы должны ставить достаточно короткую выдержку, чтоб не смазывать движения людей), при предметной и интерьерной съёмке (т.к. вы должны использовать штатив), для ночных пейзажей (т.к. если вы хотите хорошее фото, надо все равно брать штатив).
Что касается съёмки видео, то сделать короткие подсъёмки с рук можно с равным успехом как с матричной, так и с оптической стабилизацией и с обязательно ровными и крепкими руками. Если же вы хотите получить динамику в кадре и делать активные движения камерой, без дополнительных средств стабилизации (вроде стедикама) вам не обойтись.
Смысл этой статьи в том, чтоб объяснить, что матричный стаб — это не панацея и не исключительная технология. Хорошо, когда он есть. Но если его нет, но есть стабилизация в объективе, вы ничего не теряете.
Нюансы работы матричной стабилизации:
На различных камерах эта технология работает очень по-разному. Не стоит думать, что матричный стаб везде хорош. Так, например, принято считать, что на микре 4/3 матричный стаб очень крутой. Это действительно так, но касается только топовых моделей на микре. Для сравнения, Olympus E-PL10 компенсирует всего 3.5 ступени экспозиции, что уступает многим объективам с оптической стабилизацией. А Panasonic G80 имеет совсем не такой крутой стаб, как Panasonic GH5.
В камерах Fujifilm матричный стаб весьма неплохо работает для фотосъёмки, позволяя снимать с выдержками до 1/3 (в зависимости от фокусного расстояния объектива). Но при этом в видеорежиме в камерах Fujifilm он даёт примерно тоже самое, что и оптический стаб в объективе. То есть работает, но сильно вы с камерой не подвигаетесь.
В камерах Sony самый слабый матричный стаб на рынке. Хотя они и были пионерами по маркетинговому продвижению этой технологии.
Canon выпустили беззеркалки с матричным стабом одни из последних, но у Canon R6/R5 эта технология работает эффективно при фотосъёмке, так и при записи видео. Тем не менее, даже там это не заменяет штатив или стедикам.
Матричный стаб ощутимо повышает расход аккумулятора и влияет на перегрев камеры.
Лучшего всего матричная стабилизация работает на широкоугольных/стандартных объективах. Объективы с теле-диапазоном плохо стабилизируются.
Тест стабилизации Panasonic GH5 vs GoPro 4 (на стедике):
У каждого фотографа иногда получаются нерезкие снимки… В чём причина? Конечно, смазанное изображение почти всегда связано не с техническим несовершенством техники, а с недочётами при настройке важнейших параметров съёмки — выдержки, диафрагмы, а также с ошибками фокусировки. Во многих ситуациях избавиться от смаза на фото помогает стабилизация изображения. Это и отличная подстраховка на случай сложных условий съёмки, и новая творческая возможность в современной фотографии.
Какие виды стабилизации изображения существуют сегодня? Как ими пользоваться? Обсудим в этой статье!
Потолок в Испанской синагоге, Прага. Чтобы снимать при слабом освещении без штатива и при этом не завышать ISO, приходится делать кадры на сравнительно длинной выдержке — около 1/15 с. В таких условиях стабилизация изображения окажется как нельзя кстати.
Зачем нужна стабилизация изображения?
Из-за чего изображение смазывается? Если дело не касается ошибок фокусировки, то причина одна — слишком длинная выдержка. Когда мы держим камеру, она всегда немного дрожит, такова физиология человека. Если выдержка достаточно короткая, это дрожание никак на снимке не сказывается; если длинная — получим «шевелёнку», смаз на изображении.
Смаз изображения из-за дрожания камеры в руках
Кроме того, при съёмке движущегося объекта смаз может произойти из-за того, что выдержка не позволила «заморозить» движение полностью. Чем быстрее движется наш герой, тем короче нужна выдержка. Если идущего человека получится снять и на 1/250 с, то для играющего котёнка такая выдержка может оказаться длинной.
Здесь выдержка оказалась слишком длинной, и объект съёмки смазался.
С увеличением разрешения современных фотоаппаратов смаз на изображениях всё более различим. В этом же кроется ответ на популярное «раньше же как-то снимали на фотоплёнку без стабилизатора и горя не знали». Просто сейчас качество и снимков, и дисплеев заметно выросло, и виден любой технический огрех. Нерезкость из-за смаза не позволит раскрыть преимущества камер с большим разрешением: например, Nikon D810 с 36 Мп, Nikon D850 и Nikon Z7 с 45 Мп. Ведь чем больше детализация изображения, тем заметнее смаз. Если раньше при съёмке на «полтинник» я смело ставил 1/60 с и был уверен в резкости получаемого изображения, то теперь на фотографиях высокого разрешения при съёмке на такой выдержке заметен смаз. Смаза можно избежать тремя способами.
