Реферат: Цифровые фотоаппараты, как средство съема визуально - оптической информации
<i/>Министерство образования и науки Украины
Харьковский национальный университет радиоэлектроники
кафедра основ радиотехники
ЦДП
Пояснительная записка
к научной работе слушателя НОУ
Хмеленко Дениса Геннадьевича
на тему:
«Цифровые фотоаппараты как средство съёма
визуально – оптической информации»
Научный руководитель работы Олейников.А.Н.
профессор кафедры ОРТ
Харьков 2004 год
Содержание
Стр.
1 Основные принципы и классификация цифровых фотоаппаратов..................................................................................2
1.1 Общие принципы работы фотоаппаратов ...........................2
1.2 Классификация… 3
1.3Студийные камеры… 3
1.4Полевые камеры...........................................................................4
1.5Профессиональные камеры........................................................4
1.6Любительские камеры...............................................................5
2 Оптическая система .................................................................6
2.1Объективы спостоянным и переменнымфокусным расстоянием.........................................................................................6 2.2Сменная оптика. Зеркальные и незеркальные камеры....................72.3Экспозиция. Диафрагма и выдержка.Светочувствительность…8 2.4Экспозиционное число. Экспокоррекция .............................................9 2.5Аберрации.................................................................................................102.6Разрешающая способность оптики ................................................11
3 Электронно – оптические преобразователи ................................11
– Общие принципы
4 Устройства хранения информации .............................................14
4.1 Буферная память ..............................................................14 4.2Устройства долговременного хранения ...............................15
Введение
Последнее десятилетие XX века ознаменовалось появлением большого количества устройств, изменивших привычный взгляд на вещи.
Похоже, что, кроме чайников и утюга, не осталось техники, в названии
которой не фигурирует слово «цифровой». В связи с этим возникает
некоторая путаница, что же подразумевает данное прилагательное в том
или ином случае. Чаще всего недоразумения происходят при использо-
вании словосочетания «цифровая камера». Вызвано этим тем, что под этим названием скрываются два совершенно разных класса устройств –
цифровые видеокамеры и цифровые фотокамеры. И если цифровые
видеокамеры представляют собой достаточно привычные устройства, пусть с улучшенным качеством иупрощённым подключением к компьютеру,
то цифровые фотокамеры произвели настоящий переворот в истории
фотографии.
Очевидно, что технология съемки, проявки плёнки и печати фо-
тографий претерпела незначительные изменения с момента появления
на свет. К революционным изменениям можно отнести воцарение цвета
( случившееся, впрочем, совсем недавно) и появление фотоаппаратов
«моментальной съёмки», более известных по одному из крупнейших
производителей – компании Polaroid.И если с технической точки зрения
обычные фотокамеры последнего поколения представляют собой чудеса
инженерной мысли, то химические процессы получения фотографий
сохранились с дедовских времен. При этом следует вспомнить, что
любительские киносъёмки, появившаяся значительно позднее фотосъёмки,
с начала 80-х годов стала активно вытесняться видеосъёмки, и в
результате в наше время кинокамеры в руках далёкого от кинематографа
человека – явления довольно редкое.
Тем не менее электроника заменила плёнку в фотокамерах сравнительно недавно – первые модели цифровых фотокамер появились
на рынке в Украине в 1996 году. Причину столь позднего старта следует искать в конструктивных особенностях цифровых фотоаппаратов.
Также следует отметить появившиеся недавно новые мобильные
телефоны, имеющие встроенный цифровой фотоаппарат, выход в интернет и многое другое.
1.1Общие принципы работы фотоаппаратов
Любой фотоаппарат, в том числе и цифровой, можно условно разделить
на три части. Первая из них – оптическая система, состоящая из объектива ( иногда с насадками ) и затвора. Вторая часть – это регистратор изображения. Третья часть предназначена для хранения отснятых
кадров. В обычном фотоаппарате функции второй и третьей частей
выполняет плёнка, в цифровом для этого используется два разных
устройства.
Для регистрации изображения используется электронно-оптический
преобразователь, а для хранения – флэш-память.
