Расширение динамического диапазона ПЗС-матриц

С момента появления технологии SuperCCD в 2000 году ПЗС-матрицы производства Fujifilm отличались неординарной архитектурой и необычными техническими характеристиками. Для пользователя это, в первую очередь, выливалось в необходимость помнить, что в цифровых камерах Fuji количество светочувствительных пикселов на сенсоре и максимальное количество пикселов в фотографии не совпадало. И это, как говорится, не глюк, а фича, то есть не обман, а специфическая особенность сенсоров SuperCCD с восьмиугольными элементами.

В начале 2003 года компания Fujifilm представила очередное поколение проприетарных ПЗС-сенсоров, придерживаясь традиции ежегодных анонсов. На этот раз ставка сделана не только на разрешение снимков, но и на экстремальное расширение динамического диапазона, который всегда был ахиллесовой пятой электронных сенсоров, по сравнению с традиционными пленочными технологиями. У сенсоров 4-го поколения сохранились восьмиугольные элементы, однако их размер значительно уменьшен, что, впрочем, никак не повлияло на светочувствительность матрицы. SuperCCD IV выпускаются в двух вариантах: ориентированная на повышенное разрешение Super CCD HR (High Resolution) и высококонтрастная Super CCD SR (Super Dynamic Range).

SuperCCD HR: разрешение

SuperCCD HR поставляется в двух вариантах: трехмегапиксельный сенсор размером 1/2.7 дюйма и шестимегапиксельный размером 1/1.7 дюйма. Максимальный размер итоговой фотографии составляет 4048x3040, то есть 12.3 млн. пикселов. Новая ПЗС-матрица содержит в общей сложности 6.63 миллиона светочувствительных элементов, при этом имея размер всего 15 мм по диагонали. Такая миниатюризация стала возможна благодаря усовершенствованному техпроцессу. Прогресс, по сравнению с SuperCCD III годичной давности, очевиден.

SuperCCD третьего поколения Honeycom ("Медовая сота") имела размер 23х15.5 мм. На этой площади располагались 6.49 млн. пикселов (из них эффективных - 6.17 млн.). Максимальный размер фотографии составлял 4256х2848 (то есть 12.1 млн. пикселов).

Как известно, в технологии SuperCCD восьмиугольные светочувствительные элементы не соответствуют точно пикселам конечного изображения, которое вычисляется по нескольким соседним ячейкам. Год назад в SuperCCD III был усовершенствован алгоритм обработки сигнала с сенсора, а сами сенсоры сделаны более качественно, что позволило уменьшить уровень шумов (разница особенно заметна на снимках, сделанных в условиях низкой освещенности), а также увеличить скорость считывания сенсора.

Малый размер ПЗС-сенсоров четвертого поколения позволит Fujifilm выпускать новые камеры уменьшенного форм-фактора. При этом сохранятся все преимущества SuperCCD III - высокое разрешение, улучшенный динамический диапазон, повышенная чувствительность, высокое соотношение сигнал/шум и т.д.

Первым в массовое производство поступил маленький сенсор SuperCCD HR с диагональю 1/2.7 дюйма с 3.1 млн. эффективных пикселов, чего достаточно для записи шестимегапиксельной фотографии. Таким образом, новый сенсор имеет на 50% больше эффективных пикселов, чем существующие сенсоры SuperCCD третьего поколения аналогичного размера (например, в аппарате FinePix F401 Zoom).

Второй сенсор SuperCCD HR размером 1/1.7 дюйма имеет вдвое большее количество пикселов: 6.63 млн. (эффективных - 6.35 млн.), обеспечивая на выходе 12.3-мегапиксельные фотографии. То есть Fujifilm получает возможность производить цифровые фотоаппараты ультракомпактного размера, по многим характеристикам совпадающие с профессиональной 12-мегапиксельной зеркальной камерой FinePix S2 Pro.

Суммируя сказанное, можно сделать вывод: SuperCCD четвертого поколения, в частности, SuperCCD HR, дает возможность компании Fujifilm конструировать миниатюрные цифровые камеры с характеристиками, аналогичными сенсору SuperCCD третьего поколения, которые для своего времени были почти революционными.

SuperCCD SR: динамический диапазон

Одновременно с сенсором SuperCCD HR, основным преимуществом которого является миниатюрный размер, Fujifilm представила еще один сенсор - действительно инновационный SuperCCD SR. Аббревиатура "SR" в названии обозначает "Super Dynamic Range". По заявлениям компании, динамический диапазон SuperCCD SR четвертого поколения увеличен в четыре раза, по сравнению с предыдущим поколением сенсоров SuperCCD, а, значит, по сравнению с большинством светочувствительных сенсоров других производителей. Это очень серьезный шаг вперед.

До сих пор "проблема динамического диапазона" электронных сенсоров обсуждалась преимущественно в узких кругах профессионалов, в то время как большинство потребителей сравнивали ПЗС-матрицы исключительно по количеству элементов, "измеряя" качество в миллионах пикселов. Новые сенсоры Fujifilm, несомненно, призваны сменить акценты в этих спорах, поскольку важность наличия широкого динамического диапазона для светочувствительной матрицы невозможно переоценить. Это критически важное требование, необходимое для улучшения качества цифровой фотографии в целом, для приближения цифровых фотографий по качеству детализации если не к человеческому глазу, то хотя бы к пленочным носителям, которые до сих пор безальтернативно используются профессиональными фотографами.

