Цифровые фотоаппараты, как средство съема визуально - оптической информации

нижнем положении

Рис 2.1. Зеркальная камера с убирающимся зеркалом

Отдельного упоминания заслуживают модели, использующие

принцип видеокамер - вместо оптического видоискателя в них установлен

миниатюрный, не более 1,5 см, цветной ЖК-дисплей с хорошим разрешением -

порядка 130 тысяч элементов. При этом на дисплей выводится дополнительная

информация - значения диафрагмы, выдержки, количество кадров и т. д. Такое

решение обусловлено, во-первых, особенностями конструкции камеры (например,

когда «зрачок» оптического видоискателя просто негде расположить), а во-

вторых, тем, что при съемке в солнечную погоду блики на ЖК-дисплее делают

практически невозможным использование его в качестве видоискателя.

2.3Экспозиция. Диафрагма и выдержка. Светочувствительность.

Важнейшим оптическим определением является экспозиция.

Экспозиция – это физическая величина, служащая количественной

мерой световой энергии, падающей на светочувствительный элемент.

В нашем случае светочувствительным элементом является ПЗС-матрица. От

экспозиции, сообщенной матрице, во многом зависит качество снимка -

недостаточная экспозиция (называемая фотографами недодержкой) приводит к

плохой проработке деталей в тенях, избыточная экспозиция (передержка) - к

плохой проработке светлых участков. Для управления экспозицией используются

диафрагма и выдержка, для расширения их диапазона применяют материалы с

более высокой светочувствитвлъностъю.

Диафрагма – это устройство, посредством которого ограничивается

поперечное сечение световых пучков, проходящих через объектив, для

уменьшения

освещенности ПЗС-матрицы. Представляет

собой светонепроницаемую преграду с центральным отверстием изменяемого

диаметра.

[pic]

а б в

Рис. 2.3. Диафрагма: а -f/22, б-f/8, в - f/2

Наиболее распространена ирисовая диафрагма, у которой световое отверстие

образуется несколькими дугообразными лепестками (ламелями), соединенными с

подвижным кольцом-коронкой. При повороте кольца лепестки сходятся (или

расходятся), плавно уменьшая (или увеличивая) отверстие диафрагмы. Величина

действующего отверстия диафрагмы изменяется в зависимости от условий съемки

(освещенности фотографируемого объекта и чувствительности ПЗС-матрицы), а

также выдержки (о ней будет рассказано далее). От величины отверстия

диафрагмы зависит диапазон резко изображаемого пространства - чем меньше

отверстие, тем больше глубина, резкости, и наоборот:

Количественно диафрагма может быть описана относительным отверстием

объектива, равным отношению диаметра входного зрачка объектива к его

фокусному расстоянию. Квадрат этого числа определяет светосилу объектива.

Для обозначения диафрагмы тем не менее используется так называемое

диафрагменное число - величина, обратная относительному отверстию. Ряд

численных значений диафрагменного числа выбирается так, что он образует

геометрическую прогрессию со знаменателем, равным корню квадратному из двух

(например, 1; 1,4; 2; 2,8; 4; 5,6 и т. д.). При данной яркости объекта

съемки освещенность его оптического изображения на П3С-матрице обратно

пропорциональна квадрату диафрагменного числа, то есть чем меньше число,

тем больше света попадает на матрицу. Если минимальное значение

диафрагменного числа 2,8 и ниже, то объектив считается светосильным.

Выдержка – это промежуток времени, в течение которого

световые

лучи воздействуют на ЭОП для сообщения ему требуемой экспозиции.

Светочувствительность - это способность какого-либо материала

определенным

образом реагировать на оптическое излучение. Чем выше чувствительность,

тем

меньшее количество света требуется для реакции материала.

Количественная мера указанной способности - светочувствительное число.

Указывается в единицах ISO (International Standards Organization -

Международная организация стандартов). При использовании пленки с высокой

чувствительностью можно вести съемку с меньшей экспозицией. Но с

увеличением чувствительности фотопленки растет зернистость изображения и

неоднородность негатива. К сожалению, при увеличении чувствительности

цифровой камеры изображение тоже ухудшается.

2.4Экспозиционное число. Экспокоррекция

ПРИМЕЧАНИЕ

Экспозиционное число _ понятие, используемое для однозначной

Характеристики условий фотосъемки и определения экспозиции, не

обходимой для получения качественного кадра при заданной

светочувствительности ПЗС-матрицы.