Снимать на более короткой выдержке — самый действенный способ застраховать себя от смаза. При съёмке динамики нужно отталкиваться от скорости движения объекта, и тут поможет тестовая съёмка. Но выдержка всё равно не может быть длиннее максимальной выдержки для съёмки неподвижных объектов с рук. Как определить безопасную выдержку для съёмки неподвижных объектов с рук? До какого предела можно удлинять выдержку, не боясь последствий? Существует формула, выведенная фотографами опытным путём:
максимальная выдержка при съёмке с рук должна быть
не более 1/(фокусное расстояние × 2)
Формула в таком виде будет хорошо работать для камер с разрешением около 24 Мп. Для «кропов» лучше брать не физическое, а эквивалентное фокусное расстояние объектива.
А вот для камер с большим разрешением (36, 45 Мп и выше) правильнее использовать в знаменателе дроби не двойку, а тройку, дополнительно сокращая выдержку. Получается, что при съёмке на объектив с фокусным 50 мм я должен ставить выдержку 1/150 с (50×3). А с объективом 200 мм уже 1/600 с!
Чем больше фокусное расстояние объектива, тем сильнее дрожит картинка. Поэтому стабилизация изображения особенно важна при работе с телеобъективами. Многие длиннофокусные объективы (такие как этот Nikon AF-P NIKKOR 70–300mm f/4.5–5.6E ED VR) оснащаются встроенной системой оптической стабилизации.
Есть одно но: если света недостаточно, при съёмке на более коротких выдержках придётся повышать ISO, что чревато появлением цифрового шума на фото. Поэтому не всегда получается снимать на коротких выдержках без потерь…
Использовать штатив — отличный способ избавиться от смазанных кадров! Но только если вы снимаете неподвижные объекты или, наоборот, хотите сильно размыть движение в кадре. Штатив — незаменимый инструмент архитектурного, пейзажного, предметного фотографа. Он надёжно фиксирует камеру, и на любой выдержке неподвижные объекты остаются резкими. Его используют и в репортажных, динамичных сюжетах, если съёмка ведётся супертелеобъективами. По сути, штатив — это «физический» стабилизатор нашей камеры.
Кадры на выдержке в несколько секунд снимают только со штатива. Такие выдержки помогут творчески передать движение в кадре. В нашем случае за счёт длинной выдержки размыт поток воды в водопаде.
Но штатив не панацея от смаза. Пока дело касается неподвижных объектов, он полезен. Но для «заморозки» динамики в кадре требуется достаточно короткая для этого движения выдержка. Если для сидящего человека хватит 1/60 с, то для бегуна потребуется как минимум 1/500 с, иначе произойдёт смаз объекта съёмки. Таким образом, при съёмке быстрого движения без правильной настройки выдержки штатив никак не поможет.
Для стабилизации изображения при видеосъёмке, помимо классических штативов-треног, используются особые гироскопические стабилизаторы, которые компенсируют все вибрации, поступающие на камеру от рук оператора. Один из таких стабилизаторов — Moza Air 2 — поставляется в специальном наборе Nikon Z6 Filmmaker’s kit.
Все вышеперечисленные варианты не универсальны. Достаточно короткую выдержку не всегда позволяют взять условия освещения, а штатив применяют в основном для съёмки статичных сюжетов.
И тут на помощь приходят функции стабилизации изображения, встроенные в фотокамеру или объектив.
Как измеряется эффективность стабилизации?
Эффективность стабилизации принято измерять в ступенях экспозиции (EV — Exposure Value). Как это понимают практикующие фотографы?
Например, если без стабилизатора мы систематически получаем резкие кадры на выдержке вплоть до 1/60 с (на более длинных выдержках всё смазывается), а с ним большинство кадров оказывается резкими до выдержки в ¼ с, то этот стабилизатор имеет эффективность в 4 ступени.
Ряд значений выдержки с шагом в одну ступень экспозиции
Мы можем сосчитать, насколько длинные выдержки позволит использовать стабилизатор. Почему бы сразу не указывать максимальную выдержку, доступную при работе стабилизатора? Зачем эти сложные ступени экспозиции? Дело в том, что многое зависит и от фокусного расстояния, при котором ведётся съёмка. Если на фокусном расстоянии в 15 мм можно и без стабилизатора снимать на 1/30 с (см. формулу расчёта максимальной выдержки) и получать чёткие кадры, то при съёмке на фокусном расстоянии в 400 мм только очень эффективный стабилизатор, способный сэкономить 5 ступеней экспозиции, позволит приблизиться к выдержке в 1/30 с. Ведь чем больше фокусное расстояние объектива, тем сильнее ощущается дрожание картинки. И чтобы не делать постоянных оговорок касательно фокусного расстояния, эффективность стабилизатора измеряют в ступенях экспозиции EV. Этот показатель даёт ясное представление о том, чего ждать от той или иной системы стабилизации. Такой метод измерения используют и в журнале Prophotos при тестировании камер и объективов.
