Мир запечатленный

Фотокамера и цифровые изображения существовали параллельно на протяжении не менее ста лет. Но только с развитием электроники и информатики эти процессы удалось слить в единый способ фиксации того, что мы видим вокруг себя
Мир запечатленный
В храме шумерского Урука сохранилась выполненная около 3400 года до н. э. отделка колонн узорами из подобранных по гамме керамических шестигранников
Crystalinks

То, что изображение можно создавать однородными цветными элементами, стало известно в незапамятные времена. Первая такая техника — мозаика. В храме шумерского Урука сохранилась выполненная около 3400 года до н. э. отделка колонн узорами из подобранных по гамме керамических шестигранников. В эпоху античности и эллинизма (V–I века до н. э.) техника мозаики достигла совершенства. Начиная с 200 до н. э. тессеры (четырехугольные элементы) изготовлялись не только из керамики и камня, но и из разноцветного стекла. В церковных мозаиках Византии тессеры для изображений святых и императора делали трехслойными, прокладывая между двумя слоями стекла фольгу из золота, — такие мозаики сияли ярче, чем сусальное золото. В будущем стеклянные мозаики Равенны и тессеры, из которых они изготавливались, станут идейным прототипом квадратных «пикселей» первого цифрового изображения в истории.

В античности появилась и первая известная нам развертка изображения — это ранняя криптографическая техника «скитала». По описанию Плутарха, спартанские цари якобы кодировали переписку, оборачивая специальный граненый жезл (греч. Σκυτάλη — «скитала») лентой пергамена и делая на нем запись. Гонец вез распущенный пергамен, буквы на котором шли без видимого порядка, а получатель расшифровывал сообщение, используя точно такую же «скиталу». Стойкость такой криптографии была низкой — она ломалась простым перебором, — но сам метод предвосхищает много иных техник вплоть до телевизионной развертки и, как ни удивительно, сенсоров цифровых камер.

Оцифровка изображений была, вероятно, первым решением для программируемых устройств. В 1725 году лионский ткач Базиль Бушон впервые использовал перфоленту, для того чтобы задавать ткацкому станку определенный узор. Через несколько десятилетий на основе механизма Бушона Жозеф Мари Жаккард создал первый промышленный программируемый механизм — ткацкий станок Жаккарда. Станком Жаккарда управляли более стойкие к износу элементы — перфокарты.

ЦИФР СКИТАЛА.png
По описанию Плутарха, спартанские цари якобы кодировали переписку, оборачивая специальный граненый жезл (греч. Σκυτάλη — «скитала») лентой пергамена и делая на нем запись
Wikipedia


Как фотографии попасть в газету

Возникшая в середине XIX века фотография, в свою очередь, влияла на развитие техник дигитализации изображений — в немалой степени благодаря тому, что этого требовала индустрия новостей. Первой войной, получившей свою фотолетопись, стала Крымская война. Фотографии Роджера Фентона, снятые в новейшей технике «коллоидных пластин» в 1855 году под Балаклавой и Севастополем, впервые показали невоюющей публике войну не в виде парадных картин и диспозиций, а с фронтовой стороны, глазами простых солдат. Фотографии Фентона шли почтой по нескольку недель. На Гражданской войне в США уже работали десятки фотографов, поднявших искусство репортажного снимка и военной фотографии на новый уровень. Публика требовала новых снимков как можно скорее.

ЦИФР ФЕНТОН.png
Роджер Фентон. Балаклавская бухта. Крым, 1856 год
Wikipedia

В 1856 году профессор физики из Флорентийского университета Джованни Казелли создал прототип телеграфа, способного передавать фотографии. При энергичной поддержке герцога Тосканы Леопольда II и французского императора Наполеона III Казелли переехал в Париж, где доработал изобретение под названием «Пантелеграф» (в чем ему наперебой помогали почти все французские академики). В 1860-е годы Наполеон III провел три фототелеграфные линии во Франции. Второй страной, ставшей пионером использования фототелеграфа, стала Российская империя, где по решению Александра II линию провели между Петербургом и Москвой. Фототелеграф Канелли мог передавать фотографии — сохранился портрет Канелли, переданный по пантелеграфу, — но для этого их нужно было вручную перерисовать специальным составом. В результате пантелеграф использовали в основном для факсимильной передачи подписей на документах.