Примечание: ЭОП –прибор, преобразующий световой поток в электрический сигнал.Характеризующийся разрешением – количеством
точек по вертикали и горизонтали, а также соотношением сигнал/шум.
Флеш-память – энергонезависимая память, сохраняющая информацию
после выключения питания.Характеризуется форм-фактором, емкостью
( в мегабайтах ), скоростью доступа и напряжением питания ( как правило, 3,3 либо 5 В ).
В качестве ЭОП используется два типа устройств – ПЗС-матрицы
( матрицы приборов с зарядовой связью) и КМОП-матрицы. По конку-
ренции данные устройства примерно похожи на используемые в
видеокамерах матрицы, основное различие заключается в разрешении.
Эта же характеристика является одной из основных при описании
цифровой фотокамеры, именно дороговизна ПЗС-матрицы с большим
количеством элементов сдерживала развитие цифровой фотографии. И
если для любительской видеокамеры достаточно матрицы из 300 тысяч
элементов, то для фотографии размером 9×12 см необходимо наличие
как минимум мегапиксела.
Мегапиксельные ПЗС-матрицы с разрешением 1280×960 появились в
цифровых фотокамерах в конце 1997 года.
1.2Классификация
Если попытаться провести классификация цифровых фотокамер, то полученные категории будут примерно совпадать с существующими в
области пленочной фотографии классами.
Изначально все цифровые фотоаппараты можно разделить на:
— студийные;
— полевые;
Как видно из названия, отличаются они друг от друга « средой обитания».
1.3Студийные камеры
Названия фирм, производящих эту технику, не скажут ничего не только
обычному пользователю, но и профессиональному фотографу – Leaf,
Phase One, Dicomed. Студийные камеры предназначены для стационарной
съемки в специально отведенном для этого помещения – фотостудии.
Для студийных камер не существует ограничений ни на время экспонирования, ни ( теоретически ) на габариты устройства. В связи с
этим данные приборы в основном представляют собой приставку к
среднеформатной или крупноформатной камере, устанавливаемую вместо
задней стенки аппарата. Конструктивно эти устройства можно разделить
на два основных типа –сканирующие и полнокадровые. Поскольку в
студийной технике применяются дорогостоящие ПЗС-матрицы высокого
разрешения, поток информации в таких системах очень интенсивный.
1.4Полевые камеры
Гораздо более распространенной категорией являются полевые камеры.
Так как данные модели предназначены для эксплуатации в различных
условиях освещения, а объекты съемки могут быть самыми разнообразными, крайне необходим широкий диапазон выдержки и
диафрагмы, а также встроенная вспышка. Фотоаппараты этого класса
работают автономно, поэтому должны обладать большими объемами памяти и низким уровнем энергопотребления. Ввиду того, что полевые
камеры постоянно находятся в руках своих владельцев, в крайнем случае в сумке на плече, к этому типу техники предъявляются очень
жесткие требования по массе и габаритами.
В 2002 году появилась технология, которую можно назвать
революционной – многослойные матрицы, в которых каждый элемент
(пиксел) регистрирует полную информацию о цветовом диапазоне.
Достигается это за счет того, что свет с разной длиной волны проникает в материал ЭОП на разную глубину.
Применение сменной оптики и цена – вот что разделяет многочисленное семейство полевых фотокамер на две большие категории: профес-
сиональные и любительские.
1.5Профессиональныекамеры
К началу 2003 года основной из критериев — цена составляет от 2000 долларов для профессиональных камер. Томувиной два обстоятельства.
Во-первых, категория покупателей профессиональной техники относительнонемногочисленна и согласна с высокой ценойза хорошее качество. Кроме того, сменные объективы, используемые в камерах этого класса, зачастую стоят не намного дешевле самих фотоаппаратов.
Вторая причина повышеннойстоимости – конструкция этих устройств.Фактически профессиональная камера представляет собой корпус «зеркального» пленочного фотоаппарата высокого класса (и высокой стоимости), доработанного сучетом установкиэлектронно-оптического
преобразователя (ЭОП) и устройства хранения кадров.
