Цифровой фотоаппарат — фотоаппарат, в котором для записи изображения используется фотоэлектрический принцип. При этом полупроводниковая фотоматрица преобразует свет в электрические сигналы, которые трансформируются в цифровые данные, сохраняемые энергонезависимым запоминающим устройством.
Изображения, полученные цифровым фотоаппаратом, могут быть загружены в компьютер, переданы по сетям, просмотрены на экране монитора или отпечатаны на бумажном носителе с помощью принтера.
В отличие от плёночных фотоаппаратов, цифровые не требуют лабораторной обработки фотоматериала, и при наличии встроенного жидкокристаллического дисплея позволяют немедленно оценить результат съёмки. Кроме того, неудачные снимки могут быть сразу же удалены с карты памяти, а в некоторых моделях — и отредактированы непосредственно в камере. Подавляющее большинство выпускающихся в настоящее время фотоаппаратов — цифровые. Уже в 2005 году японскими компаниями, лидирующими на мировом рынке фототехники, было продано 64 770 000 цифровых фотоаппаратов и только 5 380 000 — плёночных.
Развитие технологии привело к тому, что цифровые фотоаппараты пригодны для видеозаписи и могут использоваться в качестве видеокамеры и даже цифровой кинокамеры. Поэтому употребление в отношении конкретного устройства термина «видеокамера» или «фотоаппарат» часто лишь условность. Такие универсальные цифровые камеры штатно встраиваются в большинство современных смартфонов и мобильных компьютеров.
Историческая справка
Первый экспериментальный бесплёночный фотоаппарат, основанный на фотоэлектрическом преобразовании, создал в 1975 году инженер компании Eastman Kodak Стивен Сассон (). Применявшаяся в нём ПЗС-матрица имела разрешение 0,01 мегапикселя, а запись данных происходила на компакт-кассету. Появлению цифровых фотоаппаратов предшествовали видеофотоаппараты, представлявшие собой видеокамеру, приспособленную для аналоговой записи неподвижных изображений на видеокассету или видеодискету. Прототип первого видеофотоаппарата Sony Mavica был представлен в 1981 году. Качество изображения было ограничено использующимися телевизионными стандартами разложения, и кроме того аналоговый способ регистрации приводил к накоплению искажений в процессе обработки и передачи. Реальные перспективы электронная фотография получила лишь с распространением цифровых технологий. Первым цифровым фотоаппаратом потребительского уровня в 1988 году стал Fuji DS-1P, использующий для записи съёмную карту SRAM. В том же году Kodak создал первый цифровой зеркальный фотоаппарат Electro-Optic Camera на основе малоформатного фотоаппарата Canon New F-1.
Дальнейшее совершенствование технических характеристик и разрешающей способности цифровых фотоаппаратов, тем не менее, не привело к вытеснению аналоговой химической фотографии. Немногочисленные модели цифровой аппаратуры очень высокой стоимости (до 40 тысяч долларов) ограниченно использовались в прикладных сферах и фотожурналистике. Смена тенденции произошла с распространением персональных компьютеров и технологии цифровой фотопечати, позволяющей получать высококачественные цветные отпечатки с файлов. Совершенствование технологии производства фотоматриц также привело к снижению цен на камеры. После этого цифровые фотоаппараты очень быстро вытеснили с рынка плёночную фототехнику, поскольку делали доступным получение удовлетворительных снимков без какого-либо обучения и специфических навыков. Дополнительную роль в этом играет возможность немедленного контроля готового изображения на встроенном во всех цифровых фотоаппаратах жидкокристаллическом дисплее. Кроме того, файлы могут быть мгновенно переданы по сети интернет и опубликованы в сетевых изданиях и социальных сетях, не требуя лабораторной обработки и сканирования. К 2020 году цифровые фотоаппараты доминируют во всех сферах фотографии, но постепенно вытесняются камерафонами и смартфонами с встроенными миниатюрными камерами высокого разрешения.
