Беззеркальная революция

:

В понедельник 23 июля Canon последним из крупных фотопроизводителей анонсировала свою первую беззеркальную камеру EOS-M. На бумаге новая камера имеет неплохие характеристики, но речь пойдет не о ней, а беззеркалках вообще и о позволивших их создать технологиях в частности.

Мы наблюдаем очередную революцию в фотоделе. Первые беззеркалки появились меньше пяти лет назад, но уже успели существенно подвинуть традиционные зеркалки (в Азии так и вовсе их продажи сравнялись с продажами зеркалок), а заодно помогли камерафонам уничтожить рынок мыльниц (спад продаж только в прошлом году под 40%).

При этом крупицы адекватной технической информации в интернете погребены под толстым слоем маркетинговых манипуляций и дилетантских измышлений фотолюбителей. Так что желающих просветиться прошу

Конструкции камер


Камера должна помогать фотографу определять параметры съемки. Обычно под этим понимают в первую очередь экспотройку (выдержка, диафрагма, чувствительность ISO), но здесь пойдет речь о геометрии кадра.

Фотограф должен видеть, что именно попадает в кадр при том или ином угле зрения объектива и положении камеры. Для решения этой задачи до сих пор используются разные конструкции камер, в том числе камеры со вторым объективом или с отдельным оптическим видоискателем ( иногда сменным), угол зрения которого совпадает с углом зрения основного объектива.

Но наибольшую популярность в ХХ веке приобрела SLR-конструкция с подвижным или полупрозрачным зеркалом и пентапризмой, позволявшая фотографу наблюдать в видоискателе картинку, которая прошла через объектив камеры. Перед съемкой зеркало поднимается, и изображение попадает непосредственно на пленку или матрицу.

С переходом фотографии на цифру появилась возможность считывать изображение с матрицы постоянно и транслировать его на экран или электронный видоискатель (тот же видоискатель, внутри которого стоит маленький экранчик). Необходимость в зеркале отпала, и так как оно усложняет конструкцию, стоит денег и занимает место — его участь была предрешена. Конструкцию сначала довели до ума на «мыльницах», а затем перенесли и в более серьезные камеры с большими матрицами и сменной оптикой, которые и назвали беззеркалками.
Любому инженеру известно, что лучшая деталь в любой машине — та, которой нет: её не нужно разрабатывать, она ничего не стоит и, главное, не ломается. Вопрос лишь в том, насколько созрела «бездетальная» технология для решения той или иной задачи. На этом месте пост на хабре можно было бы и заканчивать, но большинство фотографов и маркетологов инженерами не являются, и интернет переполнен мифами и страшилками о беззеркалках. О них и поговорим.

Фокусировка


В компьютерной 3D графике по умолчанию все объекты отображаются на экране одинаково резко вне зависимости от их удаленности от наблюдателя по оси z («глубины»). В реальных камерах резко отображаются только точки, z-координата которых находится в некотором интервале глубин (R 1,R 2), который так и называется — " глубина резкости". Чем дальше находится точка от этого интервала, тем более размытой она будет на снимке. Это востребованно в художественной фотографии, где нужно сфокусировать внимание зрителя на объекте съемки, показав его максимально детально, и размыть передний и задний план. Фотограф может изменять R 1 и R 2, перемещая линзы объектива кольцом фокусировки и варьируя диафрагму.

Раньше на объективы наносилась шкала расстояний (на рисунке — вторая снизу), а на кольцо фокусировки — метки расстояния до объекта (центральная метка на нижней шкале) и границ глубины резко изображаемого пространства в зависимости от диафрагмы (парные метки по бокам от центральной):

Использующий зеркалку фотограф может просто смотреть в видоискатель, вращать кольцо и сфокусироваться в прямом смысле «на глаз», не зная расстояние до объекта заранее.

В беззеркалках такой способ ручной фокусировки значительно улучшен возможностью увеличить произвольную область изображения, режимом focus peaking и стабилизацией изображения в процессе фокусировки.