magnifier.png При энергичной поддержке герцога Тосканы Леопольда II и французского императора Наполеона III Казелли переехал в Париж, где доработал изобретение под названием «Пантелеграф»

Пока фототелеграф делал первые шаги, между 1870 и 1895 годами печать в результате ряда последовательных инноваций освоила технику «полутонов», которая позволила тиражировать фотографии в газетах. В этой технике фотографии переводилась в металлическое клише с помощью процесса, который транслировал оттенки серого на фотоотпечатке в точечный растр. Точки были тем крупнее и чаще, чем темнее был в этом месте оригинал. Аналогичный процесс был разработан и для книжной печати, тогда по большей части основанной на литографии. Фотографии стали тиражироваться, а к дигитализации изображений был сделан следующий шаг.


Картинка становится электронной

С 1873 по 1890 год усилиями Уиллоби Смита, Генриха Герца и Александра Столетова была решена задача создания селенового фотоэлемента (фотоэффект и первые фотоэлементы иного типа были известны с 1830-х годов). На основе селенового фотоэлемента немецкий физик Артур Корн (1870–1945) создал первый сканирующий фототелеграф, который преобразовывал фотографию в последовательность электрических импульсов. «Бильдтелеграф» Корна массово распространился в Европе и стал основой для ряда других моделей фототелеграфов, созданных в Европе и США. Все эти фототелеграфы имели невысокую скорость из-за латентности селеновых элементов — примерно семь минут на страницу формата А4.

Скорость сканирования была качественно увеличена открытием Владимира Зворыкина, который при участии Эрла Девитта Уилсона разработал к 1928 году фотоэлемент на основе магния и цезия. Фотоэлемент Зворыкина ускорил сканирование до одной страницы в минуту. После этого улучшения фототелеграфы стали повседневным устройством во всех новостных агентствах, издательствах, крупных корпорациях и правительствах. Через несколько лет Зворыкин разработал знаменитый «Иконоскоп» — первый в ряду многих электронных сенсоров для телекамер, сделавших возможным телевещание.

ЦИФР ЗВОР.png
Владимир Зворыкин у приемного блока факсимильного передатчика Westinghouse
Gettyimages


Фотография: царство химии

Фотография все это время оставалась химическим процессом. К фотопластинам в 1888 году добавилась целлулоидная фотопленка Джорджа Истмена. Истмен создал и первую пленочную камеру «Кодак». Джеймс Клерк Максвелл разработал практичный процесс цветной фотографии с использованием трех светофильтров (процесс Максвелла знаком нам по фотографиям Прокудина-Горского). Габриэль Липпман получил в 1908 году Нобелевскую премию по физике за процесс цветной фотографии в одно экспонирование, через несколько лет его способ вытеснили братья Луи и Огюст Люмьер, чьи фотопластинки «Автохром», покрытые эмульсией из аморфного углерода с мельчайшими шариками пигментов желтого, голубого и фиолетового цветов (модель CMYK) доминировали с 1910 по 1935 год. Затем появилась цветные фото- и кинопленки с диффундирующими цветообразующими компонентами (Kodachrome в США и Agfacolor в Германии). Но все решения, позволяющие получить изображение высокого качества и разрешения, оставались строго в области химии.

old.pikabu.ru // Сергей Михайлович Прокудин-Горский. Торжок, 1910 год. Вид на Спасо-Преображенский собор и Входоиерусалимскую церковь
Сергей Михайлович Прокудин-Горский. Торжок, 1910 год. Вид на Спасо-Преображенский собор и Входоиерусалимскую церковь
old.pikabu.ru


Фотография в цифровом виде

С появлением компьютеров первого поколения возникла возможность сканирования фотографий не в аналоговый сигнал, а непосредственно в цифровой вид. Можно было бы даже сказать, что в 1957 году был создан первый «графический файл» если бы возникшее в 1950 году понятие «файл» в это время означало еще не «именованный блок информации в электронной памяти», а «блок перфокарт».

