Как работает камера: объектив, матрица, диафрагма, пиксели

Тёмная комната с дырочкой

Camera obscura по-латыни значит «тёмная комната». Сделайте небольшое отверстие в стене тёмной комнаты, и на противоположной стене появится перевёрнутая картинка того, что снаружи. Причина в том, что свет идёт по прямым линиям: лучи от верхушки дерева проходят через отверстие и ложатся низко на стену. О таком явлении писал китайский мыслитель Мо-цзы в V веке до н. э., а Ибн аль-Хайсам объяснил его в «Книге оптики» около 1021 года. Чем меньше отверстие, тем резче, но тусклее картинка.

Линза — тысяча дырочек

Линза преломляет свет так, что все лучи, вышедшие из одной точки предмета, снова встречаются в одной точке позади неё. Она собирает гораздо больше света, чем дырочка, и картинка при этом остаётся резкой. Расстояния подчиняются правилу тонкой линзы 1 / f = 1 / u + 1 / v, где f — фокусное расстояние, u — расстояние до предмета, v — расстояние от линзы до матрицы. Чем больше отверстие, тем больше света, и снимок можно сделать быстрее. В этом и состоит вся причина, зачем камерам нужны линзы.

Наводим резкость: считаем

Возьмём линзу с f = 50 мм и предмет в 2 м, то есть в 2000 мм. Тогда 1 / v = 1 / 50 − 1 / 2000 = 39 / 2000, откуда v ≈ 51,3 мм. Для очень далёкого предмета нужно v = 50 мм. Чтобы навести на близкий предмет, линза отодвигается от матрицы на 1,3 мм. Фокусировка — это просто сдвиг линзы примерно на миллиметр, и телефон делает это крошечным моторчиком. Первую долговечную фотографию сделал Нисефор Ньепс около 1826 года, и выдержка заняла много часов.

Миллион вёдер света

Матрица — это чип, покрытый миллионами крошечных светочувствительных ячеек, пикселей. Частица света, фотон, попав в кремний, выбивает электрон. Каждый пиксель считает собранные электроны, как ведро, в которое льётся дождь. Сегодня большинство матриц — КМОП. ПЗС-матрицу придумали в 1969 году Уиллард Бойл и Джордж Смит, и в 2009 году они разделили Нобелевскую премию по физике. В матрице на 12 мегапикселей 12 миллионов пикселей, например 4000 столбцов и 3000 строк.

Цвет из мозаики

Ведро умеет считать свет, но не знает его цвета. Поэтому каждый пиксель стоит под крошечным красным, зелёным или синим фильтром, в узоре, который придумал Брайс Байер в Kodak в 1976 году. В каждом квадрате из четырёх пикселей два зелёных, один красный и один синий. Зелёным достаётся вдвое больше места, потому что человеческий глаз чувствительнее всего именно к зелёному. Затем камера достраивает два недостающих цвета в каждом пикселе по соседям, и этот шаг называется демозаикой.

Диафрагма: размер отверстия

Диафрагма — регулируемое отверстие в объективе. Её записывают числом f, равным фокусному расстоянию, делённому на диаметр отверстия. У объектива 50 мм при f/2,8 отверстие около 18 мм. Каждый полный шаг ряда f/2,8, f/4, f/5,6 вдвое уменьшает свет, потому что вдвое уменьшается площадь отверстия. Широкое отверстие, то есть маленькое число, даёт яркие снимки и размытый фон. Узкое даёт более тёмные снимки, на которых резче большая часть сцены.

Выдержка и ISO: компромиссы

Затвор решает, как долго собирается свет, например 1/100 с. Долгое время делает снимок ярче, но превращает быстрое движение в смаз. ISO усиливает сигнал уже после подсчёта света: удвоенное ISO удваивает яркость и шум. Три регулятора уравновешивают друг друга. Переход с f/2,8 на f/5,6 — два шага, четверть света, поэтому для той же яркости выдержку 1/100 с нужно сделать равной 1/25 с, в четыре раза длиннее. Подвигайте все три ползунка в песочнице и посмотрите, как меняются яркость и смаз.

Картинка из чисел

Каждый пиксель хранит три числа, для красного, зелёного и синего, от 0 до 255, по одному байту. Это 256 × 256 × 256 = 16 777 216 цветов. Белый записывается как (255, 255, 255), чёрный как (0, 0, 0), чистый красный как (255, 0, 0). Снимок на 12 мегапикселей занимает 12 миллионов × 3 байта = 36 миллионов байт до сжатия. JPEG сжимает его раз в десять, до 3–4 МБ, отбрасывая детали, которые глаз почти не замечает. Фотография — таблица чисел, а обработка снимка — арифметика.

Фотокамера