Sony CyberShot DSC-R1 — новый поворот цифровой фотоиндустрии

Олег Татарников

Выпуск компанией Sony новой цифровой фотокамеры DSC-R1 представляется нам по-своему знаковым. И даже не потому, что Sony предложила нечто уникальное или особенно ценное — важен сам факт перехода продукции этого цифрового гиганта на большую CMOS-матрицу.
Казалось бы, как выпуск одной фотокамеры может повлиять на всю индустрию цифровой фотосъемки? Все дело в том, что компания Sony является главным поставщиком сенсоров изображения для индустрии цифровой фотографии (матрицы этой компании используют практически все компании — производители цифровых фотоаппаратов), а значит, и смена ее стратегии в производстве сенсоров неизбежно отразится на индустрии в целом. Причем корпорация Sony обычно ориентируется на рынок массовой техники и ее разработчикам и раньше удавалось внедрять удачные решения, благодаря которым качество съемки значительно улучшалось.

До недавних пор любительские и профессиональные цифровые камеры демонстрировали различный подход к использованию сенсоров. Например, до последнего времени основой для датчиков изображения на большинстве цифровых камер среднего уровня были маленькие сенсоры, сделанные по технологии ПЗС (приборов с зарядовой связью) — CCD (charge-coupled device). В то время как производители датчиков изображения для профессиональных цифровых фотоаппаратов выпускали большие сенсоры и недавно перешли на матрицы, сделанные на основе КМОП-технологий (комплементарных металло-оксидных полупроводников) — CMOS (complementary metal oxide semiconductor).

Вдаваться в подробности этих технологий мы не будем, тем более что как CMOS-, так и CCD-матрицы используют сегодня различные архитектуры, то есть одним только названием технологии матрица не характеризуется.

Интересно отметить, что сенсоры изображений, построенные на базе CMOS-структур, поначалу привлекали разработчиков лишь тем, что давали возможность интегрировать больше функций на одной микросхеме, чем CCD-матрицы. Подобная интеграция позволяла строить на базе CMOS-технологий множество портативных недорогих устройств, которые не отличались высоким качеством получаемого изображения, но обеспечивали совмещение на одном кристалле множество различных функций. Кроме генерации электронов проводимости под действием падающего света и их переноса, CMOS-сенсоры могли сами производить обработку изображений, выделять контуры, понижать уровень шума и осуществлять аналого-цифровые преобразования. Столь высокая степень интеграции освобождала производителей от установки в цифровых фотокамерах дополнительных чипов, таких как процессор цифровой обработки сигналов и АЦП. Причем многие функции подобных аппаратов легко программировались, что делало CMOS-устройства очень гибкими в применении.

 

Размер нового CMOS-сенсора компании Sony, который может подтолкнуть рынок  цифровой фотографии к новому витку технологий, заметно больше по сравнению со всеми предыдущими изделиями этой компании

Размер нового CMOS-сенсора компании Sony, который может подтолкнуть рынок цифровой фотографии к новому витку технологий, заметно больше по сравнению со всеми предыдущими изделиями этой компании

Однако CMOS-сенсоры имели существенные недостатки: высокий уровень шума, большой ток утечки и остаточный заряд. Из-за этого CMOS-матрицы в профессиональной аппаратуре долгое время не применялись и вплоть до 2000 года существовало четкое разделение: CCD-матрицы обеспечивали лучшие показатели при съемке динамичных и мелких объектов, поэтому их использовали для построения систем, требующих высокого качества изображения, а CMOS-сенсоры предназначались для устройств, для которых была критична конечная стоимость, — недорогие фотоаппараты, бытовая и офисная техника, а также всевозможные игрушки.

Затем все-таки удалось компенсировать недостатки CMOS-технологии при помощи различных дополнительных схем — в результате появились цифровые камеры, которые давали профессиональное качество снимков (первыми такими аппаратами на CMOS-сенсорах были Canon EOS D30 и D60). Причем такое преимущество CMOS-матриц, как большая экономичность, стало дополнительным фактором повышения качества снимков — поскольку устройства потребляли меньше энергии, чем CCD-сенсоры, они не нагревались, а следовательно, имели более низкий уровень тепловых шумов. Не удивительно, что для профессиональной фототехники такие сенсоры получались очень дорогими, при этом существовало множество их модификаций. Для повышения качества CMOS-сенсоров в процесс их создания были внесены существенные изменения. Раньше их изготавливали на таких же высокоскоростных линиях, как и, например, микросхемы памяти. А сегодня растущая потребность в более качественных CMOS-элементах заставляет разработчиков переводить производство на менее скоростные специализированные линии. В результате они подорожали, и в настоящее время разница в стоимости CMOS-сенсоров и CCD-матриц сократилась до минимума.

Однако если при производстве CCD-матрицы главным ценообразующим фактором продолжает оставаться ее размер, то для CMOS-сенсора наибольшее влияние на стоимость оказывает как раз та самая дополнительная схемотехника, повышающая качество съемки. То есть большие CMOS-матрицы делать по-прежнему выгоднее, чем большие CCD-сенсоры.

А ведь профессиональная цифровая фотокамера отличается сегодня от любительской именно физическим размером кадра (сенсора изображения), а вовсе не разрешением получаемого снимка в пикселах, как это может показаться на первый взгляд. Например, по маркетинговым соображениям разрешение в цифровых мыльницах становится все больше и больше (иначе новый фотоаппарат не купят), при этом размеры самой матрицы не меняются или даже уменьшаются (иначе производитель будет вынужден увеличить цену изделия и не выдержит конкурентной борьбы на рынке). Ведь матрица — это самая дорогая часть фотоаппарата, а раз ее цена больше зависит от размера, чем от количества элементов, то именно уменьшение размера удешевляет производство. Конечно, чем больше размер каждого чувствительного элемента (пиксела), тем больше света на него попадает, а значит, проще обрабатывать поступившую на него информацию — следовательно, можно получать более точную картинку с меньшим количеством паразитных шумов. Но ошибки распознавания цвета отдельного пиксела дешевле исправить различными алгоритмами фильтрации, размазывания, интерполяции и т.д., нежели физически увеличивать этот элемент. Конечно, производители матриц заявляют, что никакой катастрофической ухудшающей связи здесь нет: дескать, шумы лишь уменьшатся, потому что с той же эффективной площади собирается больше крупиц изображения, иначе говоря, картинка квантуется с более высокой частотой, что математическим алгоритмам идет только на пользу. Однако палка эта, разумеется, о двух концах: когда размер ячейки матрицы приближается к длине волны света — никакими алгоритмами получающихся артефактов уже не исправить. А сегодня данный предел уже почти достигнут.

 

Sony DSC-R1 оснащается уже хорошо известным объективом Carl Zeiss Vario-Sonnar T*

Sony DSC-R1 оснащается уже хорошо известным объективом Carl Zeiss Vario-Sonnar T*
с широким углом обзора. Энергопотребление фотоаппарата удалось значительно снизить — частично благодаря использованию
CMOS-сенсора, а частично — благодаря новому чипу Real Imaging Processor

Кроме того, увеличение физических размеров матрицы неизбежно потребует увеличивать диаметр линз объектива, что опять же дороже, чем совершенствование алгоритмов обработки изображения. Однако если отверстие маленькое, то и света через него пройдет мало и взять его будет неоткуда — светосила маленького объектива получается низкой, и при съемках в помещении придется или уродовать фотографию вспышкой, или любоваться веселой мозаикой цветного шума, которую не сможет подавить ни один алгоритм шумоподавления.

Так что сегодня вопрос встал особенно остро: можно ли продолжать уменьшать размер ячейки матрицы, упаковывая 10 млн. датчиков на площади в 60 мм2, на которой раньше располагались 3, потом 5, а потом и 8 млн. пикселов, или все же пора увеличивать физический размер матрицы, пусть даже это повлечет за собой некоторое удорожание матрицы и объектива?

Что касается матриц, то противостояние CMOS- и CCD-сенсоров вышло сегодня на новый уровень. Сейчас, когда в продаже появились даже 4-5-мегапиксельные камерафоны, многие производители пересмотрели свое отношение к CMOS как к элементной базе дешевого оборудования и начали стремительно развивать данную технологию.

Как показала практика, приемлемый уровень шумов получается у аппаратов, имеющих размер ячейки не менее 7 микрон, а в эту категорию попадают сегодня только профессиональные цифровые фотокамеры с матрицей APS-формата (то есть физические размеры сенсора вдвое меньше размеров стандартного кадра пленки 35 мм).

В результате появилась фотокамера Sony DSC-R1, которая не выходит из ценовой категории в тысячу долларов, при том что впервые предлагает 10 млн. пикселов на матрице размером 21,5x14,4 мм, сделанной по новой для нее CMOS-технологии (для сравнения: сегодня примерно столько же стоят аналогичные по характеристикам 8-мегапиксельные аппараты Canon EOS 20D или Canon EOS 350D, оснащенные CMOS-матрицами такого же размера, а 10-мегапиксельные аппараты с тем же размером матрицы стоили бы вдвое дороже!).

Казалось бы, особого прорыва компания Sony не совершила: разрешение увеличилось всего на 2 мегапиксела, а ведь новая камера DSC-R1 не позволяет менять объективы, как Digital Rebel Canon EOS 350D! Почему же компания Canon так забеспокоилась и кинулась всерьез доказывать, что ее CMOS-сенсоры все же лучше, чем у Sony? Да потому что Sony DSC-R1 — это просто пробный шар, запущенный для снятия сливок с продаж новой технологии. А затем компания Sony, как крупнейший производитель матриц для цифровых фотоаппаратов, просто начнет торговать своими новыми сенсорами по оптовой коммерческой цене, и тогда с нынешним жестким разделением цифровых фотокамер на профессиональные и любительские по цене и качеству получаемого изображения будет покончено. При этом, возможно, сохранится разделение на фотоаппараты с несменяемым объективом и со сменной оптикой. Но и последние под давлением рынка неизбежно подешевеют…

Итак, компания Sony выпустила новую модель цифровой 10,3-мегапиксельной фотокамеры DSC-R1 линейки Cyber-shot с CMOS-сенсором. Сама компания относит ее к новому классу профессиональных аппаратов (Advanced Photo System, APS).

 

2-дюймовый ЖК-дисплей с необычным расположением над электронным

2-дюймовый ЖК-дисплей с необычным расположением над электронным
EVF-видоискателем позволяет максимально удобно пользоваться новой камерой

Тем самым Sony еще раз напомнила нам о забытом ныне формате фотопленки и фотокамер APS, который был впервые представлен на рынке мировой пленочной фототехники почти десять лет назад, в 1996 году. Размер APS-кадра равен 30,2x16,7 мм, что по площади примерно вдвое меньше стандартного «узкопленочного» кадра 36x24 мм. В новом формате предусматривался целый ряд расширений, таких, например, как возможность магнитной записи параметров съемки на пленку. Но, поскольку формат APS появился накануне перехода от пленочной фотографии к цифровой, он так и не стал популярным. Однако многие технические решения (в том числе и объективы), первоначально разработанные для APS, нашли затем свое применение в цифровой фотографии. Иногда применительно к цифровым фотокамерам используются термины «матрица формата APS» и «APS-C (APS Compact)», обозначающие светочувствительную матрицу, близкую или совпадающую по размерам с кадром пленки формата APS. Кстати, буква «S» в маркировке объектива Canon EF-S означает «короткий задний рабочий отрезок», то есть задняя линза объектива EF-S располагается ближе обычного к датчику изображения в камерах с сенсором формата APS-C. Сделано это с одной-единственной целью — чтобы при применении стандартной оптики избавиться от кроп-фактора, который получается для уменьшенного формата кадра APS-C. Этот кроп-фактор равен 1,6, а поскольку задняя линза расположена гораздо ближе, то она «рисует» изображение, полностью совпадающее с размером уменьшенного в 1,6 раза кадра.

Заметных успехов в разработке CMOS-матриц для профессиональных камер добился концерн Canon. При этом не только размер сенсора был увеличен до габаритов APS-кадра, но и была разработана соответствующая схемотехника, необходимая для повышения качества съемки. В состав компонентов каждого пиксела был включен своеобразный фильтр, который замерял уровень электронного шума, генерируемого «обвязкой» в нерабочем состоянии. При съемке фильтр каждого элемента автоматически вычитал этот шум из сигнала, в результате влияние неравномерно распределенных по матрице электронных помех удалось снизить.

Например, Canon EOS 300D имеет CMOS-матрицу размером 22,7x15,1 мм, Canon EOS 350D — 22,2x14,8 мм, Canon EOS 20D — 22,5x15,0 мм и даже Canon EOS-1D Mark II — 28,7x19,1 мм. Есть у компании Canon, конечно, и цифровые камеры с матрицами большего размера (с кадром стандартного узкопленочного формата 35 мм), такие как Canon EOS-1Ds Mark II или Canon EOS 5D (размер их матриц — 36x24 мм), но их мало, они дороже и не пользуются такой популярностью, как камеры формата APS-C.

 

Отрадно, что отснятые кадры сохраняются

Отрадно, что отснятые кадры сохраняются
в JPEG- и RAW-форматы на карту памяти любого стандарта: Compact Flash (Type I/II)
или Memory Stick PRO

Выпускает профессиональные цифровые камеры APS-формата и другой гранд фотоиндустрии — компания Nikon. Правда, продукция этой компании до сих пор базируется на CCD-матрицах (Nikon D50 или Nikon D70s имели CCD-сенсоры размером 23,7x15,5 мм, а новый 10-мегапиксельный фотоаппарат Nikon D200, анонсированный в ноябре текущего года, имеет CCD-матрицу размером 23,6x15,8 мм). Причем, отметим, что для своей 6-мегапиксельной камеры D100 Nikon когда-то выбрал CCD-матрицу APS-формата ICX413 производства компании Sony.

Впрочем, имеет компания Nikon и камеры с CMOS-матрицами, например 12,2-мегапиксельную Nikon D2X, у которой размер CMOS-сенсора равен 23,7x15,7 мм. Есть у Nikon даже оригинальная технология производства сенсоров на базе полевых J-FET-транзисторов (Junction Field Effect Transistors), что, по сути, является разновидностью CMOS-технологии. Новая JFET-матрица формата Nikon DX LBCAST, применяемая в фотокамерах Nikon D2H и D2Hs, имеет размеры 23,7x15,5 мм и отличается высокой скоростью работы, низким энергопотреблением и минимальными шумами в тенях. Правда, разрешение камер D2H и D2Hs составляет всего 4-мегапиксела.

Цифровые фотоаппараты с матрицей APS-формата есть также у компании Konica-Minolta (Maxxum 5D и 7D) и у компании Pentax (*ist DS2 и *ist DL). К сожалению, цифровых камер с матрицами стандартного формата 36x24 мм ни у кого, кроме Canon, нет.

Для сравнения отметим, что большинство современных любительских цифровых камер имеют сегодня CCD-матрицы не больше 1/1,8” (7,18x5,32 мм), а дешевые цифровые мыльницы вообще оснащаются матрицами не более 1/2,5”. Даже такие «большие» CCD-матрицы, как у Sony DSC-F828 или у Nikon Coolpix 8800 (2/3", или 8,8x6,6 мм), стали сегодня большой редкостью. Поэтому мы и надеемся, что переход Sony к большим CMOS-сенсорам подтолкнет рынок к новому витку технологий и этот очередной виток не ограничится лишь маркетинговой шумихой, а позволит действительно улучшить качество снимков, получаемых с помощью цифровых фотоаппаратов.

КомпьютерПресс 12'2005

Наш канал на Youtube

1999 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2000 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2001 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2002 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2003 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2004 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2005 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2006 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2007 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2008 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2009 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2010 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2011 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2012 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2013 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Популярные статьи
КомпьютерПресс использует