Первую цифровую фотографию изготовил Рассел Кирш, сотрудник Национального бюро стандартов США и программист компьютера SEAC, использовав для эксперимента фотографию своего новорожденного сына Уолдена. SEAC имел частоту около 1 МГц и память в 1024 45-битных слов. К SEAC был подключен барабанный сканер, способный распознавать только черный и белый цвета с разрешением 176 × 176 пикселей (термин pixel возник, вероятно, на несколько лет позже как адаптация немецкого термина Bildpunkt, бывшего в ходу с конца XIX века). Получившаяся картинка имела размер 30976 бит и была записана просто как bitmap (матрица нулей и единиц) без обработки и сжатия. Как писал Кирш, постоянная память была настолько дефицитной, что никто не думал о том, что цифровые изображения нужно будет хранить.

magnifier.png Первую цифровую фотографию изготовил Рассел Кирш, сотрудник Национального бюро стандартов США и программист компьютера SEAC, использовав для эксперимента фотографию своего новорожденного сына Уолдена

Но так как скан, в отличие от оригинала, не передавал оттенки серого, Кирш и его коллеги сделали второй прогон на другом пороге чувствительности сканера, получив другое соотношение черного и белого, а затем программно совместили оба изображения и получили синтетический образ, в котором уже можно было узнать Кирша-младшего. С этой программной операцией родилась дисциплина компьютерной графики и обработки изображений.

После этих первых шагов компьютерная графика стала развиваться очень быстро. Появление компьютеров следующего поколения, оснащенных видеомониторами, особенно линейки DEC PDP, еще более ускорило процесс. В 1960-х годах шла интенсивная фундаментальная работа по созданию математических методов и алгоритмов обработки изображений и распознавания образов. Практически весь арсенал, в настоящее время доступный «Фотошопу», библиотекам машинного зрения, спецэффектам для видео и множеству других приложений, был принципиально разработан уже в это время.

ЦИФР ПИН АП.png
В 1959 году специалисты IBM использовали прорись «пинап-девушки» для обучения работе со световым пером военных авиадиспетчеров центра SAGE
theatlantic.com

Одним из главных двигателей прогресса в области компьютерных изображений была оборона. В 1959 году специалисты IBM использовали прорись «пинап-девушки» для обучения работе со световым пером военных авиадиспетчеров центра SAGE, а стилизованное изображение полуобнаженной гавайской танцовщицы — как тестовое изображение при загрузке. Картинки записывались на перфокарты, которых требовалось около 100 на изображение. Эротические изображения должны были стимулировать интерес молодых солдат к освоению новой техники. Но и самые фундаментальными исследования в области математики цифровых образов тоже шли в оборонных центрах — одним из главных бенефициаров анализа изображений была спутниковая разведка.


Космос, пленка и видео

Видеоаппаратура 1950-х годов не могла конкурировать по качеству с фотографией 1950-х годов. Пока фотографии изготовлялись в земных условиях, эта проблема была не особенно критичной. Но вот в ходе холодной войны сверхдержавы перешли к спутниковой разведке, и в космос стали взлетать спутники-фотоаппараты. И ограничения фотопленки сразу стали серьезной проблемой. Спутниковой разведке на пленочных носителях не хватало оперативности, а космические лучи портили фотопленку. Да и размер зерна фотоэмульсии нельзя было уменьшать до бесконечности, а значит, страдала детализация.

ЦИФР ЛУНА.png
Фотографии Луны в большом приближении (Ranger-7, США), 1964 год
nasa.gov

Патрик Норрис, много лет бывший ведущим конструктором программного обеспечения спутников наблюдения, отмечал, что спутники были способны фотографировать и передавать изображения по радиоканалу уже в момент первых запусков — так были сделаны фотографии обратной стороны Луны в 1959 году («Луна-2», СССР) и Луны в большом приближении в 1964 году (Ranger-7, США). Но качество этих изображений было непригодно для разведывательных целей — и разрешающая способность телекамеры на электронно-лучевых трубках, и пропускная способность радиопередачи были слишком низкими.

Низкое качество снимков, искаженное передачей, вполне отчетливо видно при просмотре этих необработанных снимков. Разрешение снимков американского зонда Ranger-7, запущенного в июле 1964 года, составляло 300 × 300 пикселей. Для сравнения: принятый в 1963 году стандарт PAL имел 576 линий по вертикали, а более ранний стандарт NTSC 1953 года — 480 линий.

Ограничение на пропускную способность было преодолимо путем увеличения времени трансляции и улучшения алгоритмов сжатия. Но сенсор камеры был нерешаемой проблемой, пока решение не нашлось совсем в другой области науки — физике твердого тела.