Для реализации автофокуса на зеркале SLR-камер размещают электронные датчики. Эти датчики измеряют фазы лучей, исходящих из одной точки, но прошедших разными путями внутри объектива. Если фазы совпадают, точка находится в фокусе; если нет, то по разности фаз можно оценить расстояние до объекта и перефокусировать объектив на это расстояние. За несколько последовательных приближений можно более-менее точно сфокусировать объектив.

Фазовый автофокус быстр и позволяет следить за объектами, находящимися не в фокусе. Но количество возможных точек фокусировки ограничено количеством фазовых датчиков (максимум несколько десятков), он не очень точен вообще и подвержен систематическим ошибкам в частности. Так как датчики находятся на зеркале, а не на матрице, фазовый автофокус может систематически ошибаться «вперед» (фронт-фокус") или назад («бэк-фокус»). Это исправляется либо тонкой юстировкой конкретного объектива на конкретной камере, либо (частично) введением программной коррекции, параметры которой задаются вручную.

В беззеркалках традиционно используется другой принцип: программно выделяются края объектов и ищется положение фокусного линзоблока, при котором эти края наиболее контрастны. Контрастный автофокус очень точен и позволяет фокусироваться в любой точке кадра. Например, фотограф может указать точку пальцем на сенсорном экране, или же её может выбрать алгоритм распознавания, выделяющий глаза и лица, а из группы лиц — родственников фотографа. При хороших условиях съемки контрастный автофокус быстр, но в худшем случае камере приходится полностью сканировать весь диапазон расстояний, что достаточно долго. Кроме того, контрастный автофокус систематически ошибается при слежении за движущимися объектами.

На практике эти два принципа удачно дополняют друг друга.

В большинстве современных зеркалок используется фазовый автофокус при опущенном зеркале и контрастный — при поднятом.

Во многих беззеркалках, как например в упомянутой в начале статьи Canon EOS-M, контрастному автофокусу помогают фазовые датчики, расположенные прямо на матрице и лишенные таким образом проблем с фронт- и бэк-фокусом.

Автофокус первых беззеркалок действительно был медленным, но это были проблемы роста.

Объективы и байонеты


У серьезных фотографов суммарная стоимость объективов в разы больше стоимости камеры. При этом байонет (разъем крепления объектива к камере) у каждого производителя или альянса производителей свой — сугубо из маркетинговых соображений. Из-за технологических революций байонеты приходится периодически менять, что, конечно, в штыки воспринимается людьми, вложившимися в оптику предыдущего стандарта. Разумеется, производители выпускают переходники, с помощью которых старые объективы можно поставить на новые камеры, но сохранение полной работоспособности возможно не всегда.

В случае с переходом на беззеркалки очередная смена байонета действительно необходима.

Во-первых, за счет выбрасывания зеркала уменьшается рабочий отрезок (расстояние внутри камеры между краем байонета и матрицей). Уменьшение рабочего отрезка не влияет на теле- и портретные объективы, но очень упрощает конструкцию нормальных и особенно широкоугольных объективов.
Например, объектив Leica D Summilux 25mm 1:1.4 для байонета FT (рабочий отрезок 40 мм) весит 510 грамм при цене $1100. Его брат-близнец Leica DG Summilux 25mm 1:1.4 для байонета MFT (рабочий отрезок 20 мм) весит всего 200 грамм и стоит $550.

Во-вторых, есть непреодолимые различия в работе автофокуса. Старый фазовый автофокус рассчитан на несколько больших перемещений линз. Контрастный АФ предполагает мелкие шаги с возможностью быстро прокатиться по всему диапазону расстояний. Дело не только в устройстве двигателя автофокуса; объектив должен быть рассчитан таким образом, чтобы минимизировать вес подвижного линзоблока и диапазон его перемещений. Из-за этого старые зеркальные стёкла, установленные на беззеркалки через переходник, работают, но работают медленно.

В-третьих, производители воспользовались моментом и перенесли задачу по исправлению некоторых искажений, таких как хроматические аберрации и дисторсия (бочка/подушка), с объектива, где эти исправления достигаются сложно и дорого, на процессор камеры, где это производится программно. Это позволяет либо снизить стоимость объектива, либо, при заданной стоимости, уменьшить другие искажения из группы аберраций Зайдля и повысить качество картинки.