Ряд значений экспозиционных чисел образует шкалу - изменение

экспозиционного числа на одну единицу соответствует изменению экспозиции в

два раза. Одну и ту же экспозицию можно обеспечить при различных сочетаниях

значений диафрагменного числа и выдержки, называемых экспозиционными

параметрами(экспопараметрами).

2.5Аберрации

Аберрации - искажения (от лат. aberratio- уклонение) изображения,

формируемого оптической системой. Проявляются в понижении резкости

изображения, нарушении подобия между объектом и его изображением

(геометрические аберрации) либо окрашивании контуров изображения

(хроматические аберрации).

Среди большого количества геометрических аберраций наиболее заметны

кривизна поля и дисторсия.

Кривизна поля характеризуется тем, что резкое изображение плоского предмета

лежит на искривленной поверхности. Вызвано это тем, что после прохождения

сквозь оптическую систему световые лучи, идущие из точек, расположенных вне

оптической оси объектива, сходятся в фокус не в одной плоскости. На

фотографии кривизна поля проявляется в понижении резкости изображения от

центра к краям. Устраняется эта аберрация подбором линз с различной

кривизной поверхностей.

Дисторсией называется аберрация, при которой нарушается геометрическое

подобие между объектом и его изображением. Это явление возникает в

результате того, что линейное увеличение, даваемое оптической системой,

изменяется по полю изображения.

[pic]

Рис. 2.4. Дисторсия

В вариообъективах дисторсия выражается в «подушкообразных» искажениях при

длиннофокусном режиме и в «бочкообразных» - при широкоугольном. Для

снижения дисторсии в конструкцию объективов включается асферическая оптика,

то есть линзы с параболическими, эллиптическими и другими поверхностями.

Хроматические аберрации обусловлены зависимостью показателя преломления

оптического стекла от длины волны проходящего через него света. В линзовых

оптических системах это приводит к разложению луча белого света на

несколько одноцветных лучей, которые после выхода из оптической системы

пересекают оптическую ось в разных точках. Поэтому в тех случаях, когда

освещенность объекта съемки и его фона сильно отличается, на стыке

появляется цветовая окантовка, чаще синеватого или фиолетового оттенка,

именуемая каймой (fringe). Хроматическую аберрацию уменьшают

комбинированием положительных и отрицательных линз, сделанных из разных

сортов стекла.

2.6Разрешающая способность оптики

Разрешающая способность оптических систем - под этой характеристикой

подразумевается способность данных систем создавать раздельные изображения

двух близко расположенных точек объекта. Разрешающую способность оценивают

по наименьшему расстоянию между двумя точками, при котором их изображения

еще не сливаются. До недавнего момента вопрос о достаточности разрешающей

способности объективов не возникал. Однако с увеличением разрешения матриц

любительских камер периодически складывается ситуация, когда один и тот же

сенсор, установленный на разных фотоаппаратах, «рисует» изображение с

неодинаковым качеством. Особенно это характерно для сверхкомпактных

моделей, к которым тяжело создать объектив с высокими оптическими

характеристиками.

З Электронно – оптические

преобразователи

После прохождения оптики световой поток попадает на регистрирующий элемент

- электронно-оптический преобразователь (ЭОП). Как уже упоминалось, в

основном в этих целях используются матрицы ПЗС - приборов с зарядовой

связью. Несмотря на то что ЭОП на КМОП-элементах в последнее время

появляются даже на профессиональных моделях, подавляющее большинство

любительских фотоаппаратов оснащены именно П3Сматрицами. Рассмотрим

подробнее конструкцию этих устройств.

Общие принципы

Для того чтобы досконально понять, каким образом свет преобразовывается в

электрический заряд, необходимо вспомнить раздел «Полупроводниковые

приборы» школьного курса физики, точнее -р-n-переход. Однако тема эта

слишком объемна, чтобы рассматривать ее в рамках данной работы. Вкратце

принцип устройства и функционирования П3С-матриц сводится к следующему.

В кремниевой подложке р-типа создаются каналы из полупроводника n-типа.

