Ръководство: подробно за цифровите сензори

Преди броени дни Nikon анонсираха новото си APS-C тяло от висок клас D7200. Според колегите от dpreview то ще се конкурира с модели, като Canon EOS 7D Mark II, Pentax K-3, Sony SLT-A77 II, Fujifilm X-T1, Olympus OM-D E-M5 II, Samsung NX1 и Sony Alpha 7 II.
Впечатляващо нали? Подобно внушително изобилие е колкото добра, толкова и лоша новина за съвременните любители на цифровата фотография. Добра, защото никога преди това хората, практикуващи това изкуство, не са разполагали с по-богата и по-разнообразна палитра от инструменти и възможности да осъществят визията си. Лоша, тъй като огромният избор е нож с две остриета и често може да бъде смущаващо объркващ – особено за любителите, на които тепърва предстои да направят първите си стъпки във вълнуващия свят на фотографията.
Една от най-ключовите и в същото време трудна за възприемане и осмисляне характеристики на съвременната фотографска техника е свързана с размера на светлочувствителната медия (дигитален сензор), която използват различните класове дигитални камери. В опит да внесем малко повече яснота по този въпрос днес сме ви подготвили кратко ръководство, което да ви запознае с различните видове цифрови сензори, предлагани на пазара в момента, както и техните плюсове и минуси.

Защо размерът има значение?

Някога, в ерата на лентовата фотография, камерите използваха филми с различен размер, които обаче имаха относително малко влияние върху качеството на заснетия кадър. Днес, когато повечето фотоапарати разчитат на цифров сензор за улавяне на светлината, това не е така. В случай че разполагате с две камери, разчитащи на дигитална матрица с една и съща резолюция, но различен размер, обикновено тази с по-голям формат ще ви даде по-добро качество на изображенията.
Причината за това се заключава най-вече в метода, който цифровите сензори използват за улавяне на светлината. Всяка дигитална матрица представлява сбор от много на брой светлочувствителни елементи, наречени фоторецептори или пиксели. Резолюцията на съответния сензор указва точно с колко такива рецептори разполага той – например една 12-мегапикселова матрица разполага с общо 11 760 000 (4200 х 2800) пиксела. Колкото по-голям е физическият й размер обаче, толкова по-голям е размерът и на индивидуалния пиксел.

Работата на всеки отделен пиксел (фоторецептор) е да улавя светлината и да я превръща в електрически импулси, които след това камерата записва в специфичен файлов формат. Колкото по-голям е размерът на съответния пиксел, толкова повече светлина улавя той. Съответно полученият от него цифров сигнал ще е по-силен. По-силният сигнал изисква по-малко електронно усилване. Технологично всеки дигитален сензор разполага с възможности за усилване на сигнала, благодарение на които неговата светлочувствителност (ISO) може да бъде увеличавана допълнително. Това обаче е свързано с определени „странични ефекти“. Представете си, че имате цифров аудио запис, който усилвате електронно. Но заедно със записания звук ще усилите и всички странични, паразитни шумове, смесени с него. Така след определен момент вместо по-добро ще получите по-лошо качество на звучене.

При усилване на електронния сигнал от един цифров сензор ефектът е, общо взето, същият. Колкото повече цифрово усилване прилагате, толкова по-шумно изображение ще получите. Въпросния „шум“ се проявява в дигиталния кадър като случайни вариации на яркостта и цветовете – малки бели или цветни точки, разпръснати по снимката и придаващи й зърнеста структура и влошаващи качеството на изображението. Премахването (или потискането) на електронния шум е възможно, но обикновено то води до загуба на детайл и понижава остротата на кадъра.

Цената на качеството

Вероятно след всичко казано се чудите защо тогава производителите изобщо си правят труда да предлагат камери с по-скромни сензори, след като са наясно, че матриците с по-малки физически размери предлагат снимки с по-ниско качество? Проблемът идва от там, че дигиталният сензор е един от най-скъпите компоненти на всеки цифров фотоапарат. Съответно моделите, които използват големи матрици, са значително (понякога в пъти) по-скъпи от тези, които разчитат на по-малки сензори. Освен това колкото по-голям е дигиталният сензор в „сърцето“ на камерата, толкова по-големи са и физическите размери на тялото й, а самото то е по-тежко и неудобно.
Накратко сензорите с по-голям формат като цяло предлагат по-високо качество на изображенията, но камерите, които ги използват, са по-обемисти и значително по-скъпи от алтернативите с по-малки матрици.