Большинство моделей снабжаются цветным ЖК -дисплеем
расположенным на задней панели, — он используетсядля просмотра и удаленияотснятых кадров, настройки камеры и т. д. Главное же конструктивное отличие данной категории — вали: чие байонетногоразьема для сменной оптики, причем стоимость качественного объектива может в несколько разпревосходить стоимость камеры.Использование стандартной оптики накладывает также ограничение на минимальный размер ЭОП, по габаритам он должен быть максимально приближен кразмерам кадра 35-мм пленки. Так как в качестве ЭОП в основномиспользуются дорогостоящие крупногабаритные ПЗС-матрицы,общую цену камеры низкой назватьнельзя. Однако в последнее время наметиласьтенденция использовать в качестве базы фотоаппараты среднего класса: Возможно, в недалеком будущемстоимость цифровой «зеркалки»опустится ниже планки в 2000 долларов.
1.6Любительские камеры
Поскольку фотолюбителей, готовых купить камеру за 2000 долларов и выше (это без учета стоимостиоптики), не так уж имного, вскоре после профессиональных моделей появились и любительские, которым и будетуделено основное внимание на страницах данной книги. В англоязычной литературе часто встречаются определения consumer camera(буквальный перевод — потребительскиекамеры), а такжеprosumer camers— этот терминпоявился сравнительно недавно и образован за счет слияния слов ргоfеввiопа1 исопвитег. Им обозначаются недавно появившиесямодели с высоким разрешением, большим количеством ручных настроек и сервисных функций, с возможностью установки оптических насадок и подключения внешнейвспышки — в общем, со всем тем, чтодо недавнего времени встречалось только в профессиональныхмоделях.~Любительская цифровая камера вотличие от профессиональной разрабатывается, что называется, «с нуля», безиспользования корпуса и оптики пленочныхкамер. Есть, правда, модели, внешним видом напоминающие широко известные 35-мм любительские камеры.
/>
Рис. 1.4. Слева — пленочная камера СаnоnIXUS 11, справа – цифровая камера Canon Digital IXUS
/>
Рис. 1.5. Слева – пленочная камера Olympus ZOOM 115, справа – цифровая камера Olympus C — 990 ZOOM
Как и следует ожидать, на внешнемвиде сходство заканчивается даже такая, на первый взгляд, легко поддающаяся копированию часть пленочной камеры, как объектив, не годится дляцифровой модели.Дело в том, что используемые в любительских цифровых фотоаппаратах ПЗС-матрицы значительно меньше тех,что применяются впрофессиональных. Их размер не превышает 2/3 дюйма по диагонали, а наиболее часто встречаютсяматрицы сдиагональю 1/2 дюйма. При этом оптика, перенесенная один в один с 35-мм камеры, даетизображение, значительно превосходящее по размерам ПЗС-матрицу. Кроме того, ЭОП обладают
меньшей по сравнению с пленкой светочувствительностью, а сдругой стороны,продолжительное воздействие яркого света губительно для них, что накладывает дополнительные ограничения на конструкцию затвора и светосильныехарактеристики оптики.? Как ни прискорбно, до сих пор встречаются конструкции камер, оптика которыхвызывает нехорошие воспоминания о дешевых китайских «мыльницах» с пластмассовыми линзами.Естественно, что никакие «мегапикселы» не помогут сформировать качественное изображение приэксплуатации таких моделей. В то же время появившиеся в 1998 году камеры с ЭОП на полтора миллиона элементов ихорошей светосильной оптикой до сих пор с успехом используются в достаточно сложных для съемки условиях, например присъемке в помещениях с плохой освещенностью.
2 Оптическая система
Как уже было сказано, одной из основных составляющих фотоаппарата является его объектив. Поэтомунеобходимо упомянуть основные термины,касающиеся оптической подсистемы фотоаппарата.
2.1Объективы с постоянным и переменным фокусным расстоянием
Чембольше фокусное расстояние, тем меньше угол зрения — предметов попадает в кадр меньше, но их размер в кадре больше. И наоборот, при уменьшении фокусного расстоянияобъекты съемки становятся меньше, нов кадр их попадает больше. Разумеется,что это также сказывается и на перспективе кадра — степени удаленности объектов друг от друга. Углузрения обычного человека в 35-ммкамерах соответствует фокусное расстояние 50 мм (46°).