Белл и Смит: CCD и Нобель за полчаса

В 1968 году научные сотрудники Bell Labs Уиллард Бойл и Джордж Смит, работавшие на проекте создания магнитоэлектронных устройств, разработали за полчаса «мозгового штурма» у грифельной доски (так впоследствии рассказывал Бойл) принципиальную схему CCD (couple charged device). В русской технической терминологии часто применяется сокращение ПЗС — «прибор с зарядовой связью». Если эта история верна, то, возможно, это было самое быстрое нобелевское открытие.

C инженерно-физической точки зрения CCD представляет собой каскад триггеров, работающий по принципу перемещения заряда по полупроводнику. Его самый простой аналог — «бегущая строка», создающая визуальную иллюзию перемещения изображения по горизонтали. В CCD сходным образом перемещается заряд или «дыра» от одной потенциальной ямы к другой. Первый теоретический CCD Бойла—Смита был основан на дырочной p-проводимости, современные CCD в основном n-электронные. Это был «сэндвич» из поликремния, кремния и проводника. Впервые CCD-матрица была представлена публично в марте 1970 года на конференции в Сиэтле — выступление Смита продолжалось пять минут. На нобелевскую лекцию об истории открытия 8 декабря 2009 года Бойлу отвели уже целых 19 минут, а Смиту о принципе работы CCD — 28 минут.

magnifier.png В 1968 году научные сотрудники Bell Labs Уиллард Бойл и Джордж Смит, работавшие на проекте создания магнитоэлектронных устройств, разработали за полчаса «мозгового штурма» у грифельной доски принципиальную схему CCD

Бойл и Смит изначально видели потенциал устройства и как модуля памяти, и как оптического сенсора — чтобы фиксировать световой поток, проводник должен быть фотоэлектриком. Такой фотосенсор очень скоро изготовили другие сотрудники Bell Labs — Майкл Томсетт и Джил Амелио; в нем было всего восемь монохромных ячеек, расположенных по одной линии. Свет, попадавший на фоточувствительные элементы, создавал потенциал тем больший, чем больше была интенсивность попадавшего на элемент светового потока. После экспозиции каждого кадра потенциал считывался попиксельно с одного конца сенсора и записывался в виде цифровой последовательности, по которой можно было бы восстановить изображение, а очищенная считыванием от заряда матрица была готова к записи нового «кадра». Этот метод очень напоминал древнегреческую «скиталу».

Первой цифровой фотографией (если можно так назвать последовательность импульсов) в истории, сделанной летом 1970 года Томсеттом, Амелио, Бойлом и Смитом, были три буквы — CCD.

ЦИФР СМИТ И БОЙЛ.png
Уиллард Бойл (слева) и Джордж Смит с видеокамерой телевизионного качества
BELL LABORATORIES

Хотя CCD-матрица разрабатывалась для возможного использования в раннем видеотелефоне Bell Labs на возможную замену светодиодного видеосенсора, антимонопольное регулирование запрещало AT&T самостоятельно продавать устройства связи и обязывало ее лицензировать всю продукцию Bell Labs на общих условиях всем желающим. Проект видеотелефона конвертировали в разработку прототипа видеокамеры, которую Bell Labs через некоторое время разработал и демонстрировал заказчикам. Датировка знаменитого фото Смита и Бойла с видеокамерой телевизионного качества неизвестна. Лекция самого Смита датирует ее 1970 годом, но такой сенсор в это время еще не существовал, и сами Смит и Бойл выглядят там старше — скорее всего, верна версия, что снимок постановочный и сделан около 1975 года.

Джил Амелио перешел на работу в Fairchild Semiconductors и уже в 1974–1975 годах предложил линейный сенсор на 500 пикселей и матрицу 100 × 100 пикселей. Такую же матрицу 100 × 100 пикселей разработала и Texas Instruments. В конце 1970-х уже шли работы над сенсором 800 × 800 пикселей.


Первая цифровая видеокамера Cyclops Cromemco

Новости о разработке CCD привлекали хоббистов-«хакеров». Летом 1974 года научный сотрудник Стэнфорда Роджер Мелен и студенты Стэнфорда Терри Уокер и Харри Гарланд начали работу над фотовидеокамерой Cyclops, где в качестве сенсора использовался не CCD, а модуль памяти MOS.

