8 800 555 72 00 +7(499) 709 77 70
Матрица видеокамеры — ее устройство, характеристики, рекомендации по выбору

Матрица видеокамеры – один из основных компонентов современной видеотехники. На ее поверхности строится изображение, которое фиксируется чувствительными элементами (пикселями). Существует множество эффективных алгоритмов дальнейшей обработки сигнала, но именно матрица стоит в самом начале электронного тракта видеокамеры и в наибольшей степени влияет на качество видеоматериала.

До появления матрицы использовалась пленка. Принципиально устройство видеокамеры с тех пор изменилось мало. Изображение, как и раньше, строится объективами разных типов на светочувствительной поверхности, а далее посредством различных технологических процессов переносится либо на бумагу, либо на дисплей компьютера. Но матрица имеет перед пленкой одно существенное преимущество – мгновенное получение результата. Именно это главным образом и определило повсеместное применение матриц в качестве сенсоров для видеокамер.

Устройство и типы матриц

matrica.gif

Современная матрица — это микросхема, поверхность которой состоит из множества чувствительных к свету элементов. Каждый элемент является самостоятельным светоприёмником, преобразующим падающий на него свет в электрический сигнал, который после предварительной обработки записывается на карту памяти. Изображение, которое мы видим, состоит из совокупности записанных в цифровом виде сигналов с каждого элемента, а значит, имеет дискретную структуру.

matrica-model.gifmatrica-model-2.gif

Существует две технологии преобразования света в сигнал, на которых может работать матрица видеокамеры. Первая основана на свойстве полупроводниковых диодов накапливать электрический заряд под воздействием света и носит название ПЗС (прибор с зарядовой связью) или CCD (Charge-Coupled Device). Вторая технология также использует накопление заряда, но в качестве приемника применяется не диод, а транзистор, что позволяет организовать усиление сигнала непосредственно в самом светочувствительном элементе. Эта технология называется КМОП (комплементарная структура металл-оксид-полупроводник) или CMOS по-английски. Соответственно существуют и два типа матриц – ПЗС и КМОП.

Первая матрица работала по технологии ПЗС, поскольку эта технология проще и была внедрена первой. Сейчас более перспективным считается принцип КМОП, поскольку предварительное усиление сигнала непосредственно в элементе матрицы позволяет повысить чувствительность, снизить шумы, сократить энергопотребление и уменьшить стоимость матрицы. Несмотря на это, ПЗС матрицы все еще продолжают использоваться и сегодня.

matrica-fotoapparata-shema-raboty.gifmatrica-fotoapparata-ustrojstvo.gif

Элементы, из которых состоит матрица видеокамеры, способны фиксировать только интенсивность падающего на них света. Для того чтобы записать цвет, необходимо, как минимум, три таких элемента (такое количество связано с особенностями восприятия цвета человеческим глазом, имеющим три вида колбочек), каждый из которых отвечает за свою область спектра. Чтобы реализовать цветовую чувствительность, перед каждым элементом ставится светофильтр, который пропускает только вполне определенный цвет – красный, зеленый или синий (модель RGB – Red-Green-Blue, которая используется в подавляющем большинстве матриц).

matrica-baiera.gif

Таким образом, получается, что матрица состоит из набора трех видов сенсоров, при этом располагаться они могут разными способами – четырехугольником, у некоторых матриц шестиугольником, да и количество элементов разного цвета может быть разным. Например, в широко распространенном фильтре Байера на каждый красный и голубой элемент приходится два зеленых, при этом они еще и распределены случайным образом. Это сделано, чтобы смоделировать повышенную цветовую чувствительность человеческого глаза к зеленому цвету.

matrica-fotoapparata-ocifrovka-pixeley.gif

А что же тогда такое всем известный пиксель? Это легко понять, если представить себе, что видеокамера работает так же, как глаз. Изображение строится зрачком (объектив), воспринимается сетчаткой с палочками и колбочками (матрица) и обрабатывается мозгом (процессор). Собственно саму картинку мы видим мозгом, ведь структура сетчатки так же дискретна, как и матрица видеокамеры.