Сверку наносится изолирующий слой окиси кремния. Над каналами размещаются

электроды из поликристаллического кремния. При подаче электрического

потенциала на электрод в обедненной зоне под каналом n-типа образуется так

называемая потенциальная яма, которая способна хранить электроны. После

попадания фотона на поверхность n-канала

последний генерирует электрон, который хранится в потенциальной яме. Чем

больше фотонов попадает на поверхность, тем выше накапливаемый заряд. Чем

больше электронов может накопить потенциальная яма, тем больший диапазон

освещенности можно зафиксировать, и от этого, в конечном итоге, зависим

динамический диапазон (о нем более подробно будет рассказано ниже). Все,

что требуется сделать, - считать значение этого заряда и усилить его.

[pic]

Рис 3.1. Элемент ПЗС – матриц.

Для считывания заряда используются устройства, называемые регистрами

сдвига, преобразующие строку зарядов на входе в последовательность

импульсов на выходе. Полученный сигнал затем поступает на усилитель. Таким

устройством можно считать значение строки ПЗС-элементов.

В нашем же случае требуется определить заряд каждого из элементов матрицы.

При этом используется способность ПЗС к перемещению потенциальной ямы. Для

этого достаточно подать больший потенциал на соседний электрод, под который

должна переместиться потенциальная яма. При этом яма из-под соседнего

электрода, в свою очередь, смещается под слёдующий электрод и так далее до

регистра сдвига. Таким образом, необходимо согласовать по времени импульсы,

подаваемые на электроды, а также работу регистров сдвига.

Поэтому используются два дополнительных устройства: во-первых, управляющая

микросхема, обеспечивающая подачу импульсов на электроды матрицы, и во-

вторых, тактовый генератор.

Одним из первых типов ЭОП были полнокадровые ПЗС-матрицы. После

того как отработал затвор фотоаппарата и все пикселы накопили

заряд,

эквивалентный световому потоку, упавшему на них, происходит процесс

считывания зарядов.

Рис. 3.2. Полнокадровая матрица.

[pic]

4 Устройства хранения информации

Итак, световой поток пропел через оптическую подсистему, попав на

электронно-оптический преобразователь. Полученное аналоговое изображение

посредством преобразователей стало цифровым. Как было сказано ранее,

подавляющее большинство фотоаппаратов использует схему с чередованием

элементов, которая требует дополнительной обработки встроенным программным

обеспечением для получения полноценного кадра. Также требуется обработка

изображения с целью его сжатия (об этом будет рассказано далее). Кроме

того, скорость считывания кадра с ПЗС-матрицы значительно выше скорости

записи на устройство долговременного хранения информации, какого бы типа

оно ни было. Для промежуточного хранения и обработки изображения

используется буферная память.

4.1Буферная память

Этот тип памяти аналогичен ОЗУ, используемому в персональных компьютерах.

Основное отличие в том, что при выборе тек или иных микросхем основное

внимание уделяется не столько быстродействию (хотя и оно немаловажно),

сколько надежности и малому энергопотреблению. До недавнего времени размеры

буфера были сравнительно невелики, пока кому-то из производителей не пришла

в голову мысль увеличить объем этой памяти. При этом в буфер может

помещаться и обрабатываться не один, а несколько кадров. Таким образом,

значительно сокращается интервал, необходимый для подготовки камеры к

следующейсъемке, практически время затрачивается только на зарядку вспышки.

Если не использовать вспышку, то становится доступным режим непрерывной

сьемхи, когда камера делает несколько (до 10) кадров с высокой скоростью

(до 3 кадров в секунду) и помещает их в буфер, где они обрабатываются и

потом записываются в долговременную память. Если АЦП матрицы обеспечивает

высокую пропускную способность, то возможен режим видеосъемки - затвор при

этом остается открытым на все время съемки. Характеристики получаемого

видеоролика в основном такие: разрешение 320х240, частота 15 кадров в

секунду, продолжительность до 30 секунд.

После того как программное обеспечение камеры создало на основе данных с

ПЗС-матрицы полноцветное изображение, возникает задача его сохранения.

Графические файлы очень велики и поэтому требуется их дополнительная

обработка - сжатие. При этом используется алгоритм JPEG (Joint Photographic

Experts Group). Суть этого алгоритма сводится к трем основным шагам. На

первом шаге кодировка RGB, основанная на представлении каждого цвета

сочетанием красного, синего и зеленого оттенков, заменяется на кодировку

YUV. В этом формате компонент У отвечает за яркость, а U и V - за цветовой

оттенок. Подобная схема применяется в телевещании - как уже было сказано,

человеческий глаз больше реагирует на яркостные характеристики изображения,

чем на цветовые.