NIKON D850 / 18.0-35.0 mm f/3.5-4.5 УСТАНОВКИ: ISO 400, F4.5, 1/400 с, 18.0 мм экв.
Но есть строгая методика измерения CIPA, на которую равняются производители фототехники. Она работает несколько иначе. «Безопасная» выдержка для съёмки без стабилизатора вычисляется не на практике, а просто по формуле «1/фокусное расстояние», как в плёночные времена. Обратите внимание, что здесь не используется множитель ×2, как в приведённой выше формуле. На современных камерах с высокой детализацией нужно сильно постараться, чтобы, например, получить на 1/200 с резкий кадр при съёмке на объектив с фокусным 200 мм. Следовательно, раз за точку отсчёта исследователи берут заведомо слишком длинную выдержку, не гарантирующую резких кадров, они дают тестируемому стабилизатору некоторую фору, и результаты подчас выглядят более оптимистичными, чем выходит на практике.
Электронная стабилизация. Для работы электронной стабилизации не нужны никакие сложные технические приспособления. Достаточно чтобы эта функция поддерживалась программным обеспечением фотоаппарата. Как правило, она применяется при видеосъёмке и помогает получить более плавную, не дрожащую картинку. В камерах Nikon этот вид стабилизации можно активировать для съёмки видео в меню.
При электронной стабилизации часть картинки обрезается, угол обзора сужается. За счёт обрезанного поля изображения камера и компенсирует дрожание камеры, двигая картинку в зависимости от перемещения камеры в пространстве.
Часто можно выбрать несколько степеней электронной стабилизации. Чем выше уровень стабилизации, тем сильнее обрезается картинка.
Видео с отключённой электронной стабилизацией:
Видео со включённой электронной стабилизацией. Угол обзора уже, но картинка дрожит меньше:
У такого типа стабилизации есть недостаток: картинка обрезается по краям, а значит теряется качество изображения и уменьшается угол обзора. Зато он самый недорогой — для его реализации нужно лишь программное обеспечение. Кстати, такой тип стабилизации можно реализовать не только при съёмке видео, но и при обработке его на ПК. Некоторые программы для видеомонтажа тоже имеют функции электронной стабилизации.
Оптическая стабилизация в объективе
Если на вашем объективе Nikkor красуются буквы VR (Vibration Reduction), значит он оснащён системой оптической стабилизации. Другие производители объективов тоже имеют свои системы стабилизации: они сходны по принципу действия, а вот названия технологий отличаются.
В объективе, оснащённом системой оптической стабилизации, есть специальный подвижный блок линз и установлены гироскопические датчики. Датчики распознают вибрации, а блок линз за счёт движения в противофазе гасит их. В камеру попадает уже картинка без дрожания.
Пример блока оптической стабилизации
Nikon AF-S 24–70mm f/2.8E ED VR Nikkor — пример объектива с оптическим стабилизатором
Эта система стабилизации существует на рынке довольно давно, и фотографы успели к ней привыкнуть, распробовать её плюсы. Сегодня многие объективы оснащаются такой системой стабилизации. Даже простые «китовые» зумы имеют VR.
Некоторые продвинутые объективы (например, Nikon AF-S NIKKOR 70-200mm f/2.8E FL ED VR) могут иметь несколько режимов работы оптического стабилизатора.
Переключатель, отвечающий за работу с VR, имеет несколько положений. Если с OFF всё понятно (это выключение стабилизатора), то что за два других режима NORMAL и SPORT? В режиме NORMAL стабилизация происходит постоянно, даже при простом визировании картинки через видоискатель. Кстати, когда в видоискателе картинка не дрожит, «целиться» в объект съёмки гораздо удобнее — и фотографу, и системе автофокуса. Также этот режим распознаёт характер вибрации, и если вы захотите сделать панорамирование, съёмку с проводкой, он не будет гасить эти движения камеры. Режим SPORT используется тогда, когда вибрации непредсказуемы и хаотичны. В этом режиме стабилизация происходит только в момент съёмки, камера гасит любые колебания. Этот режим хорошо подойдёт, например, для съёмки из окна едущего автомобиля.
Видеопример: съёмка без оптического стабилизатора и с включённым стабилизатором
Считается, что среди телеобъективов наилучшие результаты показывает именно стабилизация в объективе, а не на матрице (об этом типе стабилизации чуть ниже). Ведь модуль стабилизации в объективе приспособлен для работы с большим фокусным расстоянием.
У стабилизации в объективе есть и свои нюансы. Разные объективы оснащены разными стабилизаторами. А это значит, что в работе фотографу придётся учитывать особенности каждого из них. У какого-то стабилизатор более эффективен, у какого-то менее, а у третьего его нет вообще. Это придётся учитывать при съёмке, настройке выдержки и других параметров. Как уже упоминалось, стабилизатор в объективе не может гасить колебания по оси кручения, и по этой причине новички часто получают смаз из-за резкого нажатия кнопки спуска. Блок стабилизатора в объективе — это прибавка в весе, да и в цене оптического изделия. Объективы без стабилизатора, как правило, легче и стоят дешевле.
