Вы можете написать и разместить на портале статью.

Убедительно просим не присылать статьи из интернета - их можно найти поисковыми машинами. Напишите свою, интересную и уникальную статью. Сфотографируйте и опишите лабораторную работу по физике, или химии, пришлите фотографии Вашей самоделки....
шлите статьи на адрес we@guru.ua

Как работают цифровые фотоаппараты

Последние несколько лет мы наблюдаем значительный прогресс в области новых технологий. С каждым годом появляются все больше новых форматов, CDs, DVDs, HDTV, MP3s и DVRs , принцип которых строится на уже известных процессах: превращение обычной аналоговой информации (представленной колеблющимися волнами) в цифровую информацию (представленной в виде единиц и нулей). Такой скачок полностью изменил наше представление об информации и наших возможностях.

Цифровая камера – это один из самых ярких примеров такого прогресса, потому что она полностью отличается от всех своих предшественников. Обычные камеры работают за счет химических и механических процессов, происходящих внутри нее. Для ее работы даже не нужно электричество. Во всех же цифровых камерах встроен миникомпьютер, для работы которого электричество просто необходимо.

Новая технология изначально стала пользоваться большим успехом. Но цифровым фотоаппаратам так и не удалось полностью заменить обычные пленочные фотоаппараты, поскольку на пленке все равно получаются более качественные снимки. И все же постоянно усовершенствующие цифровые фотоаппараты быстро покорили массовый рынок и стали неотъемлемой частью нашей жизни.

Принцип работы фотоаппаратов

Возьмем к примеру такой случай: вы хотите послать свою фотографию другу по электронной почте. Для того чтобы это сделать, вам необходимо закодировать картинку или представить ее на языке, понятному компьютеру, т.е. представить ее в виде битов и байтов. Фотографии, сделанные на цифровых фотоаппаратах, изначально представляют собой поток единиц и нулей, которые отображают крошечные цветные точки (пиксели), из которых и складывается картинка.

Переслать снимок можно двумя путями:

• Вы можете сделать снимок с простого фотоаппарата, распечатать фотографию с пленки на бумагу, а затем с помощью цифрового сканера вывести изображение на компьютерный экран.
• Или сразу воспользоваться цифровым фотоаппаратом, что будет намного быстрее и надежнее.
Как и в любом фотоаппарате в цифровых камерах установлено несколько линз, фокусирующих свет на объекте для создания фотографии. Но вместо того чтобы фокусировать свет на пленке, цифровые фотоаппараты сохраняет изображение в цифровом формате на специальных носителях. Компьютер затем обрабатывает полученную электронную информацию и превращает ее в цифровую.

Интересные факты

• С 3-мегпиксельной камерой можно снять изображение, разрешение которого в несколько раз будет выше разрешения многих компьютерных дисплеев.
• С помощью веб браузера можно просмотреть фотографии с цифрового фотоаппарата в формате JPEG.
• Первые цифровые камеры компаний Кодак и Apple были проданы в 1994.
• В 1998 компания Sony продала более 700,000 камкодеров, позволяющие немного просматривать сквозь одежду.

к содержанию

Вместо пленки цифровая камера сохраняет изображение в цифровом формате на специальных носителях.

Во многих цифровых фотоаппаратах используются датчики изображения, например, ПЗС, прибор с зарядовой связью (CCD) или комплементарный металлооксидный полупроводник (CMOS). Оба эти датчика конвертируют свет в электроны. .

Как только датчик превращает свет в электроны, он считывает значение (накопленный заряд) каждой ячейки в изображение. Несмотря на общие черты, между этими двумя этими датчиками существуют различия:

• ПЗС переносит заряд вдоль чипа и считывает его в одном конце набора. Затем аналогово-цифровой преобразователь (ADC) превращает значение каждого пикселя в цифровое значение, измеряя величину заряда и преобразовывая измерение в двоичной форме.
• Устройства CMOS используют несколько транзисторов в каждом пикселе для того, чтобы усилить и переместить заряд при помощи обычных проводов. Сигнал CMOS - цифровой, поэтому ADC (аналогово-цифровой преобразователь) не нужен.