Брой пиксели vs. размер

Следващият логичен въпрос, който възниква, е защо в такъв случай производителите просто не възприемат компромисен вариант и да създават сензори с по-малък формат и по-ниска резолюция, за да поддържат размера на индивидуалния фотоелемент (рецептор) относително голям?
За съжаление за много фотографски задачи големият брой пиксели е от критично значение, тъй като по-високата резолюция на сензора означава изображение с повече и по-фини детайли. Освен това матриците с по-висока разделителна способност създават изображения с по-голям размер, които осигуряват повече креативна свобода при последващата им обработка. Значителна част от тях може да бъде изрязана на етап постпроцесинг например и въпреки това финалният резултат да позволява създаване на разпечатка с високо качество.

Въпреки това зависимостта между резолюция и размер на сензора не е ненарушим принцип. Професионални камери от висок клас като Nikon D4s например разчитат на голямоформатен сензор с относително скромна по съвременните стандарти разделителна способност от едва 16 мегапиксела. Благодарение на това тази камера осигурява изображения с изключително ниско ниво на цифров шум и внушителен динамичен диапазон – отлична светлочувствителност дори при условия с ниска осветеност.
Това обаче до известна степен ограничава сферата им на приложение. Много фотографи например предпочитат по-гъвкави профи модели като Nikon D810, който със своите 36 мегапиксела създава изображения с много по-висока детайлност. В същото време, тъй като тази камера също разчита на голямоформатен сензор, нивата на привнесен шум се запазват изключително ниски.

Голямо, малко, средно

След толкова много суха теория вероятно вече е време да си поговорим за размера на съвременните цифрови сензори в конкретика. Днес на пазара ще откриете огромно разнообразие от камери, базирани на сензори с толкова много и различни размери, че само от изброяването им вероятно ще ви заболи главата.
Всички видове сензори обаче използват като основен еталон така наречения 35-милиметров стандарт, наричан още Full Frame формат. Той е базиран на широко използвания в ерата на лентовата фотография светлочувствителен филм с размери 24 х 36 милиметра, въведен от Leica през 1920 г. На практика един Full Frame (пълноформатен) сензор представлява цифрова матрица с точно тези размери: 36 х 24 милиметра – толкова, колкото е бил един отделен кадър върху класическия 35 мм филм.

Всички останали сензорни формати с по-малки размери се приравняват към Full Frame, a за указване на това, каква част от 35 мм стандарта представляват те, се използва специален идентификатор, известен като crop factor (фактор на изрязване). Повечето масови цифрово-огледални камери например разчитат на сензори с APS-C формат – матрици с crop factor от 1.5x (Nikon) или 1.6x (Canon), т.е. с размер 1.5 или 1.6 пъти по-малък от този на Full Frame.
За да станат нещата още по-объркващи по-надолу в скалата на размерите, през годините много производители въведоха свои собствени формати и наименования за тях, някои от които дублират вече съществуващи стандарти, други пък – съвършено нови. Обозначението DX върху много камери с марката Nikon например не е нищо по-различно от фирмено наименование на модели с APS-C сензор с crop factor 1.5х.

Набиращите популярност напоследък компактни камери със сменяем обектив пък в голямата си част разчитат на така наречените Micro 4/3 сензори. Наименованието на формата, разработен първоначално от Olympus и Panasonic през 2008 година, може да ви въведе в заблуждение, че става дума за фотоапарати, разчитащи на сензор с размери 4/3 от тези на Full Frame. В действителност обаче става дума за матрица с големина 18 х 13.5 милиметра, т.е. с площ около 30 процента по-малка от тази на APS-C формата. За разлика от него и от Full Frame обаче Micro 4/3 сензорите са със съотношение на страните 4:3, а не 3:2 – оттам и наименованието на формата.