Стабилизация на матрице
Данная технология сравнительно новая, но она уже завоевала немало приверженцев. Суть в том, что механизм стабилизации находится не в объективе, а на матрице фотоаппарата. Матрица установлена на специальном механизме, который, двигая её, гасит вибрации камеры. Такая технология используется в беззеркальных камерах Nikon Z 6 и Nikon Z 7. Благодаря размещению всего механизма на матрице, можно обеспечить компенсацию вибраций не по четырём, а по пяти осям. Заявленная эффективность матричной стабилизации в новых беззеркалках от Nikon — до 5 ступеней экспозиции. Серьёзный показатель, особенно для полнокадровой камеры! Ведь полнокадровая матрица крупнее и тяжелее прочих, приводу стабилизации труднее двигать её в нужную сторону.
Раз стабилизация находится на матрице, то её получает любой объектив, установленный на фотоаппарат. Даже если это старый мануальный фикс. Правда, в таком случае стабилизация будет не по пяти, а максимум по трём осям. Для работы оставшихся двух камере нужна информация о дистанции съёмки, а её такие модели не передают.
А если на Nikon Z 6 или Nikon Z 7 установить объектив, имеющий собственный стабилизатор, системы будут работать в паре, обеспечивая ещё более высокий уровень стабилизации.
Как использовать оптическую стабилизацию?
Работать с оптической стабилизацией тоже придётся учиться. Иногда фотографы в разгаре съёмки вообще забывают о грамотной настройке параметров. А иногда пользователь злоупотребляет излишне длинными выдержками, надеясь на эффективную работу стабилизатора. Но даже если камера отработает секундную выдержку без вибраций, движение в кадре всё равно может оказаться смазанным. Так, позирующие модели будут смазаны на выдержках длиннее 1/60 с. Фотографу нужно научиться подбирать выдержку, достаточную для «заморозки» движения в кадре, иначе от стабилизатора пользы не будет, ведь он компенсирует лишь вибрации камеры в руках, а не движения ваших героев.
А вот при съёмке на выдержке в секунду, две, десять лучше уже использовать штатив. Результат со штатива всегда предсказуем. Но при необходимости можно научиться и без штатива, с одним лишь стабилизатором получать резкие кадры на выдержках до нескольких секунд. Об этом мы рассказали в отдельном уроке. Но в большинстве случаев хорошо, если стабилизатор будет вашей подстраховкой, а не последней надеждой на резкий снимок. Во время съёмки дрогнула рука или вас толкнули? «Стаб» защитит кадр!
Стабилизацию принято отключать при установке камеры на штатив. Не во всех объективах стабилизаторы корректно отрабатывают длинные выдержки, иногда их работа становится причиной смазанных кадров. Чтобы не искушать судьбу, стабилизатор в объективе при установке камеры на штатив отключают. Но по опыту могу сказать, что в новых Nikon Z 7 и Nikon Z 6 работает корректно даже на выдержках в несколько секунд. К примеру, я снимал на длинной выдержке с Парящего моста в парке Зарядье. Конструкция моста такова, что он всегда немного вибрирует. Благодаря эффективной работе стабилизатора в Nikon Z 7, я получил здесь чёткие кадры.
Стабилизатор очень важен при работе с камерами, имеющими высокое разрешение, такими как Nikon Z 7 и Nikon D850. 45 Мп сделают заметным мельчайший смаз в кадре! Поэтому очень хорошо, что у Nikon Z 7 есть стабилизатор прямо на матрице — он будет полезен практически на каждой съёмке! Даже если вы не знаете, что он есть в камере, «стаб» будет стоять на страже резкости ваших снимков.
Компания Olympus использует стабилизацию изображения на сдвиге матрицы с момента запуска беззеркальной линейки PEN, а в 2012 году в модели OM-D E-M5 была запущена усовершенствованная, «пятиосевая» система стабилизации. Термин, на мой взгляд, не самый удачный – мы все же живем в трехмерном мире, в котором пяти координатных «осей» быть никак не может – но тем не менее, за прошедшие годы система доказала свою высокую эффективность, а в недавно вышедшей модели Olympus OM-D E-M5 II она была еще улучшена, с акцентом на видеосъемку.
Увидеть наглядно, как работает стабилизатор на сдвиге матрицы, позволяет видеоролик, сделанный специалистами сайта Micro 4/3rds Photography.
