Светочувствительная матрица

Матрица состоит из множества маленьких светочувствительных ячеек-пикселей. Таких пикселей – миллионы, их количество измеряют в мегапикселях. Ячейка-пиксель отсчитывает количество попавшего в неё света, и отдает «мозгу» фотокамеры на обработку, и через мгновение сигналы ячеек становятся пикселями (цветными точками) нашей фотографии. 

Как именно ячейка-пиксель отсчитывает попавший на неё свет? 

Всё основано на том, что фотон света, попадая на кристалл кремния, выбивает из него электрон. Конструкция каждой ячейки матрицы такова, что выбитые электроны в момент снимка (а точнее в его процессе) накапливаются в некотором хранилище, а по завершении снимка в виде электрического тока направляются к процессору камеры на подсчет. И чем более вместительное это хранилище у каждой ячейки, тем больше динамический диапазон камеры, то есть, тем больше шансов спасти снимки с ошибками экспозиции. А ещё матрица учитывает цвет у фотонов, но такие подробности для понимания сути фотографии нам не понадобятся.

Количество мегапикселей

Это фиксированный параметр матрицы, заданный производителем, его не нужно настраивать. У разных фотокамер разное количество мегапикселей. Чем их больше, тем большего размера будут Ваши фотографии. Но больше – не обязательно лучше. Чем больше ячеек на матрице (при одинаковой площади сравниваемых матриц), тем плотнее друг к другу расположены ячейки и тем меньше света попадает на каждую ячейку, а это возможная причина возникновения шума на фотографии.

Сколько нужно мегапикселей?

Разумно для начала взять камеру с 12-24 МП. Чем больше мегапикселей, тем больше мелких различимых деталей мы имеем возможности рассмотреть на фото. Однако реальное повышение детализации возможно только при условии, что Ваш объектив достаточно резкий, чтобы действительно передать эти детали в "незамыленном" виде, что свойственно далеко не каждому объективу (подробнее в разделе об объективах). Кроме того, чем больше мегапикселей у камеры, тем меньше свободного места на Вашем компьютере. Большинство легендарных фотографий National Geographic не превышают 4 МП - делайте выводы! Однако, если Вы часто снимаете с запасом пространства (чтобы обрезать фотографии при обработке), то лишние мегапиксели не помешают!

Размер матрицы

Для создания портретов - чем больше, тем лучше, но фотокамера с большой матрицей стоит дороже. Для предметной фотосъемки небольших объектов, где требуется сфотографировать объект полностью резким, проще работать с небольшими матрицами. Профессиональные зеркальные фотокамеры обычно имеют размер матрицы примерно 35х24 мм (формат фотопленки) - камеры с такими матрицами называют полноматричными или FF (фулл-фрейм). В любительских и некоторых профессиональных камерах установлена матрица вдвое меньше по площади (кроп-камера). В камерах смартфонов установлены матрицы размером около сантиметра - этак раз в 8 меньше по площади, чем в FF камерах. 

Чаще всего на камерах с матрицами большого размера можно повышать чувствительность без особых последствий и такие камеры способны создавать меньшую глубину резкости, например, более размытый задний план у портрета, что очень ценится многими фотографами. 

Чувствительность

Это уже настраиваемый параметр, измеряют ее в ISO. Чем выше мы установим ISO, тем более чувствительна к свету будет матрица и ей понадобится меньше света для построения изображения. Высокие значения ISO обычно выставляют, когда съемка происходит при слабом освещении. Или когда происходят быстрые события и необходима очень короткая выдержка. Установка чувствительности производится через меню фотокамеры или с помощью сочетания нажатия кнопки с поворотом колесика – у разных камер по-разному. Найдите в инструкции к своей камере, как происходит настройка ISO. В любом случае повышение чувствительности реального света на матрицу не добавит, более светлым Ваше фото сделает компьютер фотокамеры, а, следовательно, на фото начнет появляться шум, чем выше ISO, тем больше шума. Бесшумными значениями ISO будет 100-200, на больших значениях (400, 800, 1600, 3200 и т.д.) шума всё больше и больше. 

Низкий уровень шума на высоких ISO - это мечта любого фотографа, поскольку на практике практически всегда бывает недостаток света.

Шум

Пример фотографии без шума и с шумом:

Если сфотографировать однотонную гладкую поверхность на высоких значениях ISO, то ближайшие друг к другу пиксели изображения будут иметь разную яркость и цвет. Это и есть шум:

Высокий уровень шума затрудняет восприятие значимых мелких деталей Вашего фото, особенно если они находятся в тени, где уровень шума выше, чем в светлых участках изображения. Кроме того, на высоких значениях ISO камера начинает врать цвета и делать их менее насыщенными. Шум может играть и положительную роль – связывать содержание снимка (составляющие объекты) в единое целое, в том случае, когда мелкие детали не играют роли. Обработка и ретушь фотографий с шумом имеет ряд сложностей и практически не обходится без потерь качества на выходе.

Причина возникновения шума – в квантовой природе света. Свет состоит из фотонов, их количество регистрируется каждой ячейкой матрицы. Рассмотрим упрощенный пример, когда две соседние ячейки матрицы должны зарегистрировать одинаковое количество фотонов (соответственно, на фото мы должны получить два одинаковых по яркости пикселя). Практически количество зарегистрированных в ячейках фотонов окажется несколько разным – в одной ячейке чуть больше, в другой чуть меньше. Если света много: в одной ячейке зарегистрировано 1000 фотонов, а в другой 1010 шт. – это не большая проблема. Если света мало: в первой окажется 4, а в соседней 5 – это уже существенно скажется на качестве нашего изображения: рядом будут находиться 2 пикселя с разностью яркости на 20%! Вот Вам и шум! Поток фотонов носит случайный характер, в какое-то мгновение их может прилететь чуть больше или чуть меньше. Вы замечали, как мерцают звезды? Мерцание свойственно наиболее маленьким звездам, мы видим их свет буквально по отдельным фотонам. Более яркие звезды уже не мерцают, поскольку наш глаз регистрирует большее количество фотонов, и ± 2-3 фотона в общем потоке нам не заметны.

Хитрости технологий 

Логично предположить, что, чем меньше по размеру матрица, тем сложнее упаковать в неё большое количество мегапикселей и при этом обеспечить низкий уровень шума на фотографиях. Чем меньше каждая ячейка, тем сложнее выполнить вместительное "хранилище" выбитых в процессе снимка электронов, в некоторых матрицах может быть реализовано неоднократное опорожнение переполненных "хранилищ" в процессе одного снимка. В камерах смартфонов может быть реализован алгоритм склейки нескольких фотографий, то есть, пока Вы считаете, что сделали одну "честную" фотографию, смартфон может сделать несколько кадров до (или после) этого снимка, а затем все снимки совместить в одну фотографию, чтобы снизить уровень шума и обеспечить чистые цвета. Эти и другие хитрости в большинстве случаев отлично работают, но могут осложнить или сделать невозможными отдельные техники съёмки, например, съёмки в смешанном свете (об этом поговорим позже).