Чувствительность, динамический диапазон
и тепловой шум
Чувствительность ЭОП является интегральной характеристикой и зависит
от чувствительности каждого пиксела. Чувствительность пиксела в абстрактном
понимании аналогична КПД (коэффициенту полезного действия), то есть представляет
собой некое дробное соотношение. Знаменателем этого соотношения будет
общее количество фотонов, попавших на светочувствительную область пиксела,
а числителем — объем электронов, сгенерированных фотоэлементом матрицы
и попавших в потенциальную яму. Таким образом, чем выше этот воображаемый
КПД, тем выше чувствительность матрицы. Однако для получения качественного
кадра должно выполняться еще одно условие.
Чтобы сенсор мог работать и в сумерках, и на ярком солнце, от каждого
пиксела требуется довольно «емкая» потенциальная яма. Эта яма, с одной
стороны, должна «удержать» минимальное количество электронов при слабой
освещенности, а с другой -вместить большой заряд, получаемый при попадании
на сенсор мощного светового потока. Следует помнить также, что кадр может
содержать как ярко освещенные участки, так и глубокие тени, и желательно,
чтобы все их оттенки отображались на сформированном сенсором изображении.
Способность накапливать электроны именуется предельным
уровнем заряда (quantum efficiency), именно от этой характеристики
зависит динамический диапазон сенсора.
ПРИМЕЧАНИЕ
Динамический диапазон — способность ЭОП отличать самые темные оттенки
от самых светлых. Зависит от предельного уровня заряда, накапливаемого
элементом ЭОП. Чем шире динамический диапазон, тем большее количество
оттенков будет присутствовать на снимке.
В некоторых случаях того минимального заряда, который удержала яма,
все-таки недостаточно для дальнейшей обработки. И тут в ход идет увеличение
чувствительности.
В отличие от светочувствительности фотопленки, которая не может изменяться
от кадра к кадру, чувствительность цифровой камеры может настраиваться
индивидуально для каждого кадра. Делается это путем простого усиления
сигнала на выходе с матрицы, такая процедура чем-то сродни повороту регулятора
громкости радиоприемника.
Увеличение чувствительности позволяет получить нормальную экспозицию
кадра в тех случаях, когда один либо другой экспо-параметр (а порой и
оба) не может быть больше или меньше определенного значения. Наиболее
распространенный пример — необходимость иметь большую глубины резкости
(малую диафрагму) при съемке движущихся объектов («короткая» выдержка).
Тем не менее применение высокой чувствительности имеет оборотные стороны.
В обычной фотографии светочувствительные пленки обладают повышенной
зернистостью. В цифровой фотографии присутствует другой неприятный эффект
— раскиданные по всему кадру пикселы разного цвета. Виной тому
тепловой шум.
Под этим названием подразумевают паразитные заряды, которые при закрытом
затворе хаотическим образом скапливаются в элементах матрицы под воздействием
эффекта термогенерации электронов. При считывании сигнала они добавляются
к заряду пиксела, искажая его истинное значение. Именно они являются причиной
точек посторонних цветов, раскиданных по кадру.
При увеличении чувствительности, то есть усилении сигнала, идущего с
матрицы, их количество значительно растет. Следуя аналогии с радиоприемником
— чем выше громкость, тем сильнее шум от помех.
Кроме того, тепловой шум возрастает при больших выдержках -чем больше
время экспонирования, тем больше «тепловых» электронов успевает «набиться»
в потенциальную яму.
Таким образом, пользователь может испортить кадр двумя способами — либо
увеличить чувствительность, либо выбрать «длинную» выдержку. Справедливости
ради стоит сказать, что большое время экспонирования все-таки меньше искажает
кадр, чем манипуляции с чувствительностью.
В любом случае с тепловым шумом надо бороться. И чтобы минимизировать
это вредное влияние, применяется ряд мер.
Иногда проблему решают «в лоб». Чтобы уменьшить влияние термоэлектрических
эффектов, используют различные схемы теплоотвода. В частности, иногда
в качестве теплообменника используется металлический корпус камеры, в
студийной фототехнике работают более сложные схемы. Однако этот подход
не применим к любительским камерам, ограниченным по весу и габаритам.
Для определения усредненного значения теплового шума используются «черные»-
пикселы —- столбцы и строки на краях матрицы, покрытые черным светофильтром.
Усредненное значение заряда, снятого с «черных» пикселов, называется уровнем
черного цвета. Разумеется, что при разных условиях эксплуатации (температура
окружающей среды и самой камеры, ток аккумуляторов и т. д.) уровень черного
цвета будет разным. Если брать его значение за «нулевую отметку», то можно
определить истинный заряд «рабочих» пикселов.
Однако проблема в том, что в каждом пикселе по-разному протекают процессы
термогенерации, поэтому «черные» пикселы панацеей не стали.
Для решения проблемы фотографы стали применять «народное средство» —
съемку кадра при закрытом крышкой объективе. В этом случае пользователь
получает на черном фоне «маску», которую можно использовать для «вычитания»
теплового шума из изображения. Данный способ зарекомендовал себя настолько
хорошо, что используется в качестве штатной системы шумоподавления в некоторых
новых моделях любительских камер. При включении режима подавления шумов
методом «темного кадра» (dark frame) камера
сначала фотографирует кадр, а затем при закрытом затворе снимает «маску»
с матрицы при тех же значениях чувствительности и выдержки. Конечно же,
данный метод неприемлем для непрерывной съемки, однако незаменим для фотографирования
при слабой освещенности.
|