Они сняли объектив с камеры Olympus OM-D E-M5 II, при этом можно заглянуть внутрь и увидеть матрицу в работе. Непосредственно напротив была закреплена камеры Panasonic Lumix GH4 с фишай-объективом Samyang 7.5mm f/3.5 – ею и был снят ролик. Для более равномерного освещения вокруг фишая поместили белую бумагу. Объектив был сфокусирован на ближайшее возможное расстояние, а диафрагма прикрыта до f/8 для обеспечения заведомо достаточной глубины резкости.
Далее обе камеры запустили на запись видео. По мере того, как всю конструкцию раскачивали, камера E-M5 II отслеживала эти движения, и ее матрица сдвигалась для их компенсации. Амплитуда колебаний матрицы довольно большая, что и обуславливает в итоге высокую эффективность этой системы стабилизации.
Заметим – чтобы камера Olympus E-M5 II, в частности ее система стабилизации изображения, работала без объектива, в меню нужно вручную задать фокусное расстояние установленного мануального объектива. Такие объективы в любом случае не обмениваются информацией с электроникой камеры, поэтому камера “поверит” вам, что мануальный объектив установлен, хотя на самом деле его нет. Создатели ролика отмечают, что для съемки этого ролика в меню Olympus E-M5 II было задано фокусное расстояние 15 мм. Если же выставить большее значение, например, 50 мм, то матрица будет колебаться еще сильнее:
Продолжение материала. Предыдущую часть (2) читайте здесь. Начало (часть 1) читайте здесь.
Первый цветной гелиохромный дагерротип был получен Ливаем Хиллом в 1853 году. В 1855 году Джеймс Максвелл создал теорию цветоощущения и уже тогда считал, что без увеличения чувствительности фотоматериала к зелёной и красной частям спектра достойного результата не получить.
Сергей Михайлович Прокудин-Горский снимал в 1901-1917 гг. на камеру Митте (в берлинской лаборатории профессора Митте обучался Прокудин-Горский — прим. ред.) чёрно-белые, цветоделённые по методу Максвелла фотографии. На одной бромо-серебряной фотопластине располагались три негатива, каждый из которых экспонировался за аддитивным цветным фильтром - красным, зелёным и синим.
В 1995 году была выпущена цифровая фотокамера Minolta RD-175, созданная на базе модели Minolta Dynax/Maxxum 500si. Компания Minolta реализовала проект в сотрудничестве с Agfa. Последняя продавала RD-175 под маркой Agfa ActionCam. В камере призма рассекала и разводила лучи света на три ПЗС-матрицы, каждая из которых имела разрешение 0,38 Мпикс. Два сенсора записывали зелёный канал, третий - красный и синий. Такая система требует тончайшей юстировки и применима, как правило, в массивных видеокамерах. Кроме того, матрицы большого размера адаптировать к системе 3ССD/3CMOS очень сложно.
Стандартной для цифровой фотоаппаратуры стало применение технологии мозаичной решётки сотрудника компании Kodak Брайса Байера, который запатентовал её в 1976 году. Массив цветных регулярно-расположенных фильтров накрывает пиксели сенсора и каждый воспринимает только 1/3 спектрального диапазона. В классике это квадрат из четырех квадратиков, диагонально - два зелёных, другие - красный и синий фильтры. Тут же столкнулись с необходимостью «де-мозаичности» и увеличения резкости. Функции взял на себя процессор, он же занимается управлением контрастом, яркостью, подавляет тепловой и цифровой шумы - а тут ещё и с растровыми искажениями, муаром приходится бороться.
Перед микролинзами с фильтрами Байера расположен ещё один фильтр - антимуаровый/низкочастотный/инфракрасный. У него две задачи: удаление муара и защита сенсора от ИК-потока. Муар появляется при восстановлении цветоделённого изображения, когда частота повторяющихся элементов рисунка совпадает с частотой растра цветного фильтра. Чтоб не совпало, растр фильтра делали не из 4, а даже из 24 цветных элементов, особым образом расположенных. Тем не менее мозаичность - проявляется, да и муар - тоже. Тепловое излучение «сбивает» цветовосприятие фотоматериала. В плёночной практике использовали защитные фильтры, спектрально обрезающие паразитный частотный ИК-диапазон (UV-IR).
Особенно это понадобилось, когда компании-производители стали выпускать цифровые фотокамеры с убранным ИК-фильтром. Во-первых, такие модели понадобились астрофотографам. Во-вторых, фотохудожникам. В некоторых ситуациях ИК-фильтр «съедает» до 15% деталей и оттенков цветов. Однако сам термин «отсутствие фильтра» сегодня неверен. Ранее приходилось использовать физический ИК/low pass/низкочастотный/«анти-алиайзинговый» фильтр (и тогда его можно было действительно - «ручками» - убрать или заменить на другой, с подходящим диапазоном пропускания, например, для астрофотографии) перед сенсором, не способным работать при избыточных уровнях ИК-излучения (и все цвета получат «чайно-фиолетовый» оттенок). А в критических случаях перед объективом приходилось ставить UV/IR-защитные светофильтры.