Качество изображения Резкость изображения, даваемого цифровым фотоаппаратом, зависит от размеров и количества элементарных фотодиодов, содержащихся на поверхности фотоматрицы, и разбивающих непрерывное изображение на дискретные пиксели. Общее количество пикселей, участвующих в регистрации изображения, считается важнейшей характеристикой цифровых фотоаппаратов, и чаще всего округляется до миллионов, называемых «мегапикселями». Первые цифровые фотоаппараты значительно уступали аналоговым с точки зрения качества, поскольку технологии тех лет не позволяли создавать матрицы с большим количеством мелких элементов. В 1995 году разрешение в 6 мегапикселей, даваемое цифровым гибридом Canon EOS DCS 1, считалось рекордным. Информационная ёмкость фотоматериалов была недостижима для первых фотоматриц. Даже фотоаппараты миниатюрного формата превосходили цифровые по разрешающей способности и фотографической широте. Однако, уже с середины 2000-х годов наиболее продвинутые профессиональные цифровые фотоаппараты достигли уровня разрешения 15—20 мегапикселей, позволяя получать изображение, сопоставимое по качеству с малоформатным негативом, сосканированным хорошим фильм-сканером. Современная аппаратура, перешагнувшая рубеж в 100 мегапикселей, в некоторых случаях обеспечивает результат, превосходящий традиционные фотоматериалы.
Это объясняется многими факторами, в числе которых практическое отсутствие светорассеяния, неизбежного даже в самых тонких фотоэмульсиях и снижающего резкость. Кроме того, цветоделение в цифровой фотографии происходит только один раз в момент съёмки, и поэтому цифровой снимок по качеству цветопередачи сопоставим со слайдом, превосходя негативно-позитивный процесс с двукратным цветоделением при съёмке и фотопечати. Единственным параметром, недостижимым пока для цифровых фотоаппаратов на уровне фотоплёнки, является фотографическая широта. Если негативные фотоплёнки обеспечивают диапазон в 14—15 экспозиционных ступеней, то цифровая аппаратура редко преодолевает планку в 7 ступеней. По данным журнала Digital Photography Review, матрица профессиональной камеры Nikon D3 обладает широтой в 8,6 ступени при съёмке в стандарте JPEG и не более 12 - в формате RAW. Недостаток фотографической широты стандартной фотоматрицы преодолевается с помощью технологии HDRi, однако она пригодна только для съёмки неподвижных объектов, требуя как минимум двух экспозиций. Новейшие разработки позволяют преодолеть и это отставание, получая компактные файлы с 10-битным цветом при помощи технологии сжатия HEIF. Фотоаппарат Canon EOS-1D X Mark III, выпущенный в 2020 году, кроме традиционных файлов JPEG может генерировать фотографии нового формата, пригодного для непосредственного хранения HDR.
Устройство Главный принцип действия цифровых фотоаппаратов практически не отличается от классических аналоговых. Основой также является светонепроницаемая камера, с одной стороны которой установлен объектив, строящий действительное изображение объектов съёмки в фокальной плоскости. Экспозиция регулируется диафрагмой объектива и , и измеряется теми же способами, что в аналоговой фотографии. Для кадрирования и фокусировки используется видоискатель. Отличие заключается в том, что вместо фотоматериала в фокальной плоскости объектива установлена полупроводниковая фотоматрица, преобразующая свет в электрические сигналы. Эти сигналы с помощью АЦП преобразуются в цифровые файлы, которые передаются в буферную память, а затем сохраняются на встроенном или внешнем накопителе. Чаще всего файлы снимков сохраняются на одной или двух картах энергонезависимой флеш-памяти, устанавливаемых в корпусе фотоаппарата. Исходные файлы, получаемые на выходе АЦП в формате RAW, могут быть конвертированы процессором камеры в один из общепринятых стандартов, например TIFF или JPEG, сохраняться без изменений для последующей ручной конвертации на внешнем компьютере или помещаться вместе с JPEG вариантом изображения в файл специально разработанного для этой цели формата DNG..
