Как работает фотоаппарат

Фотоаппарат работает так: объектив собирает лучи света, отражённые от предметов, и строит из них перевёрнутое уменьшенное изображение на плоскости позади себя, а светочувствительная поверхность в этой плоскости - электронная матрица или химическая плёнка - фиксирует это изображение, превращая падающий свет в устойчивый след, который потом можно рассмотреть, напечатать или сохранить в виде файла. Чтобы след получился ни слишком тёмным, ни слишком светлым, аппарат должен точно отмерить количество света, попавшего на поверхность, и для этого управляет тремя независимыми параметрами - шириной отверстия, через которое проходит свет, временем, в течение которого свет вообще допускается к поверхности, и тем, насколько сильно сама поверхность реагирует на этот свет. Вместе эти три параметра образуют то, что фотографы называют экспозицией.

Путь света через объектив

Свет от снимаемого предмета расходится во все стороны, и без объектива на светочувствительной поверхности получилось бы просто размытое пятно - каждая точка предмета накладывалась бы на изображение всех остальных точек. Объектив решает эту задачу с помощью системы линз: изогнутые стёкла преломляют лучи света так, что все лучи, вышедшие из одной точки предмета, снова собираются в одну точку на светочувствительной поверхности, формируя резкое изображение. Простая одиночная линза искажает картинку по краям и не может одинаково резко свести лучи разных цветов, поэтому в настоящем объективе таких линз - от нескольких до десятка с лишним, они собраны в группы и совместно исправляют искажения друг друга.

Расстояние от объектива до точки, где сходятся лучи, задаёт фокусное расстояние - именно оно определяет угол обзора и масштаб изображения: короткое фокусное расстояние даёт широкий охват сцены и уменьшенные предметы, длинное - узкий угол и приближённую картинку, как в телеобъективе. Чтобы изображение было резким именно на том предмете, который снимают, а не где-то перед ним или за ним, часть линз внутри объектива может сдвигаться вперёд и назад - это и есть фокусировка, ручная или автоматическая.

Диафрагма: сколько света впускает объектив

Диафрагма - это регулируемое отверстие внутри объектива, собранное из нескольких тонких лепестков, которые могут сдвигаться, сужая или расширяя проём, через который проходит свет. Чем шире открыта диафрагма, тем больше света попадает на светочувствительную поверхность за одно и то же время, - похожий принцип работает в зрачке человеческого глаза, который расширяется в темноте и сужается на ярком солнце. Размер отверстия принято обозначать числом диафрагмы: чем меньше это число, тем шире открыт проём и тем больше света проходит.

У диафрагмы есть и побочный эффект, из-за которого она стала важнейшим творческим инструментом фотографа, - она управляет глубиной резко изображаемого пространства. При широко открытой диафрагме резким получается только узкий слой на определённом расстоянии от объектива, а всё, что ближе или дальше, размывается, - этим приёмом выделяют главный объект на смазанном фоне, например в портретной съёмке. При сильно суженной диафрагме резким остаётся почти всё пространство кадра от переднего плана до дальнего фона, что важно в пейзажной и архитектурной съёмке, где резкость нужна равномерно по всей глубине сцены.

Выдержка: сколько времени поверхность открыта свету

Выдержка - это промежуток времени, в течение которого свет вообще допускается к светочувствительной поверхности. За эту задачу отвечает затвор - механическая или электронная преграда перед матрицей или плёнкой, которая на заданный отрезок времени открывается и снова закрывается. В механических затворах используются одна или две подвижные шторки, пробегающие перед кадром: короткая выдержка означает, что вторая шторка начинает закрывать кадр почти сразу вслед за первой, оставляя лишь узкую движущуюся щель, а длинная выдержка означает, что кадр целиком остаётся открытым заметное время.

Выдержка определяет, как на снимке передаётся движение. Короткая выдержка «замораживает» быстро движущийся предмет, фиксируя его в одном положении почти без смаза, - так снимают спорт и полёт птицы. Длинная выдержка, наоборот, растягивает след движущегося предмета во времени, превращая его в размытую полосу - именно так получают эффект текущей воды, похожей на гладкий шёлк, или светящиеся линии от фар ночных автомобилей. При этом чем длиннее выдержка, тем труднее удержать камеру неподвижной без дрожания рук, поэтому длинные выдержки обычно снимают со штатива.

