Сердце цифровой фотокамеры: ПЗС-матрица (часть пятая)

Большинство мероприятий, предпринимаемых для улучшения качества изображения, представляют собой длительный, кропотливый и малопонятный для неискушённого наблюдателя процесс. Повышение чистоты материала, сокращение механических допусков при монтаже – всё это звучит скучно и не может использоваться для шумной рекламной кампании. А вот использование понятных для всех иллюстраций обязательно привлечёт живое внимание.

Ромб вместо квадрата

Истории любительской цифровой фототехники известны модели, у которых количество строк и столбцов матрицы меньше, чем горизонтальное и вертикальное разрешение файла со снимком. Дело в том, что при малом количестве элементов ПЗС-матрицы производители прибегают к рекламному трюку, указывая интерполированное разрешение. При этом изображение «растягивается» по вертикали и горизонтали, а недостающие точки рассчитываются при помощи математических алгоритмов. Разумеется, качество изображения при этом ниже, чем при съёмке матрицей с более высоким разрешением, кроме того, такое же «улучшение» снимка может быть достигнуто при обработке снимка на компьютере с помощью соответствующего программного обеспечения. Таким образом, необходимо проводить чёткую грань между разрешением ПЗС-матрицы и разрешением снимка. Настоящее качество обеспечивается только реальными столбцами и строками.

В 2000 году компанией FujiFilm была разработана SuperCCD – ПЗС-матрица, пиксели которой имели не стандартную прямоугольную, а восьмиугольную форму.

Расположение пикселей также было необычным: два зелёных, синий и красный элементы матрицы находились внутри повернутого на 45° квадрата. Количество столбцов задавалось пикселями в левом и правом углах, а количество строк – в верхнем и нижнем углах данного квадрата. При этом электроды переноса заряда в некотором роде «обтекали» светочувствительные области, позволяя сделать их более крупными и чувствительными к свету.

Разумеется, в цифровом изображении такое расположение точек невозможно, поэтому необходимо «повернуть» на 45° каждый из квадратов. По заявлениям FujiFilm, после выполненного программным обеспечением камеры «поворота» образуются «дополнительные» столбцы и строки. Правда, при этом замалчивалось, что образовывались они исключительно за счёт интерполяции, а сам факт преобразования преподносился как удвоение вертикального и горизонтального разрешения матрицы.

Единственная ситуация, при которой преимущество структуры SuperCCD бесспорно, возникает тогда, когда изображение, формируемое объективом, содержит строго горизонтальные либо вертикальные линии с шагом, меньшим, чем расстояние между строками либо столбцами «классической» матрицы. Впрочем, и в этом случае эти линии будут наполовину состоять из интерполированных точек.

Зато диагональные линии столь же частого шага «классическая» матрица обнаружит, а SuperCCD пропустит, хотя именно из них по большей части состоят реальные объекты. Однако тестовые таблицы содержат как раз горизонтальные и вертикальные сетки, да и человеческое зрение активнее реагирует именно на такие линии.

Чтобы определить, обеспечивает ли «хитрое» расположение пикселей SuperCCD двукратный рост разрешения, автором статьи при тестировании шестимегапиксельной фотокамеры FujiFilm FinePix S7000 Zoom был проведён простой эксперимент. Напротив объектива была расположена коробка со штрихкодом, при этом дистанция съёмки подбиралась таким образом, чтобы при «12-мегапиксельном» снимке полученное изображение было на пределе различения деталей. Затем при тех же самых параметрах съёмки разрешение кадра было изменено до «шестимегапиксельного», а полученная фотография была «растянута» в программе Adobe Photoshop до размеров «12-мегапиксельного» изображения. В результате выяснилось, что при всем желании о двукратном росте разрешения говорить нельзя.

Однако повышение чувствительности SuperCCD было очевидным при тестировании камер одинакового года выпуска. В этом случае при последовательном повышении эквивалентной чувствительности фотоаппараты FujiFilm неизменно начинали «шуметь» заметно позже, чем их конкуренты с классическими ПЗС-матрицами.

Следует отметить, что с 2005 года FujiFilm отказалась от использования интерполированного разрешения в камерах, оснащённых матрицей SuperCCD. В частности, появившаяся в феврале того года модель FinePix F10 оснащалась сенсором из 6,3 миллиона элементов, и максимальное разрешение снимков (2848x2136) полностью соответствовало количеству пикселей матрицы.

Тем не менее в 2006 году «дурному примеру» FujiFilm последовал крупнейший производитель ПЗС-матриц – концерн Sony. Новинка, КМОП-матрица под кодовым названием ClearVid, тоже имела диагональное расположение элементов, однако, в отличие от серии SuperCCD, пиксели были не октагональными, а ромбическими, в виде развёрнутого на 45° квадрата. Как и в случае с матрицами FujiFilm, маркетинговый отдел Sony прилагал все усилия, чтобы убедить потенциальных покупателей в «возросшем разрешении» нового сенсора.

