Ну очень большие матрицы

Первой цифровой камерой, увиденной мною, был Sinar со сканирующим задником. Было это в 1995 году, в Москве, на первой международной выставке фото- и видеооборудования PWM (Photo World Moscow), которая проходила в Экспоцентре на Красной Пресне. Выставочный стенд Sinar представлял собой небольшую фотостудию с натюрмортом, освещенным светильниками на галогенных лампах. На тяжелом штативе стоял аппарат формата 4х5, на котором вместо кассеты была укреплена странная конструкция, соединенная с компьютером. На мониторе компьютера был виден тот же натюрморт. Качество изображения было очень высоким.

Странная конструкция, установленная вместо кассеты, оказалась цифровой сканирующей приставкой. В качестве сенсора использовалась линейная матрица, подобная тем, что используются в планшетных сканерах. Экспозиция одного кадра с максимальным разрешением, если мне не изменяет память, составляла около двадцати минут.

Эта техника предназначалась прежде всего для оперативного изготовления каталогов товаров, поскольку позволяла избежать нескольких технологических операций (проявка материала, сканирование, редактирование) и связанных с ними потерь качества снимка.

Однако на российских фотографов-рекламщиков в то время этот экспонат не произвел сильного впечатления, потому что был ужасно далек от жизни. Во-первых, такой цифровой задник мог использоваться только в специально оборудованной студии. Мощности ноутбуков и емкости их винчестеров в те времена не позволяли использовать их в комплекте с задниками при выездной съемке. Во-вторых, длительная экспозиция ограничивала область применения сканирующих задников только съемкой неподвижных объектов, главным образом предметной съемкой.

В-третьих, непомерная по тем временам цена задника и сопутствующего «софта» была доступна только крупнейшим рекламным компаниям, имеющим очень солидных клиентов. В-четвертых... Впрочем, хватит перечислять недостатки цифровых задников первого поколения. Даже их достоинства, и те казались достаточно сомнительными.

Производители утверждали, что цифровая фотография дает возможность фотографу выставить идеальную композицию и освещение, а заказчику оценить и одобрить или не одобрить каждый снимок еще до того, как он будет сделан. Но ведь в то же время, на той же выставке компания Polaroid демонстрировала целый спектр профессиональных фотоматериалов, предназначенных для съемки фотопроб. При этом материалы Polaroid имели такую же чувствительность, как и наиболее распространенные слайдовые пленки, применяемые в рекламной фотографии.

Поляроидные пробы снимались с той же экспозицией, что и основной материал, поэтому не было никаких ограничений на характер объекта (подвижный — статичный). Существовали, да и теперь существуют специальные «поляроидные» адаптеры не только для крупноформатных камер, но и для большинства среднеформатных. Профессиональные материалы Polaroid, тоже, кстати, не очень дешевые, мог, тем не менее, позволить себе любой фотограф, занимающийся рекламной фотографией. При таком раскладе нет ничего удивительного в том, что во второй половине девяностых годов прошлого века цифровые задники большого распространения не получили.

Шли годы. Ассортимент профессиональных пленок Polaroid пополнился разве что несколькими новыми типами, предназначенными для съемок на документы. За то же время технология производства цифровых фотокамер и задников совершила гигантский скачок вперед. Это касается не только самих CCD матриц, но также электронных компонентов и компьютеров. Напомню тем, кто забыл: самым «крутым» в 1995 году считался компьютер с процессором Pentium 100 МГц.

Сканирующие задники с линейными матрицами все еще выпускаются. Однако они продолжают использоваться только для съемки предметной съемки и репродуцирования. Основное же место в ассортименте продукции ведущих производителей цифровых задников сейчас занимают адаптеры с 2D матрицами большой емкости (от 11 миллионов пиксел). Современные матрицы позволяют вести съемку с выдержкой менее 1/1000 секунды, обладают огромным, по сравнению с пленкой, динамическим диапазоном и низким уровнем шумов. Кроме аппаратной части, «железа», производители цифровых задников разрабатывают также программное обеспечение, обеспечивающее захват изображения, его точную настройку и трансформацию из формата Raw в форматы, понятные «Фотошопу» или другому фоторедактору.

В мире сейчас существует около десятка фирм, выпускающих профессиональные цифровые задники для среднеформатных и крупноформатных камер. Но производителей матриц большой емкости в мире раз-два и обчелся. И номер один среди них — Kodak, выпускающий сегодня лучшие матрицы емкостью до 22 мегапикселов.

В России наибольшее распространение получили задники трех производителей: Phase One, Imacon и Sinar. Все три фирмы — европейские. Phase One и Imacon — датские, а Sinar — швейцарская. Для производства своих адаптеров все они используют сейчас матрицы Kodak.

Основные свойства CCD матриц

Напомним принцип действия матрицы на приборах с зарядовой связью (CCD). Светочувствительными элементами такой матрицы являются микроэлементы — фотодиоды, способные преобразовывать свет в электрический заряд. Чем больше фотонов попадает на фотодиод, тем больше электронов на нем накапливается. Одной из важнейших характеристик качества матрицы является максимальное число электронов, которое в состоянии аккумулировать каждый элемент (пиксел). Эта характеристика называется «глубиной» ячейки (по-английски Well Depth — глубина колодца или источника). Численное значение Well Depth в документации на цифровые задники не приводится, поскольку оно косвенно выражается в другой характеристике — динамическом диапазоне. Но об этом чуть позже.

Другой важнейшей характеристикой матрицы является уровень шумов.

Под «шумом» в электронной технике понимают нежелательную электрическую или электромагнитную энергию, которая искажает полезный сигнал. Когда мы говорим о цифровых задниках, мы имеем дело с двумя источниками шумов. Во-первых, это шумы собственно CCD матрицы, во-вторых — шум электронной схемы. Шум матрицы вызывается тем, что под действием одного и того же количества фотонов, попадающих на разные фотодиоды, на них может аккумулироваться разный электрический заряд. Чем больше разброс значений зарядов, тем больше шум. Шум электронной схемы возникает из-за невозможности добиться стопроцентной повторяемости результатов при аналого-цифровом преобразовании. То есть цифровые коды одинаковых зарядов могут несколько различаться.

В результате при съемке абсолютно однородных участков объекта (например, равномерно освещенного цветного фона, особенно темного) могут быть заметны неоднородные вкрапления большей или меньшей яркости. Шум матрицы увеличивается при повышении температуры. Поэтому такое большое значение имеет установка оптимального температурного режима при съемке.

Влияние шумов больше всего заметно при низких уровнях полезного сигнала, то есть при недостаточной экспозиции. Чем выше значение полезного сигнала, тем меньше заметен шум. Поэтому чем больше значение Well Depth (максимального количества электронов, которое способен собрать элемент матрицы), тем меньшего влияния шума можно достичь при нормальной экспозиции. Для численного выражения этого свойства матрицы существует специальная характеристика — динамический диапазон, равная десятичному логарифму отношения глубины ячейки к общему уровню шума. Однако это соотношение, выраженное в децибелах, больше понятно инженерам, чем фотографам.

Для того чтобы выразить динамический диапазон более наглядно, вспомним, что максимальному значению заряда каждого пиксела матрицы должна соответствовать определенная величина экспозиции. Существует также некий минимальный уровень экспозиции, действие которого не приводит к образованию заряда пиксела выше уровня шума. Разницу между этими двумя уровнями можно легко выразить количеством делений диафрагмы. Такая форма выражения более наглядна. Динамический диапазон матриц современных цифровых задников — двенадцать делений диафрагмы (12 f-stops). По физическому смыслу эта характеристика близка фотографической широте фотоматериалов.

Однако существует существенное отличие. Под фотографической широтой понимается не весь диапазон яркостей объекта, который пленка может хоть как-то воспроизвести, а только тот, который она может воспроизвести правильно, то есть пропорционально. Из определения динамического диапазона CCD матрицы следует, однако, что он учитывает весь диапазон яркостей объекта, в том числе и уровни, близкие по амплитуде к уровню шума. Естественно, что для получения качественных снимков должен быть использован более узкий диапазон яркостей объекта. Поэтому сравнивать динамический диапазон матрицы и фотографическую широту пленки не очень корректно.

CCD матрица обладает еще одним свойством, которое необходимо учитывать при проектировании цифровых адаптеров. При слишком большой экспозиции количество электронов, аккумулируемых фотодиодом, может стать таким большим, что они начнут растекаться по соседним элементам матрицы. Так происходит, например, когда в кадре оказывается источник света на темном фоне. Вместо резкого контура между светлым и темным участком кадра наблюдается светлый ореол, окружающий источник света. Это явление называется блюминг (blooming — ореол). Существуют специальные средства, ограничивающие ореолообразование такого рода. И иногда, но не всегда, в характеристиках задников указывается характеристика, называющаяся «антиблюминг», которая показывает допустимое значение превышения номинального значения экспозиции, выраженное в делениях диафрагмы. Например, антиблюминг 8 f-stops показывает, что ореол не возникнет даже при превышении уровня яркости отдельного участка кадра в 256 раз (2 в степени 8 = 8 делений диафрагмы) относительно яркости участка, по которому устанавливалась экспозиция.

Очень важной характеристикой цифрового адаптера является «глубина цвета», определяемая разрядностью АЦП. Все современные матрицы обеспечивают глубину цвета 16 бит. Это значит, что количество градаций каждого цвета составляет 65 535, а общее количество цветов выражается астрономическим числом 2 в 64 степени.

Разрешение матриц, применяемых в цифровых адаптерах, сегодня составляет от 11 до 22 миллионов пикселов. Адаптеры с пяти- и шестимегапиксельными матрицами снимаются с производства.

Физические размеры матрицы могут составлять, например, 36,9х24,6 мм, 36,9х36,9 мм или 36,9х49 мм, что гораздо меньше площади среднеформатного кадра. Это значит, что угол охвата среднеформатных объективов не может быть полностью использован. Отсюда следует, что при работе с цифровым задником широкоугольник «становится» как минимум нормальным объективом, а штатный может использоваться в качестве «портретника». В этом есть свои плюсы и свои минусы. Минус — нельзя получить изображение со сверхшироким углом охвата. Плюс — под «телевик» можно приспособить обычный портретный объектив. Еще один плюс — при съемке на цифровой задник используется только центральная часть кружка изображения, создаваемого объективом, а значит, значительно уменьшается влияние дисторсии и краевых аберраций.

Что на рынке?

В России сейчас имеют официальных дилеров три ведущих компании, производящие цифровые задники для среднеформатных и крупноформатных камер. Поскольку, как уже упоминалось выше, Imacon, Phase One и Sinar устанавливают на свои адаптеры матрицы Kodak, то может показаться, что разницы в качестве изображения между ними вообще не должно быть. Однако хорошая матрица — это только один из основных узлов цифровой приставки. Не менее важным является АЦП — аналого-цифровой преобразователь. От его качества зависит точность преобразования зарядов, собранных с фотодиодов матрицы, а также уровень шума. После того как аналоговый сигнал переведен в цифровую форму, он поступает в компьютер под управлением программ, которые осуществляют не только захват, но и «чистят» шумы. Каждая фирма-производитель имеет свой алгоритм обработки изображения. Кроме того, задники разных фирм различаются способом охлаждения матрицы, конструктивными особенностями и еще множеством деталей.

Поэтому, несмотря на то что во всех задниках установлены одинаковые матрицы, конечный результат может иметь свои индивидуальные особенности.

Цифровые задники IMACON

Эта датская фирма «поднялась» в 1995 году за счет изобретенного ее создателем Кристианом Пульсеном «виртуального барабана». Это изобретение позволило Имакону в кратчайшие сроки стать одним из лидеров производства высококачественных сканеров. Другим направлением деятельности фирмы стало производство цифровых адаптеров. В настоящее время Imacon выпускает серию цифровых адаптеров Ixpress C.

Комплект состоит из собственно цифрового задника со встроенным двухдюймовым монитором и портативного накопителя Image Bank на жестком диске IBM, который может крепиться к поясу фотографа. Емкости Image Bank (40 Гб) хватает для записи 1150 снимков размером 96 Мб или 850 снимков размером 132 Mб. Питание Image Bank при съемке осуществляется за счет стандартного литиевого аккумулятора для видеокамер Sony (размер L). А при «перекачке» данных в компьютер питание поступает по кабелю FireWire.

На мониторе можно наблюдать текущий кадр, пролистывать содержимое Image Bank, то есть просматривать снятый материал; можно также выводить гистограммы и выполнять цифровое увеличение изображения до уровня нескольких пиксел. Для контроля правильности экспозиции кроме гистограммы могут быть использованы также звуковые сигналы определенных тонов, соответствующие правильной, избыточной или недостаточной экспозиции.

При подключении к имидж банку компьютера происходит очень быстрый вывод на монитор «превьюшек» (примерно 100 картинок каждые 2,5 секунды). Это дает возможность тут же приступить к сортировке и редактированию материала.

Фирменная программа FlexColor обеспечивает тонкую настройку изображения и представление окончательного результата в системах RGB или CMYK.

В адаптерах серии Ixpress C используются матрицы Kodak с разрешением 16 или 22 миллиона пиксел (величина пиксела — 9 микрон). Но это не предел. При студийной съемке разрешение фотоснимков может быть увеличено в четыре раза с помощью опционального модуля 4*Res, осуществляющего четырехкратную экспозицию одного и того же кадра. Это достигается путем микросдвига матрицы перед последующей экспозицией на один пиксел. Само собой разумеется, что четырехкратная экспозиция может быть использована только для съемки статичных объектов при неизменном освещении. Но и это еще не все. С помощью дополнительной платформы Rollei X-Act2 или Linhof M679cs задник Ixpress 384C может осуществлять 16-кратную экспозицию со сдвигом 4,5 микрона (половина пиксела!), в результате чего можно получить файл размером 384 Mб. Необходимость в получении таких огромных файлов есть далеко не часто, однако иногда только сверхбольшое разрешение помогает избавиться от муара, который может возникнуть на мелких деталях с регулярной структурой.

Примененный в задниках серии Ixpress C метод поддержания оптимальной температуры матриц, обеспечивающий низкий уровень шумов при длительной работе, был ранее использован в сканерах производства Imacon.

Конструкторы сумели почти в два раза уменьшить энергозатраты на считывание данных с матрицы. Тем самым было убито два зайца — уменьшилась потребляемая мощность и снизилась температура.

В дополнение для более эффективного охлаждения матрицы на заднике установлен вентилятор. Конструкторы считают, что такой метод более безопасен, чем активное охлаждение, которое может при определенных условиях привести к образованию конденсата на поверхности матрицы.

Модульная конструкция Ixpress C (камерный адаптер, задник, модуль 4*Res, Image Bank) позволяет поэтапно модернизировать систему. Например, заменить задник с шестнадцатимегапиксельной матрицей на больший или установить дополнительный модуль 4*Res.

Получая в комплекте с задником фирменный «софт» Imacon — программу FlexColor, владелец получает право на обеспечение копиями программы своих сотрудников и партнеров, что сильно облегчает работу над большими проектами. И программа, и файлы, создаваемые ею, оптимизированы для работы со стандартными приложениями (Quark XPress, Photoshop).

К цифровым задникам Ixpress C выпускаются адаптеры, позволяющие устанавливать их на все распространенные системы среднеформатных камер и камеры формата 4х5 дюймов.

В заключение следует упомянуть, что цифровые задники Ixpress C были отмечены TIPA как лучший профессиональный цифровой продукт 2003—2004 гг.

Цифровые задники Phase One

Эта датская фирма считается мировым лидером по числу проданных цифровых приставок для среднеформатных камер. В настоящее время под этой маркой выпускается две серии задников с прямоугольными матрицами и одна модель с линейной сканирующей матрицей. Кроме того, фирма производит устройство (FlexAdaptor), позволяющее использовать все «мгновенные» приставки Phase One при работе с камерами формата 4х5. FlexAdaptor может сделать несколько перекрывающихся снимков, которые потом «сшиваются» с помощью специальной программы. Таким образом, можно получить качественный кадр размером не менее 89 Mб. Ничем иным, кроме производства цифровых приставок и разработки программного обеспечения для них, Phase One не занимается.

В настоящее время на Phase One используют матрицы Kodak. Но в недавнем прошлом некоторые модели их цифровых задников (например, H25) выпускались с матрицами другого производителя — Dalsa.

Конструкция приставок Phase One помимо сенсора включает в себя высокоточный аналого-цифровой преобразователь и скоростной интерфейс для связи с компьютером. Система температурного контроля защищена патентом. Ее принцип заключается в периодическом переводе матрицы в состояние «покоя», при котором матрица потребляет минимум энергии и, следовательно, меньше греется.

Программа Capture One имеет один из лучших в мире модулей перевода raw файлов в TIFF и JPEG. С ее помощью производится захват изображения, его настройка, транскодирование и сохранение в форматах, совместимых с наиболее распространенными программами редактирования изображений. Интерфейс Capture One прост и интуитивно понятен каждому, кто имеет дело со сканерами и «Фотошопом». Изображение, создаваемое камерой, передается в видеорежиме в центральное окно интерфейса Capture One. Фотограф или оператор компьютера может вывести дополнительные окна с гистограммой или фрагментом изображения в масштабе 1:1. Можно включить режим индикации передержанных или недодержанных участков кадра. Они отображаются соответственно ярко-красным или синим цветом. На интерфейсе имеется кнопка Capture, кликнув на которой, можно произвести захват изображения. Такая возможность управления камерой с компьютера представляется весьма полезной при рутинной предметной съемке, когда основная задача фотографа состоит в том, чтобы грамотно выставить свет и композицию для первого кадра. Дальнейшая работа, заключающаяся в нажатии кнопки «спуск» и замене одного предмета на другой, может быть поручена ассистенту, который и будет управлять спуском затвора через компьютер.

Цифровые задники серии H предназначены прежде всего для студийных съемок. Объем матрицы от 11 до 22 миллионов пиксел. Задники этой серии не имеют ни встроенного монитора, ни накопителя и могут работать только будучи подключенными к компьютеру. Для выездной съемки они могут подключаться к ноутбуку. Но свободы действия при использовании такого комплекта фотограф не обретает. Кроме того, как известно, емкости аккумулятора ноутбука не хватит для длительной работы на натуре.

Модели H20 и H25 выпускаются в версиях для камер Hasselblad (555 ELD, 553 ELX, 503 CW 501 CM) и Mamiya RZ. Через дополнительные адаптеры они могут пристыковываться и к некоторым другим среднеформатным камерам. Модель H101 спроектирована специально для работы с новым автофокусным Hasselblad H1. Кроме него H101 может с помощью FlexAdaptor устанавливаться только на камеры формата 4х5.

Задники новой серии P предназначены прежде всего для активных натурных съемок. Они имеют автономное питание, встроенный монитор и сменный накопитель — флэш-карту CF II емкостью от 1 до 7 Гб. Заряда встроенного литий-ионного аккумулятора хватает на 350 снимков в течение 4,5 часа. Скорость передачи данных — 9 Mбит/с. LCD монитор имеет размер 2,2 дюйма и содержит 116 тысяч пиксел. Помимо изображения объекта в режиме preview на него можно выводить гистограмму, индикатор экспозиции, данные об установленной чувствительности матрицы, состоянии аккумулятора, состоянии буфера и карты памяти.

Задники P20 и P25 имеют новейшие матрицы Kodak объемом соответственно 16 и 22 млн. пиксел. Максимальный размер файла при однократной экспозиции и глубине цвета 16 бит — 130 Мб (для P25).

Приставка со сканирующей линейной матрицей Power Phase FX позволяет за один проход получать изображение с разрешением 10 500х12 600 (132 Мегапиксел) и передавать его на компьютер по интерфейсу IEEE 1394 (FireWire) со скоростью 240 Mб в минуту. Этот задник работает с камерой формата 4х5. Основная область применения — предметная фотосъемка, макросъемка и съемка высококачественных репродукций. Большинство покупателей этой системы — музеи.

Цифровые задники Sinar

В отличие от своих конкурентов из Дании, возникших на волне интереса к цифровому фото, швейцарская фирма Sinar, основанная в 1968 году как семейное предприятие, уже давно является одним из признанных авторитетов в области производства классических карданных камер.

Ее владельцы, однако, одними из первых оценили огромный потенциал новых цифровых технологий и смогли стать одними из лидеров в области производства приставок для профессионального цифрового фото. Об успехах Синара говорит такой совсем «свежий» факт, что задник Sinarback 54M был признан TIPA лучшей цифровой приставкой 2004 года.

Сегодня Sinar предлагает несколько моделей цифровых задников с матрицами емкостью от 11 до 22 миллионов пикселов, а также вспомогательное оборудование и программное обеспечение для цифровых приставок.

Задники Sinarback 43 (11 млн. пиксел) и Sinarback 44 (16 млн. пиксел) предназначены прежде всего для студийной фотосъемки. Для работы им необходима связь с компьютером Macintosh, осуществляемая по кабелю FireWire (Sinarback 43) или по оптоволоконному кабелю (Sinarback 44). Если в качестве компьютера используется Power Book, то система приобретает некоторую, хотя и весьма ограниченную, автономность. Уровень шумов матрицы, как уже отмечалось, очень сильно зависит от температуры. В Sinarback 44 для поддержания нужного температурного режима используется термоэлектронная система охлаждения.

Модификации с индексом H и HR (Sinarback 43H, Sinarback 44HR) позволяют вести съемку неподвижных объектов методом многократной экспозиции в режиме microscan, что подразумевает микросдвиг матрицы после каждой экспозиции на шаг, равный половине ширины пиксела. Таким образом, разрешение и объем изображения могут быть увеличены в 4 или 16 раз. Такое высокое разрешение позволяет избавиться от эффекта муара при съемках тканей или других фактур с регулярной структурой.

Благодаря развитой системе адаптеров эти задники могут работать практически с любой среднеформатной камерой.

На вершине иерархической лестницы моделей цифровых задников Sinar сегодня по праву находится Sinarback 54M. Эта приставка с двадцатидвухмегапиксельной матрицей, разработанной совместно специалистами Kodak и Sinar, имеет предельные на сегодняшний день характеристики. Индекс M в названии модели обозначает «mobile». Причем при разработке автономного задника специалисты Sinar сделали ставку на специализированный микрокомпьютер, который может быть укреплен либо на самом заднике, либо на поясе фотографа. Компьютер Sinar Action Module осуществляет захват и хранение изображений, а также обеспечивает настройку (композицию кадра, вывод параметров). Контроль осуществляется по TFT монитору с высоким разрешением по цвету и резкости (262 144 цвета, 307 200 пиксел) с размером по диагонали 10 см. Питание осуществляется от внешней батареи с напряжением 12 вольт либо по кабелю FirWire (при работе с компьютером).

В качестве накопителя используется сменный жесткий диск емкостью от 20 Гб (возможна комплектация диском 40, 60 или 80 Гб).

Технические характеристики цифровых задников