Цифровой фотоаппарат изнутри

Предыстория

У меня в наличии оказалось несколько цифровых камер, которые перестали работать. Техническая любознательность взяла верх над ленью, я решил узнать как же они устроены и на каких принципах работают. 

Старания окупились и теперь у меня нет сломанных цифровых камер, но есть ПЗС-матрицы и пара объективов от "цифромыльниц". Что такое ПЗС-патрица? Это светочувствительный датчик - глаза цифровой камеры. О них и общем строении цифровых камер читай ниже!

Принцип работы

Если посмотреть на эту диаграмму, то видно, что сначала свет, как и в обычном, плёночном, фотоаппарате проходит объектив, диафрагму, затвор. Последние два дозируют количество света, которое пройдёт дальше. На этом сходство между аналоговым фотоаппаратом и цифровым заканчивается. 

У современных фотоаппаратов вместо плёнки используются специальные фоточувствительные элементы. ПЗС- или КМОП-матрицы. 

Принцип работы такой же как у фотодиода: на поверхность матрицы попадает свет, светочувсвительный материал поверхности матрицы его воспринимает и вырабатывает электрический сигнал. Этот сигнал считывается управляющим устройством и передаётся далее по тракту обработки для формирования изображения, его обработки и сохранения на карту памяти. 

Конструктивные блоки цифрового фотоаппарата

• Объектив
• Затвор
• Светочувствительная матрица + фильтр Баера
• АЦП
• Блок обработки изображения
• Всякие разные доп. штучки, от которых растут возможности и цена фотоаппарата

Я не буду трогать механику объектива и затвора. Тем более, что они требуют отдельного рассказа. Сосредоточимся на упрощенном рассмотрении тракта формирования изображения: фильтр, матрица, ацп, сборка изображения.

Современный фотоаппарат -- это целый вычислительный комплекс, который считывает интенсивность отраженного от объекта фотографирования света, затем пробразует полученный аналоговый сигнал в цифровую форму и затем конструирует на основе этих данных изображение, которые ты постишь в инстаграмм, вконтакте или одноклассниках (упаси тебя Ом) с фейсбуком. 

Итак, после того как свет прошел затвор она сначала попадает (в большинстве случаев) на фильтр Баера и только потом на светочувствительную матрицу. Он нужен потому, что матрица не умеет сама определять цвет. Каждый пиксель матрицы может лишь передать информацию об интенсивности света. И чтобы делать цветные фотографии придумали использовать фильтр, который состоит из квадратиков основных цветов: красного, синего, зеленого (есть и другие реализации, но это уже лишние детали). Выглядит он вот так:

Если присмотреться, то заметно, что зеленых квадратиков больше. Это потому, что так изображение будет более контрастным. А теперь о главном. Когда свет проходит такой фильтр, то на отдельные участки матрицы попадает только красный, зеленый или синий цвета. Таким образом мы узнаем сколько в исходном световом потоке было тех или иных цветов. Сквозь такой фильтр цифровой фотоаппарат получает вот такую картинку:

"Как же тогда в итоге я получаю нормальное изображение, если матрица записывает вот такую странную картину?!" -- возник такой вопрос в голове? Все дело в следующих шагах. Матрица в процессе освещения генерирует электрические сигналы, которые проходя АЦП и... И затем процессор камеры по заданному алгоритму производит расчеты и преобразует мозаичную картинку к нормальной. Зарубежом этот процесс называют "debayerisation". А у нас? Да какая разница. Давай лучше разберем общий принцип данного лагоритма.

Debayerisation

Основная идея алгоритма заключается в том, чтобы для каждого пикселя рассчитать значения недостающих цветов. Для красного -- синего и зелёного, для синего -- красного и зеленого, для зеленого -- красного и синего.

Делается это так. Алгоритм рассматривает ячейку размером 2х2 клетки как одну точку. И на основе данных интенсивности цветов в этих клетках рассчитывается результирующее значение цвета. Таким образом в каждой ячейке будет по одной красной и синей клетке и две зелёных. Конечно, таким образом уменьшается разрешение исходного изображения. Поэтому современные камеры используют более сложные алгоритмы, когда рассматривается не одна ячейка 2х2, а группы таких ячеек. И на основе информации в смежных ячеек получается даже более точная картинка, чем в исходном алгоритме. 

Именно такое обработанное изображение мы и получаем на экране фотоаппарата и карточке памяти.

ПЗС или КМОП?

Я умышленно избегал названий типов светочувствительных сенсоров. Так как их существует несколько видов. Основные разновидности конечно же ПЗС и КМОП. И кмоп-сенсоры, можно уже так говорить, уверенно вытеснили пзс-сенсоры. 

Отличаются эти сенсоры и по конструкции, и по принципу работы. ПЗС или "прибор с зарядовой связью" существует уже довольно давно. Работает на принципе управляемого переноса заряда. И более подробно о них можно прочитать на вики

КМОП-матрица -- это матрица на полевых транзисторах, на основе КМОП-технологии, которая много лет применялась для производства логических элементов. 

Переворот в технологии КМОП-сенсоров произошёл, когда в лаборатории реактивного движения (Jet Propulsion Laboratory — JPL) NASA успешно реализовали Active Pixel Sensors (APS) — активно-пиксельные датчики^[2]. Теоретические исследования были выполнены ещё несколько десятков лет тому назад, но практическое использование активного сенсора отодвинулось до 1993 года. APS добавляет к каждому пикселю транзисторный усилитель для считывания, что даёт возможность преобразовывать заряд в напряжение прямо в пикселе. Это обеспечило также произвольный доступ к фотодетекторам наподобие реализованного в микросхемах ОЗУ.

Разница между двумя матрицами заключается в том, что современные  кмоп-матрицы существенно выигрывают у пзс по стоимости производства, скорости работы, а также дает возможность произвольного доступа к пикселям. 

Теперь ты понимаешь какая огромная и дорогая работа стояла за тем, чтобы ты мог публиковать фоточки в инстаграмм, телеграмм, вк, одноклассники или снимать свадьбы, зарабатывая деньги =) Удачи!