ЦИФР ЦИКЛОП КАМ.png
Первая цифровая видеокамера Cyclops Cromemco и модуль емкостью один килобит изготовленный в виде квадратного массива 32 × 32 ячейки
Wikipedia

Модуль емкостью один килобит был изготовлен в виде квадратного массива 32 × 32 ячейки. Разработчики сняли с него корпус и подложку, обнажив ячейки, и закрыли их прозрачным материалом. При освещении заряд ячеек менялся тем быстрее, чем ярче был свет. Исходное состояние разработчики приняли за 1, после экспонирования — за 0. Такой сенсор был легко доступен на рынке и стоил всего 55 долларов, в несколько раз меньше CCD. Схема Cyclops была опубликована в феврале 1975 года в журнале Popular Electronics. Cyclops работал только от сетевого подключения и мог отдавать изображение только на внешнее устройство.

В конце 1975 года разработчики Cyclops познакомились с компанией MITS, приступавшей к производству очень популярного у хоббистов США микрокомпьютера Altair. По итогам этого знакомства Мелен, Уокер и Гарланд разработали плату видеозахвата Dazzler для шины S-100 и стали продавать весь комплекс под названием Cromemco (аббревиатура общежития, где шла разработка). В последующем Cromemco перешла к выпуску своих компьютеров, которые были особенно популярны у телестудий как станции трансляции прогнозов погоды.


Первый CCD-фотоаппарат Сассона

Используя матрицу Fairchild CCD-201 (100 × 100), молодой инженер Стивен Сассон, работавший на Eastman Kodak, в 1975 году собрал первый в истории полноценный ручной цифровой фотоаппарат, который делал кадр за 50 миллисекунд и еще полминуты записывал его на обычную магнитофонную кассету. На кассету помещалось 30 кадров. Себестоимость этого проекта составила около 200 долларов США.

ЦИФР САССОН.png
Стивен Сассон c первым полноценным ручным цифровым фотоаппаратом, 1975 год
focusfoto.com.br

Как сообщал Сассон много лет спустя, руководство Kodak встретило прототип скептически: «Они были убеждены, что никто никогда не захочет рассматривать свои фотографии на телевизоре». Руководство попросило Сассона дать прогноз, когда цифровая камера сможет обеспечить качество, равноценное фотопленке с ISO 110: зернистость 35-миллиметровой пленки по размеру эквивалентна примерно двум мегапикселям. Сассон применил закон Мура и дал прогноз в 15–18 лет. Камеру запатентовали (US Patent 4131919 26/12/1978), а Сассон получил указание не обсуждать камеру публично.

Много лет спустя Kodak потерял рынок и закрылся именно из-за того, что не успел охватить рынок цифровых камер, держась за умирающие пленочные.


KH-11

После отказа Kodak производить цифровые камеры история первых CCD-камер начинает исчезать под завесой секретности. Некоторый свет на события 1974–1976 годов проливает некролог Джеймса Вестфала, профессора Калтеха, который сообщает о заслугах покойного по созданию «широкоугольной планетарной камеры» WFPS для телескопа Hubble. «Хаббл», как известно, был задуман в середине 1970-х, запущен в 1990 году с фотокамерой с матрицей из четырех сенсоров 800 × 800 пикселей, несколько раз чинился и апгрейдился на орбите (в том числе получал камеру с новыми сенсорами). Но из оговорок в раскрытых документах можно понять, что «Хаббл» был в значительной мере гражданским вариантом военного спутника из проекта Keyhole — KH-11 Kennan» 1976 года. В этот период участники проектов спутниковой разведки и разработки CCD (и так давно близкие) активно обсуждали возможности применения CCD в разведке и лоббировали финансирование спутника с CCD-камерой, особенно активен был Эдвин Ланд, глава Polaroid. Спутники с CCD-камерой могли бы передавать фотографии на Землю в режиме вплоть до реального времени.

ЦИФР КН-11.png
Телескоп «Хаббл» был в значительной мере гражданским вариантом военного спутника из проекта Keyhole — KH-11 Kennan
bangla.daily-sun.com

Интересно, что в 1984–1985 годах флотский аналитик Сэмюэл Моррисон был арестован и приговорен к двум годам лишения свободы за шпионаж — он опубликовал в редактируемом им военно-морском альманахе два снимка с KH-11. Это единственный случай, когда за утечку материалов наказали настолько сурово. Когда президент Клинтон в 1995 году подписывал указ о рассекречивании снимков по программам «Корона» и ее наследным программам, рассекречивание остановилось на KH-11. Это также говорит нам о том, что на борту KH-11 Kennan находилось что-то, что было и остается особо охраняемой государственной тайной США.