Отличалась и «раскраска» новой матрицы – на каждую пару «синий пиксель + красный пиксель» приходилось не два, а шесть зелёных пикселей. Такой вариант «раскраски», по замыслу разработчиков, должен обеспечивать большую чувствительность матрицы. Памятуя о проблемах с восстановлением цвета, постигших разработчиков первой цифровой зеркалки Kodak DSC-100 (её соотношение цветов светофильтров было таким же), создатели ClearVid постарались более равномерно распределить синие и красные пиксели по зелёному фону.

Прошедший год показал, что КМОП-матрицы ClearVid используются только в видеотехнике Sony, а в цифровых фотоаппаратах этой фирмы продолжают применяться «классические» пиксели.

Когда два меньше одного…

В начале 2003 года FujiFilm объявила о появлении четвёртого поколения сенсоров SuperCCD. Наряду с моделями высокого разрешения (обозначавшимися HR – High Resolution) в ассортименте оказались матрицы с расширенным динамическим диапазоном (с индексом SR – Super Dynamic Range). Показатели были довольно посредственными: при диагонали 1/1,7 дюйма не интерполированное разрешение составляло 2048x1536, то есть 3 мегапикселя, а максимальная чувствительность без уменьшения разрешения – ISO 400. В то же время основной поставщик матриц для любительской техники, Sony, при тех же габаритах сенсора обеспечивает разрешение 2592x1944 (то есть 5 мегапикселей) при максимальной чувствительности ISO 800. Однако в действительности матрица Fuji состояла из 6 миллионов фотоэлементов, другое дело, что их размер и расположение были несколько нестандартными.

Дело в том, что каждый пиксель матрицы SuperCCD SR состоял из двух фотоэлементов, расположенных под одной микролинзой. Один из элементов был меньшего размера и отличался низкой чувствительностью, благодаря чему «переполнение» его потенциальной ямы практически не происходило. Рядом располагался элемент большей площади, его чувствительность была значительно выше, равно как и риск «переполнения» его ямы. После того как информация с сенсора считывалась в усилитель, а затем обрабатывалась АЦП, оцифрованный кадр в ОЗУ фотоаппарата обсчитывался встроенным процессором. При этой операции данные о заряде ям «малого» и «большого» фотоэлементов каждого из пикселей складывались таким образом, что белому свету максимальной яркости соответствовала сумма максимальных значений зарядов ям обоих фотоэлементов. Таким образом, даже при «переполнении» ямы большого фотоэлемента какую-то часть полезной информации можно было снять с малого фотоэлемента. И вместо яркой белой точки, наблюдаемой в матрицах классической конструкции, пиксель мог иметь вполне реальные значения цвета и яркости.

Однако при всей оригинальности замысла нельзя не отметить ряд очевидных «узких мест». Во-первых, усложняется задача борьбы с блюмингом. Очевидно, что при организации вертикального дренажа фотоэлементов со столь отличающимися значениями чувствительности прилагаемый на подложку дренажный потенциал для каждого из элементов должен быть разным. Поскольку фотоэлементы расположены очень близко, возможно влияние более высокого дренажного потенциала на «чужую» яму, в результате чего в подложку будет «утекать» полезная информация. Ну а при организации бокового дренажа площадь потерянной светочувствительной области будет в два раза выше, чем у классической матрицы.

Во-вторых, в два раза повышается количество электродов внутри пикселя, отсюда следует рост источников темнового тока. Увеличение численности элементов обвязки негативно сказывается и на шуме фиксированного распределения. Предположим, что разработчикам Fuji каким-то образом удалось решить проблемы – как с блюмингом, так и с уровнем шума. Будет ли в этом случае матрица SuperCCD SR кардинально превосходить классический сенсор с тем же разрешением и габаритами? Вряд ли. В любом случае «классический» пиксель будет превосходить «спарку» FujiFilm как по светочувствительной площади (то есть по чувствительности), так и по объёму потенциальной ямы (то есть по реальному динамическому диапазону).

Заключение

При всём разнообразии технологий, применяющихся при производстве ПЗС-матриц, базовые принципы остаются неизменными на протяжении почти сорока лет – с тех пор как сотрудники AT&T Bell Labs Уиллард Бойл и Джордж Смит открыли возможность переноса заряда под поверхностью полупроводника. Впрочем, нельзя исключать появление новых методик регистрации светового изображения, по сравнению с которыми существующая цифровая фотография окажется таким же анахронизмом, каким нам кажется теперь «химический» процесс съёмки.