Другое дело, что производители пока просто не успели полностью пересчитать линейки своих объективов под беззеркалки. Так что на данный момент да, проблемы с беззеркальной оптикой имеют место быть.

Размер кадра


На заре фотографии каждый производитель изобретал не только своё крепление, но и свой формат плёнки, которую он сам и планировал выпускать. Безобразие прекратила фирма Leica (в девичестве Leitz), которая взяла стандартную киношную 35-мм плёнку, уже тогда выпускавшуюся километрами, и развернула на ней кадр из поперечного положения в продольный. Фотографы дружно «проголосовали маркой и долларом» и заставили всех остальных производителей принять этот стандарт.

Сейчас размер 36х24 мм называется «полным кадром», «full frame» или просто ФФ.

При переходе на цифру оказалось, что изготовить ФФ-матрицу площадью почти 1000 мм 2 очень сложно и дорого. Поэтому сначала были выпущены камеры с матрицами меньшего размера (в 1.5 — 2 раза). Коэффициент уменьшения диагонали матрицы назвали кроп-фактором, а сами камеры в обиходе прозвали «кропами». При установке полнокадровых объективов на кропнутую камеру матрица воспринимает только центральную часть формируемого изображения. Постепенно производители обновили линейки объективов так, чтобы они формировали изображение только в рамках кропнутой матрицы и не могли покрыть полный кадр — за счет этого объективы стали резче, компактней и дешевле (выберите любые два).

Позднее Leica, Canon, Nikon и Sony всё-таки освоили производство ФФ-матриц для установки их в самые дорогие модели своих профессиональных камер. Только такие матрицы могли полностью раскрыть потенциал уже выпущенных профессиональных объективов с шестизначными ценниками. Именно эти ФФ камеры сподвигли топ-профессионалов перейти на цифру.

Вообще, профессиональная камера отличается от любительской не только и не столько матрицей, сколько танковой надежностью, большим количеством органов управления и кучей специальных режимов и возможностей. Но в сознании масс твердо утвердился тезис о том, что имеет значение только размер кадра, поэтому ФФ по умолчанию «круто», а кроп — «для нищебродов». Это позволяло компаниям продавать ФФ-объективы любителям с кропнутыми камерами, которые не очень разбирались в фототехнике, но надеялись на появление бюджетных ФФ-камер в будущем.

Все выпущенные на сегодня беззеркалки обладают кропнутыми матрицами, и, судя по техническим параметрам беззеркальных байонетов, ни один производитель кроме Pentax не сможет выпустить ФФ беззеркалку, не меняя байонет ещё раз. Почему?

Теоретически, если сравнивать две камеры с матрицами на одной технологии, но разных размеров, то у большей можно ожидать более низкие шумы, увеличенное реально получаемое разрешение и уменьшенную минимально-достижимую глубину резкости. Но это всё очень далеко от практики.

Теоретически, снижение шумов достигается за счет того, что пиксели ФФ-матриц больше и на каждый отдельный пиксель падает больше фотонов. На практике линейные размеры пикселей в ФФ-матрицах всего на 15%-25% больше, чем в кропнутых, что при одинаковой технологии изготовления сенсоров дает практически несущественный рост ISO (на 1/3 — 1/2 стопа).

Теоретически, при заданном размере пикселя на ФФ матрице будет больше пикселей, за счет чего её разрешение будет выше. На практике реальное разрешение уже давно ограничено объективом, а не матрицей, до дифракционного предела еще далеко, поэтому реальное разрешение камер, которые создавались без оглядки на маркетинговые соображения, не зависит от размеров их матриц (в разумных пределах).

