Чуть другой угол зрения

В заголовке этой статьи приведены две фотографии спектролита, снятого под чуть разными углами. Если медленно вращать камень, то можно увидеть его во всей красе. Однако обсудить с соседом увиденное уже не удастся: он видит обычный булыжник. Если же рядом с камнем соберется толпа, то увидеть его во всей красоте повезет лишь немногим. О съемке камней и о спектролите, в частности, я собираюсь написать отдельную статью, для которой приготовлена эта фотография. Сегодняшняя заметка является реакцией на обсуждение телефона Nokia 808 с 41 Мп камерой, сделанной по технологии PureView. Мне представляется, что на камеру, как и на спектролит, многие смотрят не под тем углом, и кое-что ускользает от их внимания. Данная заметка не посвящена технологии PureView. Я хочу просто обратить внимание, что в истории развития фотографии за последние 10 лет произошло несколько событий, которые позволяют зафиксировать некоторые углы, под которыми и надо рассматривать каждое новое устройство. Как я уже писал в Новой истории светописи, и матрица из фотоприемников, и растр из цветных фильтров известны уже более столетия. Конкурентоспособной же цифровая фотография стала лет 10 назад. И тогда же началось манипулирование терминами. Частично термины имели историческое происхождение, но при массовом переходе на цифровую фотографию, на мой взгляд, был тот редкий случай, когда можно было бы и частично отказаться от исторически сложившихся терминов, тем более что известны они были только узкому кругу специалистов. В большинстве же случаев за манипуляцию с терминами ответственны наперсточники-маркетологи. Исторически сложилось, что маркировка матриц соответствует маркировке видиконов по внешнему диаметру с равным матрице размером чувствительной к свету области. Примерно, диагональ матрицы равна 2/3 от значения маркировки. Ниже приведена сводная таблица для наиболее ходовых типов матриц. В графе Размер приведены ширина и высота реальных матриц, используемых в аппаратах и которые производитель отнес к данному типу. Для APS-C у разных фирм размер может немного различаться.

*Матрицы Mysterium используются в видеокамерах фирмы RED.
** Mysterium Monstro, вероятно, существуют в единичных экземплярах и сейчас на сайте фирмы RED камеры с их использованием не упоминаются.
*** В скобках после типа матрицы указана ожидаемая диагональ.

Вторым термином, адресующим нас к истории и который наводит тень на плетень, является приведенное фокусное расстояние. Потому что приведенное фокусное расстояние это не фокусное расстояние, а угол зрения объектива с соответствующим фокусным расстоянием при съемке на 35 мм пленку при размере кадра 24х36 мм. Угол зрения вычисляется для диагонали кадра, поскольку поле зрения любого объектива - круг, и в него можно вписать кадры с самым разным соотношением сторон, и только диагональ останется неизменной. Но цифровые камеры могут записывать снимки с разным отношением сторон, однако, обычно есть только один формат, который использует всю площадь а остальные уже вписываются в него. В этом случае диагональ будет меняться и с ней вместе будет меняться и приведенное фокусное расстояние. Т.е. эта характеристика камеры, а не объектива. И иногда действительно логично пишут: камера с фокусным расстоянием ХХ в 35 мм эквиваленте, закономерно опуская слово объектив.

Если производители указывают истинное и приведенное фокусное расстояние, то в этом есть только один плюс: из простейшей пропорции мы легко можем вычислить истинный размер матрицы. Если нам говорят, что приведенное фокусное расстояние объектива 36 мм, а фокусное расстояние 8, то при отношении сторон кадра 3:2 длинная сторона матрицы будет равна 8 мм.