Расширение динамического диапазона стало возможным благодаря целому ряду неординарных решений, среди которых разделение каждого светочувствительного элемента на два светодиода в рамках одной ячейки, особый способ расположения элементов сенсора, а также, естественно, новый алгоритм обработки сигнала.

Сама фирма-разработчик представляет технологию SuperCCD SR (рис. 1) как некую попытку симулировать расширенный динамический диапазон традиционных пленочных носителей.

Рис. 1

На рис. 2 приводится сравнение сенсора с обычной пленкой, которая состоит из нескольких слоев с различной светочувствительностью, что означает очень широкий общий динамический диапазон пленки в целом.

Рис. 2

Примерно такой же принцип попыталась применить Fujifilm при разработке нового сенсора. В SuperCCD SR используются элементы двух типов с различной светочувствительностью.

Двухсоставные элементы сенсора внешне напоминают два динамика на аудиоколонке. И это не только внешнее сходство, ведь динамики разного размера предназначены для генерации звука разной частоты, в совокупности образуя широкую звуковую гамму от ультранизких басов до сверхвысоких частот. То же самое разделение функций происходит у двух фотодиодов, составляющих каждый логический элемент (photosite) матрицы SuperCCD SR. Поэтому неудивительно, что такое сравнение используется компанией Fujifilm. Так, в мультимедийной презентации на корпоративном сайте прямо сказано, что новые сенсоры предназначены для "High Fidelity Photography", то есть для фотографии hi-fi. Кстати говоря, это выражение зарегистрировано (™) и будет использоваться в рекламной кампании Fujifilm.

Рассмотрим подробнее конструкцию SuperCCD SR. Каждый логический элемент матрицы, которому соответствует одна микролинза и один цветовой фильтр, состоит из двух физических элементов - светодиодов. В четвертом поколении SuperCCD сохранилась оригинальная восьмиугольная форма светодиодов, впервые представленная Fujifilm год назад в матрицах SuperCCD "Honeycom" ("Медовая сота"). Но сейчас структура "сот" еще более усовершенствована, образуя так называемые "двойные соты".

Не один, а сразу два светодиода получают информацию с одного участка изображения. Светодиод большего размера (типа "S") является основным и обладает большей светочувствительностью. Элемент "S" сенсора SuperCCD SR является стандартным элементом SuperCCD четвертого поколения, а описанная выше матрица SuperCCD HR целиком состоит именно из таких светодиодов.

Вспомогательный светодиод типа "R", тоже восьмиугольной формы, обладает пониженной светочувствительностью. Благодаря этому появляется возможность зафиксировать детали интенсивной яркости на том же участке изображения. Внешне это выглядит так, что с помощью всех светодиодов "R" получается более темный вариант фотографии, содержащий, однако, многие детали, которые отсутствуют на "нормальной" фотографии. Если же совместить оба варианта изображения специальным способом, то получится система со вчетверо расширенным динамическим диапазоном.

Всего на матрице SuperCCD SR расположено три миллиона пар восьмиугольных светодиодов. После обработки сигнала и вычисления промежуточных значений с помощью алгоритма LSI записывается результирующее изображение 2832x2128 (6.03 млн. пикселов). Теперь Fujifilm есть что ответить недоброжелателям, которые будут, как и раньше, упрекать ее в "ненастоящих" шести мегапикселах: ведь раньше на матрице было три миллиона светочувствительных элементов, а сейчас их шесть! Хотя алгоритм вычисления промежуточных значений работает как и раньше, но качество изображения получается выше, чем у SuperCCD третьего поколения.

Некоторые пытаются сравнить SuperCCD четвертого поколения с недавно анонсированным сенсором Foveon. Технически они основаны на абсолютно разных технологиях, однако у них все-таки есть кое-что общее: как Foveon, так и SuperCCD IV подогревают дискуссию о новом смысле понятия "пиксел" светочувствительных сенсоров. Если в сенсоре Foveon X3 "пиксел" был многослойным и фактически состоял из трех элементов, то в SuperCCD IV произошло его "раздвоение".

Расширение динамического диапазона светочувствительного сенсора на практике означает улучшенную детализацию, особенно в самых темных и самых светлых областях изображения, значительное повышение общей контрастности. Конечно, яркость и контраст изображения легко изменяются с помощью графического редактора, однако в "Фотошопе" никак не получится восстановить утраченные детали на снимке. В целом, преимущества SuperCCD SR будут проявляться во многих типичных ситуациях во время фотосъемки:

• Уменьшение бликов (областей сплошного белого цвета) при съемке со вспышкой.
• Большая детализация в подсвеченных областях.
• Большая детализация в областях с глубокими тенями.
• Уверенная съемка в условиях слишком яркого освещения.
• Меньшая требовательность к правильности выставления экспозиции.

Что тут и говорить - производители светочувствительных матриц идут в правильном направлении. После появления матриц с 12 млн. и даже 15 млн. элементов "гонка за мегапикселами" явно подходит к концу. Самое время совершенствовать технологии и улучшать качество изображения, а в первую очередь - расширять динамический диапазон электронных сенсоров.

Анатолий АЛИЗАР