Nikon разработала двухслойную фотоматрицу со встроенным HDR

Компания Nikon разработала фотоматрицу, способную контролировать уровень экспозиции для разных областей кадра во время снимка. Она состоит из двух слоев: сверху расположены пиксели, условно разбитые на небольшие группы, а под этим группами расположены управляющие схемы, подбирающие для каждой группы нужную экспозицию. Такая конструкция позволила добиться динамического диапазона в 134 децибела. Описание новой матрицы опубликовано на японском сайте Nikon.

Динамический диапазон матрицы показывает, насколько сильно могут различаться по освещенности пиксели на одном снимке, не теряя при этом деталей, то есть не становясь абсолютно белыми или черными (вернее, освещенными на уровне шума матрицы). Высокий динамический диапазон важен в сценах с сильными тенями и светлыми участками, причем в обычной фотографии низкий диапазон можно использовать как художественный прием, но в других применениях он может сильно мешать. К примеру, камеры беспилотного автомобиля на выезде из тоннеля могут столкнуться с крайне большим перепадом яркости, и алгоритмы управления машины могут не заметить препятствие перед ней.

У проблемы низкого динамического диапазона есть два основных решения: программное и аппаратное. Программное заключается в том, что камера снимает два или больше снимка с разной экспозицией, а затем создает на их основе один, в котором светлые и темные области взяты из разных кадров. Аппаратные решения менее распространены и различаются по реализации. Например, Fujifilm до начала 2010-х годов производила камеры с матрицами, в которых было два типа пикселей разного размера, предназначенных для светлых и темных участков.

Nikon представила новую конструкцию фотоматрицы с расширенным динамическим диапазоном, реализованном на аппаратном уровне. Блок матрицы состоит из двух чипов, расположенных один над другим. Сверху располагается фотоматрица, отвечающая за получение изображения. Ее разрешение составляет 4224 на 4224 пикселя, которые объединены в блоки размером 16 на 16 пикселей. Главная особенность новой матрицы заключается в том, что во время съемки экспозицию можно контролировать не только для всего массива пикселей в целом, но и для каждого отдельного блока.

На нижнем уровне расположен второй чип. В нем под каждыми двумя соседними блоками пикселей располагается блок с управляющей электроникой: 16 аналогово-цифровыми преобразователями и блоками управления пикселями. Они получают от пикселей верхнего слоя сигналы, преобразуют в цифровую форму, и на основании этого подбирают экспозицию для блока 16 на 16 пикселей с учетом глобальной запрошенной экспозиции снимка.

Разработчики утверждают, что при съемке с частотой 60 кадров в секунду динамический диапазон получаемых кадров составляет 134 децибела или более 22 «стопов». Также матрица поддерживает съемку с частотой до 1000 кадров в секунду, но в таком режиме динамический диапазон снижается до 110 децибел.

Матрица имеет квадратную форму и диагональ в один дюйм. Пиксели в ней имеют размер 2,7 микрометра, а элементы выполнены по 65-нанометровому техпроцессу. Стоимость и дата начала производства новой матрицы пока неизвестны.

Помимо классических фотоматриц существуют также событийные. В них нет как таковой съемки кадра, при котором камера одновременно опрашивает пиксели: вместо этого пиксели работают асинхронно и срабатывают лишь тогда, когда яркость изменилась на пороговое значение. Одно из преимуществ таких камер заключается как раз в большом динамическом диапазоне. А недавние успехи в алгоритмах обработки данных с таких камер позволили реализовать в них высокоскоростную и цветную съемку.

Григорий Копиев