В современной цифровой камере перед сенсором установлен заграждающий (отсекающий) ИК-фильтр, который снижает чувствительность матрицы к излучению в ИК-диапазоне. Подобные резонансные фильтры, имеющие многозвенное/многослойное покрытие, типа просветляющего, создают крутой спад АЧХ и хорошо отсекают ненужное ИК/УФ-излучение, не трогая крайние части диапазона видимого света. Что мы выигрываем?
Нет рассечения всего частотного диапазона на «пучки» спектра; понижается ИК-засветка; значительно снижается паразитная составляющая предсенсорных фильтров - всё это повышает резкость и контраст изображения на 30%; повышается чёткость передачи оттенков цвета на 25-30%.
Как результат, появилась возможность процессорного повышения резкости за счёт малого уровня дифракции вокруг сфокусированной точки. В моделях Sony A* имеются недокументированные процессорные функции дифракционного контроля и зонального повышения резкости.
В камере Sony RX-1RII появилась система отключаемого жидкокристаллического ИК-фильтра. Если нужно суперразрешение - выключаем, если нужен точный цвет и без муара - включаем. Не исключаю, что в дальнейшем подобный ЖК-слой будет встроен в микролинзу каждого пикселя, что даст возможность процессору своевременно управлять детализацией и оттенками.
Необычные байеровские матрицы
Великолепным решением отличилась компания Fujifilm. Добиваясь точного цвета в первую очередь, и только во вторую думая о противодействии муару, она создала серию матриц Super-CCD с разнесёнными октагональными, диагонально-расположенными пикселями разного размера для восприятия данных высокого и низкого контраста. «Зелёные» пиксели — двойные. Для малых уровней освещённости и ситуаций малого контраста в структуру введены дополнительные "зелёные" пиксели бОльшего размера. С переходом на EXR CMOS (2011) с диагональным расположением пикселей компания Fujifilm отработала систему считывания со сдвигом, умножающую поток данных. До этого приходилось двигать всю матрицу физически. Позже подобная система появилась на камерах Pentax (APS-C – 2015), Olympus (m4/3 – 2015) и Sony (24x36 – 2017).
Полноцветные матрицы
Первым был Foveon - сенсор с трёхслойным расположением цветочувствительных сенсоров в каждом пикселе. Верхние два слоя - полупрозрачные, точнее спектрально-прозрачные. Тип сенсоров производства компании Foveon - ПЗС. Это одна из причин, по которой разработчик этой системы, профессор калифорнийского университета Карвер Меад, назвал многослойную сенсорную технологию «тупиковой ветвью».
Сложнейшая система считывания, жёсткая система обработки, малая скорость при больших потерях — это не позволяет добиваться развития системы. Всё, что было сделано компанией Sigma на сенсоре Foveon X3, это повторение давней системы с улучшенной обработкой без эффективного продвижения вперёд.
В 2007 году компания Nikon опубликовала патент на собственную полноцветную систему - с дихроичными зеркалами. Под одной микролинзой расположено два дихроичных зеркала, после первого часть светопотока отклоняется на сенсор синего, а поток идёт ко второму зеркалу. После второго дихроичного зеркала светопоток отклоняется на сенсор зелёного, а остальной поток идёт к сенсору красного. Второе зеркало ещё и поглощает инфракрасный поток - в первых патентах этим занималось отдельное зеркало. Развития не произошло ввиду сложности производства.
В 2015 году компания Sony показала патент экспериментального сенсора с двумя пикселями под одной микролинзой. Пиксели имеют свои цветные фильтры и дополняют информацию друг друга, как в применяющейся Canon двухцветной системе фокусировки.
Прогнозы на будущее
В дальнейшем байеровские фильтры могут интегрироваться в пиксель под микролинзу, а в ближайшем будущем возможно их замещение встроенными в микролинзу цветными жидкокристаллическими затворами. Тогда каждый пиксель сможет передавать последовательно сигналы цветности: красный, зелёный, синий, зелёный, белый, зелёный, красный, например, в необходимой комбинации. А с открытыми затворами получится монохром.
Ещё интереснее перспективы развития вариантов с дихроическим спектральным делением сразу на три сенсорных модуля под единой микролинзой большого диаметра. Громадный динамический диапазон, минимальные потери, но - огромный поток данных к процессору.
Уже сегодня перед процессором пришлось поставить распределителя - модуль LSI (линейный системный интегратор). Из огромного потока он выделяет, сортирует и передаёт в процессор последовательно данные об изображении, цвете, балансе белого, точке фокусировке и подвижности объектов, глубине резкости и искажениях, поступающих от объектива. LSI - единственный греющийся модуль в системе. А работы будет только больше: добавился попиксельный сдвиг считывания.