По нататък кашата от размери и стандарти става още по-голяма, а една от основните причини за това безспорно се корени във факта, че днес почти всяко цифрово устройство, предлагано на пазара, е камера (или разполага с камера). Повечето смартфони и таблети от най-ново поколение имат дори по две – една фронтална и една на гърба си.
Разбира се, най-голям интерес представляват типичните сензори, които ще откриете в традиционните цифрови фотоапарати. Ще се спрем подробно най-вече на тях, но все пак ето накратко различните формати дигитални матрици и някои от най-типичните видове цифрови устройства, в които можете да ги откриете.

Смартфони
Повечето съвременни камерафони разчитат на сензори с размер 1/3.2 инча (4.54 x 3.42 мм). Но „повечето“ не означава всички. Новия iPhone 6 например разчита на тилова камера със сензор с 1.5 пъти по-големи размери – 5.97 x 4.71 мм. Съществуват и още по-внушителни примери като Nokia Lumia 1020, екипирана със сензор с размери 2/3 инча (8.80 х 6.60 мм) – значително по-голям от матриците, на които ще се натъкнете в прогресивно изчезващите от пазара компактни камери с фиксиран обектив.

Компактни камери с фиксиран обектив
Най-ниското стъпало в цифровата фотография, което съвсем заслужено е на път да бъде напълно изместено от камерафоните. В крайна сметка размерът на сензорите, които този клас камери предлагат, не ги поставя в особено изгодна позиция спрямо модерните смартфон флагмани – говорим за матрици с големина 5.37 x 4.04 мм (1/2.7 инча) до около инч (12.8 x 9.6 мм), макар и тук да има изключения като например изумителния Sony RX1, предлагащ Full Frame сензор.

Компактни камери със сменяем обектив (безогледални камери)
Както вече споменахме, повечето уважаващи себе си модели от този клас използват Micro Four Thirds 4/3 стандарт, т.е. сензори с размери с около 30% по-малък мащаб от този на APS-C. Все повече производители в сегмента обаче (Canon, Sony, Fujifilm) преминават към по-съвършения APS-C, a някои от най-елитните примери като страхотния Leica M например използват пълноформатен (Full Frame) сензор.

Цифрово-огледални камери
Съвсем накратко, тъй като вече се спряхме относително подробно на този клас – тук е царството на APS-C и пълноформатните (Full Frame) сензори.

Увеличителен ефект

И докато взаимовръзката между размера на сензора и качеството на цифровите изображения, запечатани с негова помощ, е обект на ожесточени дебати, съществува един друг „ефект“, свързан с площта на матрицата, която използва вашата камера, който е добре да имате предвид. Той засяга единствено фотоапаратите със сменяем обектив и отново е свързан със споменавания вече нееднократно Full Frame стандарт.

Тъй като една голяма част от обективите, предлагани на пазара, са разработени с идея за използване именно с камери, разчитащи на Full Frame сензор, те са създадени така, че да покриват неговите изисквания, т.е. да улавят достатъчно количество светлина и да я концентрират върху матрица с Full Frame площ. Какво се случва обаче, когато подобен обектив се постави върху камера с по-малък сензор? В такъв случай нейният crop factor играе ролята на фактор на увеличение, т.е. ефективно увеличава фокалната дължина на обектива. Ако, да речем, разполагате с обектив с фокална дължина 100 мм, създаден за използване с Full Frame камера, поставен върху камера с APS-C сензор на Nikon, той ще има ефективна фокална дължина 150 мм (100 мм х 1.5х crop factor). Върху APS-C модел на Canon този ефект ще е една идея по-драматичен – 100-милиметровият ви обектив ще се „превърне“ в 160-милиметров.

Тук обаче, отново подчертаваме, става дума само и единствено за обективи, създадени от производителя им за използване с 35 мм (Full Frame) камери. Тъй като през последните няколко години моделите с APC-S и по-малки сензори придобиват все по-голяма популярност, на пазара вече се предлага широка гама обективи, предназначени специално за камери от подобен клас. За тях този принцип на „увеличение“ не важи, а фокалната дължина, която те предлагат, е точно толкова, колкото е отбелязано върху маркировката им.