Из-за различий между двумя видами датчиков у каждого из них есть свои плюсы и минусы: • Датчики CCD делают качественные снимки с низким уровнем шума. Датчики CMOS, наоборот, очень восприимчивы к шуму.
• Поскольку некоторые транзисторы очень близко расположены к датчику CMOS, то светочувствительность этого чипа значительно ниже. Многие фотоны вместо фотодиода попадают в транзисторы.
• Датчики CMOS обычно потребляют мало энергии. Датчики CCD наоборот потребляют большое количество энергии – в 100 раз больше CMOS.
• Но поскольку датчики CCD гораздо дольше используются в камерах, то можно сказать, что они более надежные. Считается, что у них больше пикселей и эти пиксили более высокого качества.

Но, не смотря на все эти различия, принцип работы обеих датчиков практически одинаковый – они преобразуют свет в электричество.

Разрешение цифровых фотоаппаратов

Число элементов изображения, которое камера может захватить называется разрешением камеры. Разрешение измеряется в пикселях. Чем больше пикселей в камере, тем лучше и четче изображение.

Самые распространенные разрешения:
• 256 x256 – во всех дешевых мыльницах. Это разрешение настолько низкое, что качество изображения оставляет желать лучшего. Общее количество пикселей – 65,000.
• 640 x480 - это низкое качество в большинстве "реальных" камер. Такое разрешение идеально подходит для передачи снимков по электронной почте и размещения на Веб-узлах.
• 1216 x912 – это разрешения вполне достаточно для того, чтобы распечатывать неплохие фотографии. Общее количество пикселей - 1,109,000.
• 1600 x1200 – считается «высоким разрешением» с почти 2 миллионами пикселей. При таком разрешения в распечатанном виде фотографии получаются не хуже чем в фотолабораториях.
• 2240 x1680 – такое разрешение поддерживают 4 мегапиксельные фотоаппараты. Можно распечатать фотографии хорошего качества размером 16 х 20 дюймов.
• 4064 x2704 – такое разрешение поддерживают только 11,1 мегапиксельные цифровые фотоаппараты, позволяющие распечатывать качественные снимки размером 13,5 х 9 дюймов.

Размер изображения, снятого в различных разрешениях

Высококачественные цифровые фотоаппараты могут захватить свыше 12 миллионов пикселей. Некоторые профессиональные камеры поддерживают более 16 миллионов пикселей, крупноформатные цифровые фотоаппараты поддерживают около 20 миллионов пикселей. Например, подсчитано, что пленочный фотоаппарат Hewlett Packard поддерживает около 20 миллионов пикселей.

Сколько пикселей?

Вы, возможно, заметили, что число пикселей и максимальное разрешение не всегда совпадают. Т.е., если 2.1-мегапиксельная камера может снимать с разрешением в 1600x1200, или 1,920,000 пикселей. Значит, разрешение 2.1 мегапиксельного фотоаппарата должно быть не меньше 2,100,000 пикселей. Но это не неправильный подсчет. Дело в том, что такое несоответствие происходит из-за того, что CCD должно включать схему для аналого-цифрового преобразователя (ADC), чтобы измерить заряд. Но поскольку данная схема черного цвета, она плохо поглощает свет и искажает изображение.

к содержанию

Для того, чтобы сделать красочный снимок, многие датчики используют «фильтрование», чтобы посмотреть на свет с точки зрения 3х основных цветов. Как только фотоаппарат захватывает три основных цвета, он комбинирует их и получается цветное изображение.

Существует несколько способов «записи» этих цветов в цифровой камере. В высококачественных фотоаппаратах используется три отдельных датчика, каждый из которых имеет свой фильтр. Светоделитель (beam splitter) распределяет свет по трем различным датчикам. В данном случае свет можно сравнить с потоком воды, текущей по трубе. Распределитель разделяет этот поток воды на три равных трубопровода. Соединяясь вместе эти датчики отображают целостную цветную картинку, но благодаря фильтрам, каждый датчик отвечает только за свой цвет.

Преимущество этого метода состоит в том, что камера записывает каждый из трех цветов в каждом положении пикселя. Однако, такие фотоаппараты, как правило, очень громоздкие и дорогие.