Светочувствительность: насколько сильно поверхность реагирует на свет

Третий параметр экспозиции - светочувствительность, которую принято обозначать числом по международной шкале ISO. Она описывает, насколько сильно электроника усиливает электрический сигнал, полученный от матрицы, прежде чем превратить его в итоговое изображение, а у плёночных аппаратов - насколько активно химический состав самой плёнки реагирует на попавший на неё свет. Низкое значение светочувствительности требует больше света для получения нормально освещённого кадра, зато даёт самое чистое, детальное изображение без постороннего шума. Высокое значение позволяет снимать при слабом освещении без штатива и вспышки, но усиление сигнала одновременно усиливает и случайные помехи в электронике, из-за чего на снимке появляется зернистый шум - у плёнки похожий эффект называют зерном и объясняют неравномерным распределением светочувствительных кристаллов в эмульсии.

Три параметра экспозиции связаны между собой: если сделать диафрагму уже, света станет меньше, и для того же общего количества света на кадре придётся либо увеличить выдержку, либо поднять светочувствительность. Фотограф постоянно балансирует между ними, выбирая, чем пожертвовать ради нужного результата - глубиной резкости, чёткостью движения или чистотой картинки без шума.

Как устроена цифровая матрица

Матрица современного фотоаппарата - это кремниевая пластина, разбитая на миллионы крошечных светочувствительных ячеек, каждая из которых соответствует одному будущему пикселю снимка. Свет, падающий на ячейку, выбивает в полупроводнике электроны пропорционально своей интенсивности - чем ярче свет, тем больше электронов накопится за время экспозиции. После того как затвор закрывается, электроника считывает накопленный в каждой ячейке заряд и превращает его в цифровое число, из которых затем собирается изображение.

Сама по себе такая ячейка различает только яркость света, но не его цвет, поэтому почти над каждой ячейкой матрицы установлен крошечный цветной светофильтр - красный, зелёный или синий, причём зелёных фильтров вдвое больше, потому что человеческий глаз наиболее чувствителен именно к этому цвету. Эта мозаика фильтров расположена по строгой повторяющейся схеме, и после считывания заряда со всех ячеек специальный алгоритм восстанавливает полноценный цвет каждой точки изображения, сравнивая её с соседними ячейками других цветов, - без этого шага цветной снимок с одноцветной по сути матрицы получить было бы невозможно.

Чем плёнка отличается от цифровой матрицы

Главное различие между плёнкой и цифровой матрицей - в самом способе фиксации света. Плёнка - это гибкая полоса, покрытая светочувствительной эмульсией, в которой распределены микроскопические кристаллы галогенидов серебра. Попавший на кристалл свет меняет его химическую структуру, создавая на плёнке скрытое, невидимое глазом изображение, которое проявляется только после обработки плёнки специальными химическими растворами: проявитель делает засвеченные кристаллы видимыми, закрепитель смывает незасвеченное серебро, оставляя стойкий негатив. Только после этого химического процесса изображение можно увидеть и напечатать на фотобумаге через ту же светочувствительную реакцию, но уже в обратную сторону.

Из-за этого у плёнки и цифровой матрицы принципиально разный рабочий цикл. Снимок на плёнку нельзя посмотреть сразу после нажатия на кнопку затвора - результат становится виден только после проявки, иногда через дни или недели после съёмки, и до этого момента фотограф не может быть до конца уверен, что кадр получился. Цифровая матрица показывает результат мгновенно на экране, позволяет сразу удалить неудачный снимок и попробовать ещё раз, а также передавать любое количество копий файла без потери качества. У плёнки, напротив, каждый кадр физически ограничен и расходуется безвозвратно, зато её зерно и особая нелинейная реакция на пересвеченные и недосвеченные участки дают характерный тон изображения, который многие фотографы до сих пор ценят и воспроизводят цифровыми способами уже после съёмки.