Матрица камеры Sony ILC-E A7RIII
Первоначально в среднеформатных цифровых задниках использовался точнейший сдвиг всей матрицы на один пиксель вверх-вправо-вниз-влево. Каждый раз экспозиция уходила в буфер, откуда её брал процессор, сшивал и записывал учетверённый по объёму кадр. Разрешение - огромное. Систему усовершенствовали компании Pentax и Olympus, увеличив количество сдвигов. Нет, сенсор они не трогали, а вот считывания с сенсора стали сдвигать.
Сегодня в камере Sony ILC-E A7RIII производится 4 считывания по 3 цветам и вместо 42 Мпикс. на изображение работает 166,6 Мпикс. Объём кадра - огромный, но это как раз то, что необходимо пейзажистам, рекламщикам и тем, кто. не умеет снимать. Последним нужен объём несжатого RAW-файла, чтобы его обрабатывать, исправляя собственное неумение сразу снимать правильно.
В потребительской технике всегда торжествует компромисс, о котором мы совершенно не задумываемся. Например, наше представление о передаче трехмерного пространства на плоской, двумерной фотографии, как правило, сводится к фокусному расстоянию объектива. Широкоугольник охватывает много объектов, телеобъектив — мало, кроме того, он уменьшает эффект пространственной перспективы. Но как, к примеру? 16-мм объектив, являясь широкоугольным для полнокадровой зеркалки, превращается в телевик для компактной камеры?
В поисках нормального объектива
Следует понимать, что характеристики объектива определяются не только (и не столько) его фокусным расстоянием, сколько размером светочувствительного элемента. В зависимости от эпохи, аналоговой или цифровой, это — кадр пленки или матрицы. Именно отношение фокусного расстояния объектива к диагонали кадрового окна и служит мерой нормальности объектива для фотоаппарата, с которым он используется. Если этот показатель значительно меньше единицы, объектив является широкоугольным, если больше - длиннофокусным, близок к единице — нормальный. Напомним, что для кадра 24х36 мм с диагональю 43,3 мм нормальными являются объективы с фокусным расстоянием f=40-60 мм; для среднего формата 6-см пленки граница нормальности f=70 мм; для полукадра 18х24 мм - f=30 мм.
Как формат определяет конечное качество изображения
Размер кадра пленки или матрицы определяет не только «перспективные» особенности получаемого изображения. В фотоиндустрии именно размер кадра, или формат, является компромиссным выбором, который необходим для выполнения различных требований.
Во-первых, размер кадра определяет габариты самой камеры — большая или компактная. Во-вторых, размер кадра важен для достижения необходимой светочувствительности и детализации изображения. В-третьих, он косвенно определяет возможность и степень управления глубиной резкости. Например, в художественной портретной фотографии мы обычно стремимся к уменьшению глубины резкости. В пейзажной и технической, наоборот, к ее увеличению. В зависимости от того, какому требованию разработчики отдают предпочтение, реализуется то или иное решение.
Фотограф может снимать на форматные пленки и сканирующие задники с размерами в десятки сантиметров, когда камера достигает метровых габаритов. А сотрудник спецслужбы - использовать для выполнения задания миниатюрную камеру-пуговицу в запонке. Но каждый их них получает необходимый результат и совершенно не переживает из-за своих габаритов фототехники.
Перейти в галерею фотографа
Характеристики объектива определяются не только его фокусным расстоянием, сколько размером светочувствительного элемента. Именно отношение фокусного расстояния объектива к диагонали кадрового окна и служит мерой нормальности объектива для фотоаппарата, с которым он используется. Если этот показатель значительно меньше единицы, объектив является широкоугольным, если больше - длиннофокусным, близок к единице — нормальный.
О минусах миниатюризации
Удобство использования камеры определяется возможностью ее транспортирования и выполнения съемочных настроек с помощью кнопок, дисков, тачпэдов и сенсорного экрана. Аппарат с 10-сантиметровыми габаритами кажется наиболее эргономичным, и кадр форматом в несколько сантиметров как раз ему подходит. Но если понадобится сделать компактный телезум-объектив, чтобы носить камеру в кармане, то кадр придется уменьшить. Однако тут же возникает масса проблем. При значительном уменьшении размера кадра станет весьма затруднительно реализовать сложную механику управления, юстировку оптики, сохранить достаточную светочувствительность и разрешение. На практике с этим сталкиваются обладатели недорогих смартфонов. Стремление к миниатюризации приводит к повышенным шумам, завалам резкости и контраста по полю кадра из-за неточной юстировки оптики.
Эпоха полного кадра
Следующее требование - обеспечение требуемого разрешения и светочувствительности. Изображение элемента снимаемого объекта регистрируется ячейкой сенсора или светочувствительным кристаллом пленки. Чем они (ячейка и кристалл) больше, тем больше светового потока смогут захватить. Соответственно, вполне закономерное желание - использовать светочувствительные элементы покрупнее. Однако возникает другая задача — разрешение, количество пикселей или кристаллов.