Другой метод основывается на вращение ряда фильтров красного, синего и зеленого цветов перед одиночным датчиком. Сенсор записывает три отдельных изображения в быстрой последовательности. Но поскольку эти три изображения делаются в разное время (разница составляет всего долю секунды), то недостаток этого метода заключается в том, что за это время нельзя двигать камеру, чтобы не потерять цель объектива. Такой метод очень не практичен для ручных фотоаппаратов, поскольку во время съемки может дернуться рука и изображение получится не совсем четким. И все же оба эти метода больше подходят для профессиональных студийных камер.

Одним из наиболее приемлемых методов «записывания» цветов считается интерполяция - генерация дополнительных (промежуточных) пикселей изображения с целью создания иллюзии более высокого разрешения при помощи специального алгоритма, задающего цвет каждого дополнительного пикселя с учётом цветов его окружения. Для этого метода используют специальный фильтр называемый матричным цветовым фильтром (color filter array).

Самый распространенным фильтром такого типа является фильтр Bayer. В нем цветовые фильтры чередуются как в шахматном порядке. Но пиксели располагаются неравномерно – больше всего зеленых пикселей. Все дело в том, что глаз человека не одинаково воспринимает эти три основные цвета. И для того чтобы картинка казалась более «реальной» необходимо добавить больше зеленого цвета.

Преимущество этого метода заключается в том, что для такого воспроизведения цветов нужен всего один датчик и цвета записываются одновременно. За счет этого фотоаппараты гораздо меньше, дешевле и их можно использовать во многих случаях. Цветное изображение складывается из мозаики разных оттенков красного, зеленого и синего цветов. В цифровых фотоаппаратах используются специальный мозаичный алгоритмы, благодаря которому получаются красочные снимки. Основная идея этого алгоритма заключается в том, что каждый цветной пиксель можно использовать несколько раз. Насыщенный цвет одного пикселя можно определить за счет средней величины прилегающих к нему пикселей. В некоторых фотоаппаратах с одним датчиком используются технологии подобные Bayer. Например, вместо обычных красного, синего и зеленого цветов используется палитра из голубого, желтого, зеленого и пурпурового цвета. Но все же большая часть современных цифровых аппаратов основаны на комбинации зелено-красного и зелено-синего цветов.

Экспозиция и фокус

Цифровые камеры, как и все фотоаппараты, контролируют количество света, попадаемого на датчик. Для этого в фотоаппаратах установлена аппертура и затвор.

• Апертура - это отверстие оптической системы, определяемое размерами линз. Во многих цифровых аппаратах используется автоматическая апертура, однако в более профессиональных камерах аппертура играет роль ручного аксессуара.

• Скорость действия затвора – это промежуток времени, за которое свет проходит сквозь аппертуру. В цифровых фотоаппаратах, в отличие от обычных пленочных с механическим затвором, установлен цифровой затвор. Эти два аспекта очень важны для того, чтобы захватить необходимое количество света и сделать хороший снимок.

Помимо этого в фотоаппаратах установлены линзы, контролирующие фокусировку света на датчик. В основном линзы в цифровых фотоаппаратах очень похожи на линзы обычных камер.

Очень важным критерием различия линз в цифровых и пленочных фотоаппаратах является фокусное расстояние. Фокусное расстояние – это интервал между линзой и поверхностью датчика. Каждый производитель изготовляет датчик определенного размера, но, как правило, в цифровых фотоаппаратах они все равно гораздо меньше, чем в обычных пленочных. Чем меньше датчик, тем короче фокусное расстояние.

Длина фокуса также определяет масштаб или зум. В пленочном фотоаппарате, линза в 55 мм передает естественный размер объектов. Увеличивая фокусное расстояние, увеличивается масштаб изображения и объекты становятся ближе. При уменьшении объекты, наоборот, отдаляются. В цифровых камерах может стоять оптический или цифровой зум. В некоторых цифровых фотоаппаратах есть специальная функция фокусирования на мелких объектах, называемая макро съемкой.