ЦИФР АДМ КУЗ.png
«Адмирал Кузнецов», на стапелях в 1984 году. Снимок из космоса
Wikipedia

Единственный известный документ, который мог бы сейчас пролить свет на то, была ли на борту KH-11 CCD-камера, находится в собственности Российской Федерации. В 1978 году младший аналитик Уильям Кампайлс, уволенный из ЦРУ «за пьянство и половой разврат», продал с целью наживы советскому дипломату в посольстве СССР в Греции за пять тысяч долларов США полный технический мануал KH-11 и был осужден к 40 годам лишения свободы (освобожден через 19 лет). Где сейчас этот мануал и был ли он — неизвестно; ни СССР, ни Россия никогда не комментировали этот инцидент публично.

Во всяком случае, есть серьезные основания полагать, что первая рабочая CCD-камера в мире взлетела в космос 19 декабря 1976 года на борту ракеты Titan-3D в составе KH-11 версии 1.1 и находилась там до 28 января 1979 года. С этого момента можно вести отчет практической цифровой фотографии.

В СССР спутники с цифровыми фотоаппаратами появились на несколько лет позже. Первым таким аппаратом был, вероятно, «Янтарь 4KC1» («Терилен») с фотокамерой «Жемчуг» производства ЦКБ «Красногорский завод», запущенный 28 декабря 1982 года.


Гражданские цифровые камеры

В гражданском обороте CCD-камеры появились намного позже, чем у разведки. На рубеже 1970–1980 годов президент Sony Кацуо Ивама, двоюродный брат основателя этой корпорации Акио Морита, пытался создать потребительскую CCD-видеокамеру, но его смерть от рака прервала эти работы. В 1990–1991 годах швейцарский стартап Logitech (сейчас всемирно известный производитель всевозможной компьютерной периферии) выпустил портативную фотокамеру Logitech PhotoMan с матрицей 320 × 240 пикселей и 256 оттенков серого, которую производила уже не существующая компания Dycam — это была первая коммерческая камера. В Японии примерно в то же время была создана камера Fuji DS-X, информация о которой противоречива (включая то, была ли она в продаже).

ЦИФР КВИК ТАКЙК.png
В 1994–1996 годах компания Apple Computers вывела на рынок последовательно три модели цветных фотокамер QuickTake 100, 150 и 200 с матрицей 640 × 480 и 24-битным цветом
Wikipedia

Наконец, в 1994–1996 годах компания Apple Computers (в то время ее возглавлял Майкл Спиндлер), уже в предбанкротном состоянии, вывела на рынок последовательно три модели цветных фотокамер QuickTake 100, 150 и 200 с матрицей 640 × 480 и 24-битным цветом. Первую модель 100 изготавливала Kodak, две последующих, 150 и 200, — Fuji. Камеры 150 и 200 записывали снимки на съемные карты флеш-памяти SmartMedia производства Toshiba. Apple QuickTake можно считать первой цифровой камерой современного типа. В 1996 году Apple Computers возглавил уже известный нам создатель CCD-матрицы Джил Амелио; его главным достижением на этой должности, скорее всего, было не расширение бизнеса на цифровых камерах, а возвращение в компанию ее основателя Стива Джобса перед лицом угрозы ее окончательной гибели. Джобс и снял Apple QuickTake с продажи.

magnifier.png В 2003 году объем продаж портативных камер с CCD и зеркальных со CMOS-сенсорами превзошел объем продаж пленочных камер, и всего за несколько последующих лет цифровые камеры вытеснили пленочные

Производство и разработка цифровых камер — и профессиональных, и потребительских — стагнировало до рубежа столетий, но затем оживилось. В 2003 году объем продаж портативных камер с CCD и зеркальных со CMOS-сенсорами превзошел объем продаж пленочных камер, и всего за несколько последующих лет цифровые камеры вытеснили пленочные. К концу первого десятилетия XXI века CMOS почти полностью вытеснили CCD и в потребительском сегменте, а портативные камеры, в свою очередь, были вытеснены смартфонами. Этому способствовало создание стандартного компонентного фотовидеосенсора в габаритном формате 8 × 8 мм, производство которых освоил тайваньский производитель Omnivision Technologies, до настоящего времени доминирующий в этом сегменте рынка.