Маркетологи же включились, когда появился термин мегапиксельная камера. В тот момент, когда они появились, все знали о пикселях монитора, в котором каждой точке изображения соответствовало 3 люминофора: зеленый, синий, красный. И наивные первые покупатели цифровых камер надеялись , что и камера для каждой точки регистрирует сигнал в трех частях спектра. Однако первая мегапиксельная камера в каждой точке регистрировала изображение за фильтром одного из трех цветов. Таким образом, мегапиксельной она была только при съемке черно-белой миры, освещенной белым светом. Для монохромного освещения ее разрешение было существенно меньше, в зеленой зоне спектра оно было в два раза меньше, а в синей и красной - в четыре. Прошло 15 лет, и сегодня можно было бы снова начать считать пиксели честно, когда для каждой точки мы измеряем сигнал во всех частях спектра. Однако при этом окажется, что хотя чувствительных элементов и стало больше, а вот размер изображения стал вдруг резко падать, что естественно недопустимо с точки зрения ярмарочных шарлатанов — а то ведь народ разбежится. У телефона Nokia матрица в 4 раза больше по площади, чем у других телефонов. И соответственно технически легко разместить в 4 раза больше чувствительных элементов. Это будет дороже более, чем в 4 раза, но вполне реализуемо. Можно, соответственно, по стандартной технологии получить и огромное изображение посредственного качества. Однако нам предлагают эти гигантские мегапиксели группировать и использовать эту камеру как 8Мп. Представленные нам 40 Мп снимки не надо рассматривать один к одному, они вообще не предназначены для рассматривания, а для обработки, как и сырые снимки других камер. От совсем сырых их отличает, то что часть обработки уже проделана. Возможно, эта частично проведенная работа некоторых сбила с толку. Будь они совсем сырыми, представленными как изображение из ряда серых точек (причем даже для однородного поля соседние точки будут иметь немного отличающуюся яркость, поскольку плотности находящихся перед ними фильтров не идентичны), никто бы и не пытался сравнивать их с конечным продуктом других камер.

Приведенные Nokia 40 Мп фотографии предназначены для анализа цифр, скрывающихся за каждой точкой изображения, а не для их визуального просмотра. Просматривать надо в 4 раза меньшее, 8 Мп изображение, и его же и сравнивать. Ключевое слово последних 10 лет, которое определяет угол, под которым надо рассматривать и сравнивать новые камеры, это группировка. Появилась возможность поместить много чувствительных элементов и их по-разному группировать.

Цветные фильтры начали располагать по-разному с самого начала. Также довольно быстро начали экспериментировать и с цветами этих фильтров. Появились камеры Sony, у которых использовалось не 3, а 4 зональных фильтра.

Для вышеприведенных матриц минимальной группой, которую надо рассматривать, чтобы восстановить истинный цвет, является группа из 4 чувствительных элементов. Для восстановления цвета каждой следующей точки используется новая группа из четырех элементов, причем 2 из 4 элементов являются общими с группой, использовавшейся для восстановления предыдущей точки. Каждый узел решетки соседствует с чувствительными элементами, расположенными за всеми цветными фильтрами.

Кроме того, как только размер чувствительных элементов стал достаточно мал, а их число достаточно большим, то соседние пиксели стали объединять с помощью перемешивающего фильтра, расположенного перед матрицей. Роль этого фильтра - дать более точную цветопередачу мелких деталей. В каждой точке мы имеем точную информацию о яркости только в определенной зоне спектра. Значение цвета в этой точке мы получаем интерполяцией значений полученных соседних чувствительных элементов. Если размер детали изображения сравним с размером чувствительного элемента, то мы скорее всего получим и неправильный цвет, и муар на изображении. Если размер детали в 2 раза больше чувствительного элемента, то у нас есть шанс правильно вычислить его цвет , однако для этого нужно, чтобы яркость соседних точек была в достаточной степени связана между собой. т. е. мы хотим, чтобы корреляция между светом, падающим на 4 соседних элемента, была не нулевой. Если корреляция будет очень большой, т. е. свет, падающий на все 4 элемента, будет просто одинаковым, то мы потеряем возможность даже для черно-белого изображения получить дополнительную информацию о деталях. Если же корреляция будет нулевой, то малейший сдвиг изображения по матрице будет приводить к изменению ее цвета.

Принципиально иной способ объединения чувствительных элементов предложила фирма Foveon. Она расположила чувствительные элементы друг за другом и использовала их селективную прозрачность вместо фильтров. Еще до того как появилась возможность анализировать реальные промышленные образцы этой технологии, на нашем сайте была опубликована теоретическая статья "Оценка шумовой характеристики матрицы Foveon X3 против традиционных мозаичных матриц" из которой следовало, что с шумами и цветами у этой технологии все отнюдь не так здорово, как хотелось бы. И если разместить на той же площади три снабженных фильтрами чувствительных элемента рядом, а не друг за другом, то возможно, результат будет и лучше, чем у матрицы, построенной по технологии Foveon. Собственно сегодняшняя технология PureView это и есть реализация этой идеи, грубо говоря. В психологическом плане основное достижение Foveon было в том, что хотя они указывали реальное число чувствительных элементов, но картинку никто от них с таким количеством точек не ждал. Все понимали, что три чувствительных элемента отвечают за одну точку и извлечь из этого никакой информации не удастся. Аналогично и для технологии PureView надо рассматривать изображение с числом точек, в 4 раза меньшим числа чувствительных элементов. Инженеры Nokia честно сказали: 8 Мп, и у нас лучший телефон с 8 Мп камерой. По центру, где разрешение объектива повыше, можно использовать обычную технологию и получить двукратное увеличение с качеством других телефонов. Для видео съемки без потери качества можно получить 4-кратное увеличение.