На втором шаге следует разбиение изображения на отдельные участки размером

8х8 пикселов, затем над каждым участком производится математическая

операция - дискретное косинус-преобразование. В результате изображение

представляется в виде гармонических колебаний разной частоты и амплитуды.

А на третьем шаге происходит то, из-за чего компрессия JРЕС называется

сжатием с потерями качества» - частотно-амплитудные характеристики каждого

блока анализируются с учетом повторяемости цветов в изображении и

особенностей человеческого зрения, в частности меньшей чувствительности

глаза к верхней части спектра. При этом удается исключить до половины

яркостной информации и до 3/4 цветовой. Естественно, что даже при

минимальном сжатии, когда человеческий глаз не в состоянии отличить

изображение в формате JPEG от оригинала, восстановить изображение с

точностью до пиксела невозможно (а, в общемто, и не нужно). Чем выше

коэффициент сжатия, тем большее количество яркостных и цветовых

характеристик исключается, тем меньше получаемый файл и тем больше шансов

обнаружить при просмотре визуальные искажения (артефакты) JPEG. Эти

искажения проявляются в виде размытая контрастных границ, проявления

блочной структуры кадра и других нежелательных явлений.

В качестве альтернативы формату JPEG в некоторых камерах используется так

называемый формат RAW когда в долговременную память записывается отпечаток»

ПЗС-матрицы. При этом размер изображения в десятки раз больше кадра JPEG, и

для его просмотра требуется специальная программа, поставляемая фирмой-

производителем камеры. Не всегда эти программы обладают достаточным

количеством операций по обработке изображения, иногда у них неудобный

интерфейс. Данные обстоятельства привели к появлению у фотокамер функции

записи в формате TIFF. Он тоже позволяет производить сжатие кадра, но в

отличие от JPEG потери информации при этом не происходит. Но даже с

минимальным сжатием файл JPEG в несколько раз меньше файла TIFF.

4.2Устройства долговременного хранения

К устройствам долговременного хранения предъявляется ряд жестких

требований. Во-первых, необходима возможность продолжительного хранения без

источников питания. Во-вторых, требуется минимальное энергопотребление при

операциях записи/считывания/стирания. В-третьих, время

записи/считывания/стирания должно быть как можно меньше. В-четвертых,

габариты должны быть минимальными. И наконец, самое главное - устройство

обязано быть стопроцентно надежным. Перечисленным требованиям в наиболее

полной мере удовлетворяют конструкции, использующие так называемую флэш-

память.

Флэш-память

Этот тип памяти является промежуточным между ПЗУ (постоянное запоминающее

устройство, в англоязычной литературе - АОМ, read-оn1у memory), которое

хранит информацию без источников питания, но не позволяет ее

модифицировать, и ОЗУ, которое допускает информацию модифицировать, но

хранить ее не может. Флэш-память использует питание только при считывании

данных и их модификации, причем для считывания необходимо менее высокое

напряжение, а для записи – повышенное.

Существуют следующие виды хранения информации :

- Карты PCMCIA

- CompactFlash

- SmartMedia

- M ultiMedia Card

- Memory Stick

- xD – Picture Card

Другие виды носителей

Среди альтернативных методов хранения информации преобладают разнообразные

устройства с магнитными методами записи. Условно их можно разделить на две

группы. В первой группе используются различные сменнъсе носители - от

обычного гибкого диска 3,5 дюйма до магнитооптического картриджа. При этом

не очень высокая емкость носителя компенсируется ценой и доступностью. Во

второй группе используются миниатюрные жесткие диски («винчестеры»).

Сравнительно высокая цена этих устройств частично оправдывается большой

емкостью и высокими скоростями записи.

Заключение

С началом XX столетия начинается интенсивное развитие науки и

техники.

Часы с калькулятором, фонарь с радиоприемником, пылесос с

ионизатором

воздуха – все эти вещи давно стали привычными. И сам этот факт

столь широкого развития говорит о том, что это направление прошло

период начального развития и уже сейчас представляет собой мощную

базу со

сложившимся рынком. Модельный ряд обновляется с достойной восхищения

скоростью. Тем важнее для пользователя не ошибиться при выборе

фотоаппарата и не разочароваться при его эксплуатации – это и есть

основной

целью моей работы.

Перечень ссылок

1. «Цифровые фотоаппараты» Марин Милчев.

2. Учебный справочник школьника.

Страницы: 1, 2