CMOS

В начале 1990-х CCD-сенсор уступил позиции по качеству сенсорам на основе CMOS (англ. complementary metal-oxide-semiconductor — комплементарная структура металл-оксид-полупроводник). Главное преимущество CMOS-сенсора — это «активный» сенсор, в отличие от «пассивного» CCD. CMOS-сенсор сочетает в себе низкое энергопотребление, преобразование и усиление сигнала прямо в светочувствительной ячейке, и при этом имеет более низкую стоимость изготовления. Саму технологию CMOS создал в Fairchild Semiconductor в 1963 году Фрэнк Уонласс (US Patent 3,356,858). Но ключевое изобретение, которое позволило использовать CMOS для создания фотосенсоров, было сделано только в 1993 году в NASA Jet Propulsion Lab — его сделал Эрик Фоссум (на время написания — профессор инженерной школы Дартмурского университета).

ЦМФР СМОС.png
CMOS-сенсор на материнской плате фотоаппарата Nikon Coolpix L2 6 MP
Wikipedia

CMOS-сенсор был создан в известной мере при противоположных обстоятельствах: после окончания холодной войны финансирование NASA резко сократилось, и руководители NASA поставили перед учеными задачу «Быстрее, лучше, дешевле». Несмотря на это, NASA не спешило внедрять технологию, и Фоссум сам коммерциализировал ее, создав стартап Photobit (через несколько лет его купила Micron Technologies).

В 2000–2010 годах CMOS-сенсоры стали стандартными в профессиональных «зеркальных» камерах, а после 2010 года CMOS-сенсоры стали вытеснять CCD-сенсоры и в низшем сегменте — потребительских фотоаппаратов и смартфонов. Один из первых CMOS-смартфонов Nokia N8 в 2010–2011 годах рекламировалась как смартфон с профессиональным качеством снимков.


Камерафоны

Работа над совмещением телефонов и камер шла все 1990-е годы в фирмах-фотопроизводителях США и Японии. Один из ключевых патентов (US 5,666,159) получили сотрудники Kodak Кеннет Парулски и Джеймс Шуклер, описавшие принципиальные конфигурации интеграции камер в телефон. Первую цифровую фотографию в интернете расшарил предприниматель из Калифорнии Филипп Кан 11 июня 1997 года, используя самодельную цифровую камеру, — и это тоже была фотография его новорожденного ребенка (дочери Софи).

ЦИФР J phone.png
Первый японский камерафон J-SH04, Sharp/JPhone-Softbank
Wikipedia

Впервые на рынок камерафоны вышли в 2000 году в Корее (Samsung SGH-2000) и Японии (J-SH04, Sharp/JPhone-Softbank). В середине 2000-х крупнейшим мировым производителем телефонов с камерами стала Nokia. Наконец, в 2007 году устройства с камерами вновь появились в продуктовой линейке Apple — это был iPhone с камерой в два мегапиксела, то есть эквивалентный 35-миллиметровой пленке. На iPhone в целом завершился процесс формирования современного смартфона, цифровой фотоаппарат которого — неотъемлемая часть потребительского опыта и поведения.


Будущее цифровой фотографии

Возможно, в ближайшем будущем нас ждет очередной скачок в технологии фотоматриц. Эрик Фоссум, когда-то создавший CMOS-сенсор, с 2011 года работает со своими учениками над принципиально новым типом сенсора — квантовым (quantum image sensor, QIS). QIS, по замыслу Фоссума, должен был улавливать единичные фотоны (причем все без исключения) и позволять создание матриц в миллиарды пикселей. Вместо пикселей QIS оперирует «джотами» — фотоноулавливающими точками. В феврале 2018 года Фоссум опубликовал сообщение, что ему удалось реализовать прототип QIS-сенсора на 1 мегаджот. Если замысел QIS будет доведен до промышленных образцов, в распоряжении человечества впервые появятся устройства, превышающие по чувствительности человеческий глаз: QIS не только позволит создавать картинки запредельного разрешения и точности, но и видеть в практически полной темноте без подсветки и вспышки.

Еще по теме