Настало время когда надо смотреть не только на мегапиксели и на размер матрицы, но и на группировку. Рассмотрим события последних 10 лет, связанные с группировкой.

Пожалуй, больше всего новостей мы имеем от фирмы Fujifilm. У них с самого начала ряды чувствительных элементов были повернуты на 45 градусов. На следующем этапе они пытались увеличить динамический диапазон, сгруппировав чувствительные элементы разного размера. Поскольку наш прораб давно уже объединил пространство и время, приказав копать от забора и до обеда, то фирма следующим шагом сделала матрицу, у которой варьировался не размер, а время экспозиции для разных чувствительных элементов, что также позволило увеличить динамический диапазон.

С фильтрами фирма тоже упражнялась, и последнее их предложение, реализованное в камере Fujifilm X-Pro1, это отказаться от привычного расположения светофильтров и сделать его менее регулярным, что позволяет избавиться от муара даже без дополнительного фильтра. В той структуре каждый третий узел в каждой третьей строке соседствует только с чувствительными элементами за зеленым фильтром. Для восстановления цвета в этих узлах надо использовать группу из 12 чувствительных элементов в то время как для остальных узлов достаточно группы из 4 чувствительных элементов.

Кстати, как и все в оптике, исправляя одно, портим другое, хвост вытащили, нос увяз. Поэтому последняя зеркальная камера Nikon имеет две модификации, с фильтром (Nikon D800) и без оного (Nikon D800E) - кому что нужно.

С мегапикселями действительно есть элемент гипноза, потому что многие ожидают, что двукратное увеличения мегапикселей даст им снимок вдвое большей площади, но с таким же разрешением и резкостью как предыдущий. Однако кто сказал, что за увеличением мегапикселей должно линейно увеличиваться и разрешение? Ведь никто не ожидает, что светосильный объектив с диафрагмой F:1,4 будет иметь такое же разрешение и контраст, как объектив с диафрагмой F:5,6, в особенности если оба этих объектива сделаны, например, фирмой Zeiss. Разрешение второго объектива будет большим как при полностью открытой диафрагме, так и если на обоих этих объективах выставить диафрагму F:5,6. Ведь никто не ожидает, что картинка в микроскопе при большом и маленьком увеличении будет одинаково четкой. По масштабу как раз микроскоп и есть оптический аналог современных телефонных фотокамер.

P.S.

Pure можно перевести как безупречный, и действительно 8 мегапиксельную картинку полученную 41 мегапиксельной камерой трудно упрекнуть в неправильной интерпретации цвета в каждой точке. Что касается технологии PureView то про нее мы ничего толком не знаем, поскольку идея группировки тривиальна, а про алгоритм обработки нам ничего не сказали :-) Однако нам здесь наглядно показали, что если рассматривать два одинаковых по размеру изображения, сделанных камерами с разным количеством чувствительных элементов, то выиграет то, которое сделано камерой с большим их числом. Уменьшение размера чувствительного элемента ведет к увеличению шумов и повышению требований к объективу, однако, как нас и учили с детства, - сила в коллективе, и группа мелких чувствительных элементов с площадью равной одному большому его победит. Увеличение мегапикселей - это переход от индивидуализма к коллективизму. Коллектив может как обезличивать и усреднять своих членов, так и максимально использовать индивидуальность каждого своего члена, в последнем случае существенно возрастет разнообразие, и число отличий между разными коллективами будет больше, чем число отличий между составляющими их индивидами. Группировка может быть "добровольной" когда разные датчики объединяются в группы при обработке, и принудительной, когда объединение осуществляется оптическими элементами, расположенными перед группой чувствительных элементов. Примером последнего является, например, камера Lytro, в которой объединение позволяет получить сосем новые свойства, позволяющие фиксировать не только яркость и цвет, но и направление падающего луча. Технологию этой камеры я бы сравнил со жуком с подзорной трубой: фасеточный глаз, перед которым помещен объектив.