matrica-fotoapparata-algoritm-bajera.gif

Так вот пиксель – это логическая структура, формирующаяся в результате обработки сигнала процессором видеокамеры по специальным алгоритмам. Пиксель может состоять как из одного светочувствительного элемента, так и из трех и более. Например, в уже знакомом нам фильтре Байера цвет каждого элемента вычисляется по информации, полученной от окружающих его элементов, а, следовательно, пиксель состоит из одного светочувствительного элемента. У разных матриц и алгоритмов это может быть по-разному.

По большому счету, все вышесказанное нам не так важно. На технологическом поле бьются производители видеотехники, выпуская все более совершенные матрицы и постоянно улучшая алгоритмы обработки изображений. Что действительно нужно понимать, так это то, что матрица состоит из пикселей, каждый из которых является элементом изображения, несущим информацию об интенсивности света и его цвете. А особенности алгоритма обработки каждый производитель все равно хранит в секрете.

Мы рассмотрели, как устроена матрица, а теперь перейдем к ее основным характеристикам, понимание смысла которых поможет вам правильно выбрать хорошую видеокамеру.

Размер матрицы

Самая важная характеристика. Любой приемник излучения обладает шумами, т. е. на полезный сигнал всегда накладывается паразитный шум. Матрица не является исключением. Из теории известно, что чем больше света поступает в приемник излучения, тем меньше относительное влияние шума. Отсюда следует очевидный вывод: чем больше площадь чувствительного элемента, тем больше на него падает света, тем меньше шум.

Таким образом, чтобы матрица меньше «шумела», она должна иметь больший размер и меньше пикселей. Рассмотрим, какие размеры имеют современные матрицы.

matrica-fotoapparata-sravnenie.gif

Исторически сложилось так, что вместо того, чтобы просто указать размеры, например в миллиметрах, для обозначения размеров матриц видеокамер используются малопонятные и запутанные величины типа 1/4”, 1/3”, 1/2,8”. Это длина диагонали матрицы в долях дюйма. Рекомендация здесь одна: покупайте видеокамеру с большей матрицей.

Разрешение матрицы

matrica-fotoapparata-razreshenije.gif

Вторая важная характеристика. Измеряется в миллионах пикселей – мегапикселях (Мп, Mp). Отвечает за детализацию изображения: чем больше разрешение, тем большего формата изображение можно напечатать и больше увеличить на мониторе. Иными словами, тем большее количество информации несет цифровой снимок.

Вы сами должны решить, видео какого разрешения вам требуется. А рекомендация здесь состоит в том, что предпочтительнее выбрать матрицу с меньшим разрешением, но с большим размером, она точно будет работать лучше.

Светочувствительность матрицы

matrica-fotoapparata-chuvstvitelnost.gif

Эта характеристика определяет возможность матрицы регистрировать слабые световые потоки, т. е. снимать в темноте. Как мы уже говорили выше, чем больше чувствительность, тем больше шумов. Матрица видеокамеры типа КМОП шумит меньше, чем ПЗС. Большая по размерам меньше «шумит», чем маленькая. Матрица с меньшим разрешением меньше «шумит», чем с большим.

Соотношение сигнал/шум матрицы

matrica-fotoapparata-shum.gif

Этот параметр как раз и отражает шумность матрицы. Практически мы уже рассмотрели, как матрица видеокамеры создает шумы и от чего они зависят. Добавим лишь то, что кроме типа, размера, чувствительности, шум зависит еще и от температуры матрицы: чем она выше, тем шум больше.

Борьба с шумом - это отдельная тема. Развитие цифровой техники идет очень быстрыми темпами, и с каждым годом матрицы становятся все более совершенными. При этом используются различные алгоритмы, способные уменьшить влияние шумов на конечное изображение.

Главное – если Вы хотите получить действительно качественное изображение нельзя экономить на матрице!


Источник: http://fotoapparat-expert.ru/


Возврат к списку