Автофокус и автоматический замер экспозиции

Помимо ручной настройки трёх параметров экспозиции, большинство современных фотоаппаратов умеют определять их автоматически. Для этого внутри камеры или прямо на матрице расположены датчики экспозамера, которые оценивают яркость сцены в разных точках кадра и вычисляют подходящее сочетание диафрагмы, выдержки и светочувствительности, ориентируясь на то, чтобы средняя яркость кадра получилась близкой к привычной глазу. Автофокус работает похожим образом: специальные датчики или сама матрица сравнивают контраст или фазовый сдвиг изображения в выбранной точке кадра и командуют мотору объектива сдвигать линзы до тех пор, пока контраст не станет максимальным, - именно в этот момент изображение в данной точке оказывается наиболее резким.

Размер матрицы и почему он важен не меньше числа мегапикселей

Матрицы разных фотоаппаратов отличаются не только количеством ячеек, но и их физическим размером - от крошечных сенсоров в несколько миллиметров по диагонали в компактных камерах и смартфонах до полнокадровых матриц размером с кадр плёнки старого образца и ещё более крупных в профессиональной технике. Чем крупнее сама ячейка матрицы при том же числе мегапикселей, тем больше света она успевает собрать за время экспозиции и тем чище получается сигнал: крупная ячейка легче отличает настоящий свет от случайного электронного шума, поэтому снимки с крупной матрицы при слабом освещении выглядят заметно менее зернистыми, чем снимки с миниатюрного сенсора при том же числе пикселей.

Размер матрицы также определяет, как воспринимается угол обзора одного и того же объектива: у камер с матрицей меньше полного кадра край изображения, который попал бы на плёнку старого формата, просто обрезается, и кажется, будто объектив снимает более приближённо. Это называют кроп-фактором, и именно из-за него объектив с одинаковым фокусным расстоянием даёт разный по широте охват сцены на разных фотоаппаратах. В смартфонах, где место под матрицу и объектив ограничено толщиной корпуса в несколько миллиметров, производители ставят несколько миниатюрных камер с разным фокусным расстоянием сразу, компенсируя нехватку оптического зума набором готовых углов обзора.

Что происходит с изображением после матрицы

Сырые числа, которые электроника считывает с ячеек матрицы, сами по себе ещё не готовая фотография - это необработанные данные, где для каждой точки известна лишь интенсивность одного из трёх цветовых фильтров. Дальше процессор камеры выполняет целую цепочку операций: восстанавливает полный цвет каждой точки по соседним ячейкам, исправляет искажения, которые внёс объектив, подавляет цифровой шум, поднимает резкость контуров и подгоняет общий баланс белого так, чтобы белый лист бумаги на снимке выглядел белым независимо от того, каким светом - тёплым лампой накаливания или холодным облачным небом - он был освещён при съёмке. Только после этой обработки данные превращаются в привычный файл изображения.

Часть камер позволяет сохранить данные сразу после матрицы почти без обработки - в формате, который принято называть сырым: такой файл занимает больше места, но даёт фотографу возможность самому, уже после съёмки, точнее настроить цвет, яркость и контраст, не теряя деталей в самых светлых и самых тёмных участках кадра. Готовый сжатый файл, обработанный и сохранённый камерой сразу, удобнее для немедленного просмотра и пересылки, но часть исходной информации при такой обработке безвозвратно теряется.

Что в итоге определяет качество снимка

Конечное качество фотографии складывается из совместной работы всех описанных узлов: качества и чистоты стёкол объектива, точности механизма диафрагмы и затвора, размера и чувствительности светочувствительной поверхности, а также алгоритмов, которые превращают сырые данные с матрицы в готовое изображение. Именно поэтому два аппарата с одинаковым числом мегапикселей могут давать заметно разную картинку - число ячеек матрицы говорит лишь о детализации снимка, но ничего не сообщает ни о качестве оптики перед ней, ни о том, насколько аккуратно электроника обошлась со светом, собранным этой оптикой.