Это очень сильное утверждение, но тесты независимых лабораторий его подтверждают. Так, по результатам DPReview, беззеркалка Olympus E-M5 (16 мегапикселей, кроп 2) показывает разрешение 2800 LW/PH (строк); ФФ-зеркалка Canon 5D Mark III (21 Мп, кроп-фактор 1) — те же 2800 LW/PH; беззеркалка Sony NEX-7 (кроп 1.5, 24 Мп) — 3400 LW/PH; ФФ зеркалка Nikon D800 (кроп 1, 36 Мп) — 3200 LW/PH. К похожим выводам приходят и другие лаборатории. В фотографии, где всё, включая разрешение, измеряется логарифмическими стопами (1 стоп = в 2 раза), такие небольшие отличия в результатах тестов на практике несущественны. Самое главное, что такое огромное разрешение не снилось пленочным камерам, а для того, чтобы рассмотреть фотографию во всех деталях, необходим или огромный профессиональный монитор, или печать на А2 и выше.

Что же до глубины резкости, то она зависит от многих факторов, в том числе от размера матрицы и диафрагменного числа. При заданной диафрагме глубина резкости на ФФ камере действительно будет меньше, что позволяет сильнее размыть задний план даже тёмными бюджетными объективами и снимать «шыдевры» на фоне любой помойки. Но верно и обратное: при заданной глубине резкоcти на кропах диафрагма будет открыта шире, за счет чего выдержка будет меньше, а дифракционный предел — дальше.

Заключение


Беззеркальная конструкция позволяет делать камеры несколько меньше и несколько дешевле при таком же качестве снимков, либо существенно меньше и дешевле при некотором снижении качества. На заре своего появления беззеркалки шли именно по второму пути, вклинившись между топовыми мыльницами и зеркалками начального уровня, в итоге вытеснив и тех, и других. Их покупали для постоянного ношения: чем меньше камера, тем больше у неё шансов оказаться под рукой фотографа в нужный момент. Со временем появились более продвинутые модели, начавшие конкурировать с зеркалками среднего любительского диапазона.

На сегодня выпущена всего одна камера класса «полупро» — Olympus E-M5. Она имеет встроенный видоискатель, погодозащиту, опциональную батарейную ручку и главное — (пока еще не до конца полный) набор объективов соответствующего уровня. В сентябре 2012 ожидается выход второй такой камеры — Panasonic GH3, которая использует тот же байонет, что и Olympus. Собственно, именно эти две фирмы создали первую беззеркальную систему — микро4/3, закрыли ради неё производство своих зеркалок, а также создали полную линейку объективов «любительского» уровня и, не без помощи Leica, Carl Zeiss и Voightlander, заканчивают формирование «про»-линейки.

Очень интересная, хотя и дорогая система получилась у Fujifilm, но в ней пока всего три объектива, среди которых нет ни одного зума. Прикрыл производство зеркалок ради беззеркалок и Samsung, но, несмотря на хорошие ТТХ, их беззеркалки пока не пользуются большим спросом.

Другие производители не столь радикальны и всё ещё пытаются усидеть на двух стульях — и застолбить место на бурно растущем рынке беззеркалок, и не убить раньше времени собственные линейки любительских зеркалок. Canon откровенно проспал. Nikon выпустил беззеркалку с рядом интересных решений, но кроп-фактором 2.7 вместо нормальных 1.5. Sony нахимичила со вспышками, а Pentax по традиции сохранил старый добрый байонет К, получив на выходе беззеркалку неадекватной толщины.

Так или иначе, все существующие на сегодня беззеркалки ориентированы на любителей с разной толщины кошельком, либо же на профи, которым нужна камера для постоянного ношения в кармане.

В профессиональном сегменте перспективы беззеркалок туманны. Уменьшение размеров камеры интересует профи ровно до той степени, пока это не приводит к уменьшению многочисленных органов управления, а для студийных фотографов вообще не имеет никакого значения. Цена их интересует только в разрезе совместимости с уже приобретенными объективами. Да что там говорить, многие профи до сих пор используют дальномерки без зеркала и автофокуса. Вполне возможно, что сегодняшние ФФ зеркалки со временем займут такую же нишу «для ценителей».

В мейнстриме же зеркало, представляющее собой аналоговый орган управления цифровой камерой, просто обречено уйти на покой. Его место займут беззеркалки с GPS, ютубом, фейсбуком и неизбежным андроидом.