Чтобы увеличить разрешение, нужно увеличить размеры матрицы или кадра пленки. С пленкой проще - просто перейти на больший формат, например, 6х9 см или 4х5 дюймов.
А вот увеличивать размеры матрицы слишком дорого. Только к настоящему времени доступная цельная матрица доросла до полного кадра 24х36 мм. А ведь в свое время компании-производители даже сращивали две недорогие маленькие матрицы в одну большую. Например, такое решение было реализовано в камере Minolta RD-3000, выпущенной в 1999 году. В ней две матрицы по 1,5 Мпикс. с помощью призмы формировали изображение с финальным разрешением 2,7 Мпикс.
Ограничения в гонке мегапикселей
Чтобы повысить разрешение, приходится уменьшать размер регистрирующего элемента сенсора при сохранении формата матрицы. К сожалению, и для пленки, и для матрицы существует физический предел уменьшения размера отдельного элемента. А значит, что и у разрешения тоже есть свой предел. Речь идет о дифракционном рассеянии света, обусловленное ограниченностью размера объектива. Оно накладывает ограничение на минимальный шаг между светочувствительными элементами матрицы.
Например, чтобы раскрыть потенциал по разрешению объектива с диафрагмой f/2, достаточно использовать матрицу с минимальной дистанцией между светочувствительными элементами около одного микрона.
Использовать матрицу с шагом меньше 3 микрон с оптикой со светосилой f/5.6 не имеет смысла, поскольку пятно дифракционного рассеяния растет пропорционально диафрагменному числу.
В случае с пленочной фотографией ограничением на разрешение является структура фотоэмульсии. Хотя размер светочувствительного кристалла современных пленок и близок к одному микрону, но их распределение в слое эмульсии толщиной в несколько микрометров ограничивает разрешающую способность обычной фотопленки примерно 10 микронами (100 линий/мм).
Маленькие шаги на пути к гигантскому разрешению
А что происходит в цифровой фотографии, где матрица с шагом в один микрон уже стала реальностью? Попробуем оценить желаемую мегапиксельность полнокадровой матрицы 24х36 мм с шагом ячеек в один микрон применительно к объективу со светосилой f/2.
Тысяча элементов на миллиметр в пересчете на общее разрешение матрицы составят 24000х36000 или почти 900 Мпикс.! К сожалению, современная электроника не способна поддерживать такую матрицу, а именно, эффективно считывать и сохранять получаемый гигантский объем информации. Про массовый выпуск таких матриц мы даже не говорим.
В настоящее время в системных камерах Sony устанавливают полнокадровые матрицы с разрешением 42,4 Мпикс. и шагом 4,5 микрона (ILCE-7RM2). Имеет ли смысл дальнейшее повышение разрешения? С точки зрения потребителя, несомненно. Однако с инженерных позиций, при современном уровне развития технологий вряд ли будет оправданным стремление к повышению разрешения до дифракционного предела. Неидеальность оптики (аберрации и ошибки юстировки, фокусировки) устанавливает свои, более грубые, чем дифракционный предел, ограничения на увеличение разрешения.
В тоже время компания Sony наращивает линейку объективов серии G Master, которые способны поддерживать матрицы с разрешением в 100 Мпикс. Неужели нас ждет очередная сенсация?
Ну, а маленькие матрицы с шагом, близким к одному микрону, успешно используются в цифровых компактах и смартфонах.
Перейти в галерею фотографа
Полнокадровая матрица в камере Sony A7R II. Разрешение 42,4 Мпикс.
О плюсах и минусах глубины резкости
Наконец, третья характеристика фотоизображения - глубина резкости. Для начала вспомним, что такое гиперфокальное расстояние. Мы видим резкими объекты не точно на дистанции наводки на резкость, а в некотором диапазоне около нее. И можно выбрать дистанцию наводки объектива так, что при установленной диафрагме все объекты от точки наводки на резкость и до бесконечности будут казаться резкими. Эта дистанция и есть гиперфокальное расстояние. Как правило, оно пропорционально квадрату фокусного расстояния и обратно пропорционально диафрагменному числу.
Для портретов это, может быть, и не очень здорово, а для предметной и макросъемки, наоборот, просто замечательно. Ведь за увеличение глубины резкости не нужно платить диафрагмированием объектива, длинной выдержкой, повышением светочувствительности и, в конце концов, чистотой картинки (шумами) и резкостью.
Заключение
На фоторынке сейчас можно встретить самые различные предложения. Однако чтобы хорошо ориентироваться в них, следует знать основные параметры фототехники и понимать важность каждого их низ применительно к своим задачам. Собственно, мы их изучили. Теперь можно переходить к выбору конкретной камеры, и этой теме посвящен следующий материал.
Читайте также: