Kavka писал(а): Чт сен 05, 2013 07:05
Просьба к "физикам" (не "лирикам"
)
Ссылку на ресурс, где научно, но не слишком специфично,
можно прочитать про формирование изображения в
современных Nikon. С момента поступления света в камеру
и до момента получения NEF. (На великом и могучем).
А это закрытая информация. Можно делать эксперименты, можно догадываться, но в точности никто подробно сей процесс не опишет (кроме инжеренов Никона). Никон даже для своих СЦ не оглашает многих важных данных, необходимых для нормальной юстировки, никто Вам в цифрах не расскажет о допусках на технику.
Для внесения ясности в понимание по вопросу советую послушать записи семинаров Ильи Борга и Андрея Твердохлеба. Сквозь их фразы о другом можно кое-то понять (общее и принципиальное в процессе рождения RAW), они ближе всего подошли к разгадке тайны. Предполагаю, что Борг знает много, но связан обещанием не разглашать.
ЗЫ Про то, как работают разные матрицы (начальный этап создания RAW), подробно обсуждалось на караване:
http://forum.photokaravan.com/default.a ... osts&t=929
Распространенная ошибка на форумах – многие участники считают, что электрический потенциал уже является дискретным, поэтому приведу упрощенное определение, подходящее для наших рассуждений о потенциалах и усилениях в матрицах.
Электрический потенциал – это то, что мы часто называем «напряжение». Любой электрический потенциал является аналоговым (то есть непрерывным). Чтобы получить значение потенциала в цифровой форме, его нужно в эту цифровую форму преобразовать методом дискретизации (то есть сделать дискретным).
1. В камере находится чип, который все называют "матрица", при этом подразумевая, что этот чип состоит из светоприемников-фотодиодов, которые мы называем «пиксели».
На самом деле современный чип (который мы видим, когда смотрим в отверстие камеры при открученном объективе и поднятом зеркале) состоит из самого сенсора (светоприемники) и преобразователей аналоговых сигналов в цифровые. Эти преобразователи называются АЦП. В общем случае они могут быть вынесены за пределы чипа (как в камере D700), но вынесены они или нет, это на процесс преобразования сигнала никак не влияет.
2. Независимо от типа матриц (CCD или CMOS) они все работают с аналоговым сигналом до тех пор, пока этот сигнал не пройдет АЦП. Ошибка многих участников форумов заключается в том, что они считаю «электрический потенциал» уже дискретным, а это не так. Он как был, так и остается аналоговым.
3. Разница между CCD и CMOS, в которой многие путаются (в том числе и на указанном Alecc’ом местном форуме), заключается вот в чем:
В пикселях CCD-матриц под воздействием фотонов получается электрический заряд, который переносится к краю светочувствительной части чипа (к краю сенсора), преобразуется в электрический потенциал, затем попадает в аналоговый усилитель (усиливается), и только потом этот самый усиленный потенциал передается в АЦП и оцифровывается.
В пикселях CMOS матриц под воздействием фотонов получается электрический заряд, который там же, на месте, накапливается в конденсаторе, и с пластин конденсатора уже снимается электрический потенциал, который находится все еще там же (внутри пикселя). Затем потенциал передается к краю сенсора, попадет в усилитель (усиливается), только после этого передается на вход АЦП, где и оцифровывается.
Если внимательно прочесть, что я написал, то разница коротко сводится к следующему:
В CCD матрицах один вид аналогового сигнала (заряд) преобразуется в другой вид аналогового сигнала (потенциал) на краю матрицы (за пределами собственно светочувствительного сенсора), который только потом оцифровывается.
В CMOS матрицах один вид аналогового сигнала (заряд) преобразуется в другой вид аналогового сигнала (потенциал) прямо в пикселе, и этот потенциал (аналоговый сигнал) передается к краю матрицы в АЦП, где оцифровывается.
4. Вся разница между двумя матрицами заключается только в том, где происходит преобразование в потенциал. Но не в том, где происходит оцифровка – она у обеих матриц происходит в одном и том же месте, в АЦП, и не миллиметром раньше.
5. Следовательно, любые преобразования, которые мы производим с сигналом до попадания в АЦП, это будут аналоговые преобразования, включая также и усиление сигнала.
Если с преобразованием сигнала более-менее понятно, то давайте разберемся с усилением.
Аналоговое усиление, как уже ясно, происходит как в CCD, так и в CMOS матрицах.
Если с CCD-матрицами уже понятно, то:
Как происходит усиление в CMOS?
Самым простым и примитивным способом (с точки зрения схемотехники):
Как я уже говорил, во время экспозиции заряд, полученный фотодиодом, накапливается в конденсаторе. Когда экспонирование закончилось (затвор закрылся), конденсатор подключается прямо к базе усилительного транзистора, и на выходе транзистора мы тупо получаем потенциал (напряжение), строго пропорциональное тому потенциалу, которое было на конденсаторе, а, следовательно, и количеству фотонов, принятых самим фотодиодом.
Вот так мы сразу усилили сигнал до какого-то нормировочного значения, и это у нас и есть базовое ISO.
Затем уже данный сигнал (потенциал) попадет на вход усилителя за пределами самой матрицы (дальше все одинаково, как и в CCD), где усиливается в соответствии со стопами ISO, и только потом оцифровывается.
Сколько стопов ISO можно задавать на этом усилителе?
А вот здесь уже все зависит от величины самого первого сигнала, снимаемого с фотодиода.
Чем этот сигнал больше, тем большее количество стопов ISO мы можем использовать при аналоговом усилении.
Грубо говоря, чем крупнее пиксель, тем бОльший коэффициент усиления можно задать.
Сделано это не по причине каких-то особых предпочтений производителей, а по причине того, что операционные усилители имеют свой входной предел по напряжению, с которым они могут работать без искажений.
Отсюда мы и получаем, что камеры:
D4, 1D X, 5D3 могут аналогово усиливать сигнал до ISO 3200 (или 6400)
А камеры D7000, D800 и подобные – до ISO 1600.
Цифры приведены условные, так как на основе анализа снимков можно только обозначить какой-то диапазон, а не сами значения, но в целом эти цифры хорошо отражают физическую картину.
Примечание. На самом деле в современных CMOS-матрицах типа SoC усилители сигнала уже встроены в пиксель. Но принципиально это ничего не меняет.
ka_ru написал:
Может для начала забудем про CMOS, CCD и вспомним куда попадает свет?
Светодиод не является источником напряжения. Светодиод это источник тока.
После диода нужен усилитель заряда. Основная разница между CMOS i CCD в количестве этих усилителей.
В CCD Вся матрица преобразовывается по одному пути. Меньше усилителей - меньше ошибок.
Чем больше кристалл (площадь для усилителя) тем легче гарантировать повторяемость измерений.
По этому на CCD картинка лучше. Сделать десяток или сотню одинаковых усилителей проще чем под каждый светодиод как в CMOS.
Правильно. Так оно и есть в идеале и при определенных ограничениях:
В пикселе CMOS-матрицы содержится не один транзистор, а три и даже четыре в последних разработках.
Только один из них работает в качестве усилителя, остальные предназначены для управления считыванием и формированием строго линейной характеристики считываемого сигнала.
То есть получается так, что часть транзисторов занята усилением и управлением, а другая часть – компенсацией искажений, вносимых усилителем и управляющим транзистором.
Более того, так как характеристики совокупности транзисторов одного пикселя немножко, но отличаются от характеристик транзисторов другого пикселя, возникают дополнительные системные шумы (общие шумы матрицы), которые внешним воздействием компенсировать вообще нельзя.
А в CCD-матрице ничего этого нет, нет транзисторов, создающих дополнительные шумы и всяких компенсаторов.
Выходит, что CCD-матрица лучше?
Да, лучше, или, по крайней мере, не хуже, если устраивает камера с очень небольшой скоростью серийной съемки и совсем маленьким диапазоном чувствительности. То есть прямо такая камера, какими являются среднеформатные задники (хотя и там задействованы дополнительные теплоотводы).
Но если мы захотим поднять скорострельность и расширить диапазон ISO, как тут же у CCD-матрицы все преимущества потеряются – возникнут сильные тепловые шумы (во время переноса заряда через все фотодиоды к краю матрицы) и появятся большие шумы усиления на высоких ISO, причем намного превышающие те, которые возникают при усилении сигнала с CMOS-матриц. Причина появление таких шумов – однокаскадное усиление в CCD-сенсорах, которое вводит порог на коэффициент усиления сигнала (или по-другому – при превыщении этого порога шумы растут по экспоненте).
В отличие от CCD, у CMOS-матриц усиление двухкаскадное – на самом пикселе, и на буферном усилителе перед АЦП, что позволяет минимизировать проблемы появления шумов усиления.
Пока камеры обладали малым диапазоном чувствительности, и технологии проектирования и изготовления CMOS-матриц были еще не очень зрелые, то можно было говорить о некотором преимуществе CCD-сенсоров.
На самом деле, первые CMOS-матрицы появились совсем недавно. Кенон впервые выпустил камеру с таким сенсором в 2000 году, она называлась EOS D30, но широкую известность приобрела другая камера с CMOS-сенсором - камера EOS 300D (2003 год). Фактически с ее выходом и организовался современный рынок цифровых зеркальных камер. Из-за чего? Из-за фантастической по тем временам цены – первая камера 300D стоила порядка 1500 долларов, что было чрезвычайно дешево. Это и сделало цифровые зеркалки доступными множеству любителей.
Потом и другие производители тоже приняли участие в разработках CMOS-сенсоров, и сейчас эти сенсоры опережают CCD-матрицы практически по всем параметрам.
Нет специфического цвета из CCD-сенсора, как нет его и из CMOS. Физическую сущность фотонов поменять невозможно, также невозможно поменять и другие электрические характеристики, такие, как потенциал и заряд.
В обеих матрицах в конечном итоге цифровое преобразование происходит с потенциалом, причем способ этого преобразования один и тот же.
Есть только разница в шумах переноса и усиления (обобщенно можно сказать в «шумах чтения»).
Но в данный момент шумы чтения намного лучше контролируются в CMOS-матрицах, так что и здесь эти матрицы имеют преимущество.
Еще вдогонку про среднеформатные камеры.
Если все так хорошо с CMOS-матрицами, то почему их не устанавливают в среднеформатники?
Во-первых, как я уже сказал – при скорости серийной съемки 1 кадр в секунду и при диапазоне ISO 100-800 CCD-матрицы достаточно хороши. Но если CMOS-матрицы можно сделать еще лучше, да вдобавок они еще и существенно дешевле, то почему бы их не применять?
Ответ простой. Цена на сенсоры для сренеформатников, будь они хоть CMOS, хоть CCD никак не может быть маленькой, потому что это мелко-мелко-серийное производство, в стоимость которого нужно еще заложить и стоимость разработки CMOS-сенсоров, которая (разработка) намного дороже для CMOS, чем для CCD. Таким образом, хоть производство CCD и дороже, но если в стоимость внести затраты на разработку и то, что окупаемость должна быть заложена в очень мелкую серию, то стоимости матриц обоих типов для среднеформатников сравняются или будут отличаться незначительно.
Второе, не менее важное. Для среднеформатников выпуск сенсоров налажен давно, и делает это практически только одна компания – Кодак. То есть существуют налаженные связи, существуют перекрестные патенты, существует развернутая инфраструктура – кто и зачем будет это менять, когда результат и так вполне удовлетворяет?
И третье. Разработаны и широко внедрены технологии производства камер и задников как раз с CCD-сенсорами.
Если переходить на CMOS, то придется заново разработать и поменять весь конструктив и технолологию производства практически всех среднеформатных камер (или, по крайней мере, значительного количества компонентов таких камер). А это огромные затраты, кто на них пойдет? Те маленькие компании-бутики, которые выпускают хассели и мамии? Практически невозможно, если учитывать еще и :
Четвертое – покупателей среднеформатников устраивает то, что они покупают, и они готовы платить то, что они платят, так что особых забот о снижении себестоимости изделий у компаний-производителей среднеформатных камер, в общем-то, и нет.
[/oft]
[/oft]