Из-за отсутствия фотоматериала и необходимости его замены в цифровых фотоаппаратах не используются кассеты и лентопротяжный тракт. Основное устройство состоит из электронных компонентов, размещение которых более гибко, чем механических узлов. Благодаря этому появляется возможность более свободной компоновки, не зависящей от механических связей и других ограничений. Поэтому на заре развития бесплёночной фотоаппаратуры предпринимались многочисленные попытки создания принципиально новой эргономики, более удобной для пользователя. Однако, в конце концов общая компоновка и дизайн фотоаппарата, проверенные многими десятилетиями эксплуатации плёночной аппаратуры, оказались общепринятыми и в цифровом фотоаппаратостроении.
К цифровым фотоаппаратам также можно отнести плёночные, оснащённые съёмным цифровым задником. Такое устройство больше характерно для среднеформатной и крупноформатной аппаратуры, позволяющей менять кассетную часть. При этом используемый аналоговый фотоаппарат ничем не отличается от такого же, оснащённого стандартной кассетой с фотоплёнкой. Однако, наибольшее распространение получили цифровые фотоаппараты неразъёмной конструкции, как наиболее удобные в эксплуатации, и не содержащие избыточных элементов плёночной аппаратуры.
Матрицы всех цифровых фотоаппаратов обладают плоской формой, как и большинство фотоматериалов. При этом используются объективы, строящие действительное изображение, расположенное на поверхности, максимально приближённой к плоскости. Однако, в 2014 году компания Sony анонсировала выпуск вогнутых матриц в форме сферической огибающей. Позднее аналогичные разработки начали Canon и Nikon. В 2017 году о создании вогнутых матриц объявила корпорация Microsoft. Такая матрица требует совершенно других объективов упрощённой конструкции, благодаря отказу от корригирования кривизны поля изображения. В результате при более компактных размерах оптики с меньшим количеством линз повышаются её светосила и разрешающая способность. Кроме того, за счёт более выгодных углов падения света светочувствительность вогнутых матриц выше, чем у плоских, в два раза по полю и в 1,4 раза в центре.
Считывание изображения На сегодняшний день известны несколько технологий регистрации света в цифровой аппаратуре. Все они основаны на приборах с зарядовой связью (ПЗС) или комплементарных металло-оксидных полупроводниках (КМОП). Считается, что ПЗС генерируют более качественные сигналы, однако устройства на основе КМОП потребляют меньше электроэнергии, и пригодны не только для регистрации изображения, но и для измерения экспозиции или автофокусировки. Те и другие выполняются в виде прямоугольных матриц или линеек, способных считывать изображение одним из трёх основных способов.
Наиболее распространён способ с записью в одну экспозицию, который может быть осуществлён двумя путями: с помощью фильтра Байера, установленного над единственной прямоугольной матрицей, или тремя такими же матрицами, получающими свет от объектива через три светофильтра основных цветов. Разделение потоков при этом производится призменной цветоделительной системой, как в видеокамерах типа 3CCD. Последний способ использовался в некоторых первых цифровых фотоаппаратах, например Minolta RD-175, но из-за громоздкости уступил место одноматричной технологии. При использовании фильтра Байера для получения одного цветного пикселя требуются четыре элементарных фотодиода, покрытых светофильтрами основных цветов. В результате, матрица, генерирующая 4-мегапиксельный монохромный файл, в цвете даёт лишь 1 мегапиксель. Существует ещё одна технология Foveon X3 с единственной матрицей, состоящей из трёх слоёв светочувствительных фотодиодов. Цветоделение при этом осуществляется за счёт различий проникающей способности разных участков видимого спектра. Однако из-за невысокой точности цветоделения широкого распространения такие матрицы не получили.