Nikon розробила двошарову фотоматрицю з вбудованим HDR

Компанія Nikon розробила фотоматрицю, здатну контролювати рівень експозиції для різних областей кадру під час знімка. Вона складається з двох шарів: зверху розташовані пікселі, умовно розбиті на невеликі групи, а під цим групами розташовані керуючі схеми, що підбирають для кожної групи потрібну експозицію. Така конструкція дозволила домогтися динамічного діапазону в 134 децибели. Опис нової матриці опубліковано на японському сайті Nikon.

Динамічний діапазон матриці показує, наскільки сильно можуть відрізнятися за освітленістю пікселі на одному знімку, не втрачаючи при цьому деталей, тобто не стаючи абсолютно білими або чорними (вірніше, освітленими на рівні шуму матриці). Високий динамічний діапазон важливий у сценах з сильними тінями і світлими ділянками, причому в звичайній фотографії низький діапазон можна використовувати як художній прийом, але в інших застосуваннях він може сильно заважати. Наприклад, камери безпілотного автомобіля на виїзді з тунелю можуть зіткнутися з вкрай великим перепадом яскравості, і алгоритми управління машини можуть не помітити перешкоду перед нею.

У проблеми низького динамічного діапазону є два основних рішення: програмне та апаратне. Програмне полягає в тому, що камера знімає два або більше знімка з різною експозицією, а потім створює на їх основі один, в якому світлі і темні області взяті з різних кадрів. Апаратні рішення менш поширені і розрізняються по реалізації. Наприклад, Fujifilm до початку 2010-х років виробляла камери з матрицями, в яких було два типи пікселів різного розміру, призначених для світлих і темних ділянок.

Nikon представила нову конструкцію фотоматриці з розширеним динамічним діапазоном, реалізованому на апаратному рівні. Блок матриці складається з двох чіпів, розташованих один над іншим. Зверху розташовується фотоматриця, що відповідає за отримання зображення. Її дозвіл становить 4224 на 4224 пікселі, які об'єднані в блоки розміром 16 на 16 пікселів. Головна особливість нової матриці полягає в тому, що під час зйомки експозицію можна контролювати не тільки для всього масиву пікселів в цілому, але і для кожного окремого блоку.

На нижньому рівні розташований другий чіп. У ньому під кожними двома сусідніми блоками пікселів розташовується блок з керуючою електронікою: 16 аналогово-цифровими перетворювачами та блоками керування пікселями. Вони отримують від пікселів верхнього шару сигнали, перетворюють на цифрову форму, і на підставі цього підбирають експозицію для блоку 16 на 16 пікселів з урахуванням глобальної запитаної експозиції знімка.

Розробники стверджують, що при зйомці з частотою 60 кадрів в секунду динамічний діапазон одержуваних кадрів становить 134 децибела або більше 22 «стопів». Також матриця підтримує зйомку з частотою до 1000 кадрів на секунду, але в такому режимі динамічний діапазон знижується до 110 децибел.

Матриця має квадратну форму і діагональ в один дюйм. Пікселі в ній мають розмір 2,7 мікрометра, а елементи виконані по 65-нанометровому техпроцесу. Вартість і дата початку виробництва нової матриці поки невідомі.

Крім класичних фотоматриць існують також подієві. У них немає як такої зйомки кадру, при якому камера одночасно опитує пікселі: замість цього пікселі працюють асинхронно і спрацьовують лише тоді, коли яскравість змінилася на порогове значення. Одна з переваг таких камер полягає якраз у великому динамічному діапазоні. А недавні успіхи в алгоритмах обробки даних з таких камер дозволили реалізувати в них високошвидкісну і кольорову зйомку.