Чем отличается цифровой фотоаппарат от пленочного? Сущей мелочью: способом фиксирования света, прошедшего через объектив. Все остальное — процессоры, шины, устройства накопления и т. п. — лишь дополнительные причиндалы, идущие в комплекте с матрицей, воспринимающей этот самый свет. Что касается автоматики фокусировки и экспозиции, так она есть и в традиционных камерах, так что, по сути, все сводится к одним лишь матрицам, заменяющим собой пленку.

Для начала разберем принципиальные отличия пленки от некой гипотетической матрицы¹. Отличие главное: светочувствительные элементы пленки (зерна галоидного серебра) по природе своей стохастичны — как их размеры и форма, так и расположение в эмульсии подчиняются закону нормального распределения, а все элементы матрицы расположены в виде регулярной решетки, причем их размер и форма четко фиксированы. Отличие менее принципиальное: элементом, образующим изображение в цветной пленке, является «облачко» красителя, конденсирующегося при обработке вокруг зерна металлического серебра. Естественно, контуры «облачка» размыты, а границы пиксела цифрового изображения обозначены четко. Остальные отличия относятся не ко всем типам матриц, о чем будет сказано ниже.

Поскольку в дальнейшем мы будем часто прибегать к «пленочным аналогиям», рекомендую ознакомиться с «устройством» современной пленки, описанным во врезке.

Разрешение

Разрешение зависит от количества точек изображения. Чем выше чувствительность пленки, тем ниже ее разрешение, и наоборот. У матриц все обстоит иначе: размер пиксела фиксирован, и чувствительность матрицы определяется чувствительностью пиксела. Теоретически она ограничена одним фотоном, но практически при очень слабом сигнале флюктуационные шумы «забивают» полезный сигнал.

Есть и еще один фактор, препятствующий повышению разрешения матриц без увеличения их геометрических размеров, — дифракция. Если пиксел будет сравним с длиной волны улавливаемого света, неизбежны дифракционные эффекты, так что размер пиксела опять-таки ограничен снизу длиной волны. Дело усугубляется тем, что матрицы чувствительны к инфракрасной составляющей спектра (в чем легко убедиться, направив в объектив светодиод ПДУ телевизора), имеющей значительную (в рамках видимого спектра) длину волны, а галоидное серебро без специальной обработки не видит ее в упор.

Далее, теоретическая чувствительность может быть достигнута лишь при охлаждении матрицы до абсолютного нуля, что практически недостижимо, поэтому реальная чувствительность сенсоров ограничена снизу уровнем тепловых шумов, а сверху — уровнем насыщения, когда дополнительная экспозиция уже не усиливает сигнал (что, полагаю, очевидно, и в комментариях не нуждается). Тут, надо заметить, принципиальную роль играет тип самих датчиков: ПЗС (он же CCD) или КМОП (CMOS).

Тип датчика

У обеих систем есть и достоинства, и недостатки. Принципиально датчики с потоково-зарядной связью (ПЗС) отличаются от комплементарных пар тем, что под воздействием света теряют заряд, а КМОП-датчики, наоборот, приобретают. Любопытно, что, поскольку вторая схема предусматривает возможность перенасыщения, при дальнейшей экспозиции возникает обратный эффект: КМОП-матрица начинает терять заряд, что ведет к эффекту истинной соляризации (на снимке попавшее в кадр солнце может оказаться темно-фиолетовым или даже черным), что роднит КМОП-матрицы с пленкой².

При этом спектральные характеристики ПЗС-матриц несколько лучше, что, казалось бы, дает им преимущество перед КМОП-сенсорами, но не тут-то было: компания Canon на очередном витке развития цифровых технологий обратилась к технологии КМОП, как более перспективной. Остальные производители профессиональной фототехники пока относятся к этому начинанию с осторожностью, и кто окажется дальновиднее, пока неясно, но Canon сделала чрезвычайно сильный ход, выбросив на рынок зеркальную камеру 300D с КМОП-матрицей по демпинговым ценам³.

Битый (и битный) цвет

Еще одно принципиальное отличие цифры от пленки: матрица (за одной оговоркой, имя которой Foveon) не видит цвета пиксела, воспринимая лишь интенсивность упавшего света, вследствие чего каждый пиксел изображения должен состоять из группы пикселов разных цветов. Цвет подпиксела при этом определяется прикрывающим его светофильтром. Как легко догадаться, при расположении пикселов в виде прямоугольника цвета приходится разбивать не на триады, как в основной цветовой схеме RGB (красный-зеленый-синий), а на тетрады. Чаще всего приоритет отдается зеленому цвету, и наиболее активным в схеме расположения светофильтров выступает зеленый — GRGB — как самый распространенный и олицетворяющий среднюю часть спектра, где человеческий глаз имеет наибольшую чувствительность. Впрочем, среди отклонений от нормы, кроме дальтонизма, как недавно выяснилось, существует тетрахроматизм, когда на глазном дне присутствуют колбочки, чувствительные не к трем, а к четырем цветам⁴, дополнительным среди которых выступает изумрудно-зеленый. Видимо, именно это и подвигло компанию Sony на создание матрицы с четырьмя разными фильтрами, из которых дополнительным выступает как раз изумрудно-зеленый. Насколько такой подход оправдан, покажет только практика.

Из прочих «светофильтровых» отклонений от стандарта наиболее заметным являются матрицы Foveon X3, где используется квантовый эффект: свет с разной длиной волны поглощается на разной глубине полупроводника. Таким образом, по цветовой схеме эта матрица наиболее близка к пленке: каждая точка изображения выступает не группой расположенных рядом точек, а одним «бутербродом» разноцветных пикселов. Подобная схема устраняет цветовые артефакты, возникающие из-за «размазывания» одной точки по группе из четырех разноцветных пикселов, что можно отождествить с увеличением разрешения в три раза.

Единственный элемент пленки, отсутствующий во всех вариантах, — это противоореольный подслой, нужда в котором отпадает потому, что вся энергия света поглощается кристаллом и паразитные отражения невозможны по определению.

1 Гипотетической — потому что матрицы весьма разнообразны, что вносит некоторый разнобой, но на базовом уровне их можно считать одинаковыми.
2 Хотя на пленке истинная соляризация наблюдается крайне редко благодаря большему динамическому диапазону, мне она несколько раз встречалась. Ни в коем случае не путайте с псевдосоляризацией — подробности о ней можно найти в учебниках по фотопечати.
3 См. «Огород Козловского» в этом номере.
4 Эта патология присуща только женщинам. В целях политкорректности (ПК), столь популярной за бугром, следует отметить, что дальтонизмом страдают только мужчины, и причиной тому служит не половая сегрегация, а Y-хромосома, не ведающая о демократии.