В цифровых камерах используется один из четырех видов объективов:

• объектив типа "фикс-фокус" (с постоянной наводкой на гиперфокальное расстояние) – такие объективы, как правило, установлены в недорогих пленочных фотоаппаратах. Они очень удобны для снятия моментальных снимков, правда, не очень хорошего качества.
• Оптические объективы с автоматическим фокусом - Подобные линзы устанавливают обычно на видео камкодеры. Фотоаппараты с такими линзами могут поддерживать и не поддерживать ручной фокус.
• Цифровые объективы – такой объектив позволяет делать снимки в натуральную величину. Но, в зависимости от разрешения изображения и используемого датчика, могут получаться размытые и зернистые фотографии.
• Съемный объектив - Они подобны заменимым линзам на пленочных камерах. Их очень редко используют в цифровых фотоаппаратах.

к содержанию

В большинстве цифровых фотоаппаратов есть LCD экран, на котором можно сразу просмотреть получившийся снимок. Это одно из главных преимуществ цифровых камер. Такие фотографии можно просмотреть на компьютере или передать по электронной почте.

Цифровые камеры помимо общей памяти также поддерживают флеш-карты, на которых сохраняются снятые вами снимки. Передавать фотографии с камеры на компьютер или другое устройство можно как через флеш-карты ( SmartMedia, CompactFlash и Memory Stick), SCSI, USB, FireWire, так и через дискетки, жесткий диск и CD и DVD диски.

Карта памяти CompactFlash Цифровые фотографии, как правило, занимают очень много места. Самые распространенные форматы - TIFF, в разархивированном виде, сжатый формат JPEG (заархивированный) и формат RAW. При этом данные сохраняются в том виде, в котором они были получены с фоточувствительной матрицы. Поэтому качество RAW-снимков существенно выше качества JPEG-изображений, однако места они занимают гораздо больше. Но тем не менее большинство цифровых фотоаппаратов для хранения снимков используют формат JPEG высокого и среднего качества.

Практически во всех цифровых камерах есть специальные программы сжатия данных, которые позволяют уменьшить размер фотографий и освободить немного места для других снимков. Различают два вида сжатия: сжатие на основе повторяющихся элементов и сжатие на основе «лишних деталей». Например, если 30 процентов фотографии занимает голубое небо, это означает, что на фотографии будет слишком много повторяющихся оттенков голубого цвета. Специальные программы «сжимают» эти повторяющиеся цвета, благодаря чему фотография не теряет своей яркости, а на фотоаппарате остается больше свободного места. Такой способ позволяет уменьшить размер снимка почти на 50 процентов.

Сжатие на основе «лишних деталей» представляет собой более сложный процесс. Как правило, цифровой фотоаппарат улавливает больше цветов, чем воспринимает глаз человека. Поэтому в результате такого сжатия с картинки удаляются некоторые так сказать «излишние детали», за счет чего и уменьшается вес фотографии. Подведение итогов:

Для того чтобы сделать снимок, ПЗС камера выполняет следующие операции:

• Вначале необходимо навести камеру на определенный объект и выставить оптический зум, т.е. приблизить или отдалить объект.
• Затем слегка нажать на кнопку.
• Камера автоматически фокусируется на объекте.
• Камера выставляет апертуру и скорость затвора для оптимальной экспозиции.
• Затем необходимо вновь нажать кнопку до упора.
• Камера выставляет ПЗС и когда свет достигает ПЗС матрицы, он заряжает каждый из элементов – пикселей индивидуально. Эта зарядка в дальнейшем соответствует электрическому импульсу, и таким образом мы получаем в цифровой форме данные об освещенности каждого из пикселей
• Аналогово-цифровой преобразователь (ADC) измеряет заряд и создает цифровой сигнал, который представляет значения заряда в каждом отдельном пикселе.
• Процессор собирает данные с различных пикселей и создает определенную цветовую гамму. На многих цифровых фотоаппаратах можно сразу посмотреть на экране получившийся снимок.
• В некоторых камерах сжатие изображения происходит автоматически.
• Информация сохраняется на одном из видов запоминающихся устройств, например, на флеш-карте.

к содержанию