Часто фокусное расстояние для цифровой фотокамеры указывается двумя цифрами, например, 6-15 мм (28-72 мм).Это вызвано тем, что размер ЭОП меньшекадра обычной пленки, поэтому линейныеразмеры оптики тоже меньше. Для удобства восприятия вводится втораявеличина, которая обозначает фокусное расстояние в эквиваленте 35-мм камеры.
Дляобозначения объективов с переменным фокусным расстоянием в англоязычной литературеприменяется термин zoom, часто онкалькируется в русских переводах словом «зум». Это неправильно, для объективовтакого типа давно существует название вариообьектив.Под кратностъяю объектива подразумевают отношение максимального фокусного расстояния к минимальному, например,
105/35 = 3 – кратностьобъектива равна 3. Объективы,фокусное расстояние которых не изменяется, в англоязычной литературе называются fixed focus. В отечественной литературе такой тип оптикиобозначается как объектив с постоянным фокусным расстоянием. Постоянное фокусное расстояние несколько ограничиваетвозможности фотографа, в то же время конструкция таких устройств предельно проста. Поэтому такие объективы чаще всеговстречаются в недорогих компактных камерах.
2.2Сменная оптика. Зеркальные и незеркальные камеры
До определенного момента вариообъективы с кратностьюбольше двух былисложными в производстве и капризными в эксплуатации. Поэтому для портретной, пейзажнoй и спортивной съемки использовались разныеобъективы, каждый с наиболее подходящимфокусным расстоянием. Фотограф закреплял их на камере, используя резьбовое либо байонетное соединение (о которомбудет рассказано далее). Однако с появлением надежных и недорогихвариообъективов высокой кратности (от 3 и выше), а также повсеместным внедрением электроники, обеспечивающей правильный расчет параметров съемки, широкоераспространение ранение получиликомпактные камеры под 35-мм пленку, оборудованные несменными объективами с переменным фокусным расстоянием. Тем не менее сменная оптика сохранилась в так называемых зеркальных камерах.
Зеркальной (SLR — single 1еns reflех) называется камера, вкоторойизображение, попадающее вобъектив, с помощью специальной оптической системы проецируется на поверхностьэкрана фокусировки. Это изображение пользователь наблюдает в видоискателеи визуально контролируеткадрирование и фокусировку. Дляточного определения дистанции съемки применяются разнообразныеоптические устройства. Одним из них являетсямикрорастр,система микроскопическихпирамидок, нанесенных на поверхностьэкрана фокусировки.
Чтобы изображение попало навидоискатель, используется либо зеркальце, убирающееся в момент съемки, либополупрозрачная призма.
видеоискатель
/>
Зеркальце в нижнем положении
Рис 2.1.Зеркальная камера с убирающимся зеркалом
Отдельного упоминания заслуживают модели, использующие принцип видеокамер — вместо оптического видоискателя в них установлен миниатюрный, неболее 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 ит. д. Такое решениеобусловлено, во-первых, особенностями конструкции камеры (например, когда «зрачок»оптического видоискателя просто негде расположить), а во-вторых, тем, что при съемке в солнечную погоду блики наЖК-дисплее делают практически невозможным использование его в качестве видоискателя.
2.3Экспозиция. Диафрагмаи выдержка. Светочувствительность.
Важнейшим оптическим определением является экспозиция.
Экспозиция –это физическаявеличина, служащая количественной
меройсветовой энергии, падающей на светочувствительный элемент.
/>В нашем случае светочувствительным элементом являетсяПЗС-матрица. От экспозиции, сообщеннойматрице, 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 экспозициейиспользуются диафрагма и выдержка, для расширения их диапазона применяют материалы с более высокой светочувствитвлъностъю.
Диафрагма – это устройство, посредством которого ограничивается поперечное сечение световыхпучков, проходящих через объектив, для уменьшения
освещенности ПЗС-матрицы.Представляет
собой светонепроницаемуюпреграду с центральным отверстием изменяемого диаметра.
/>
а б в
Рис.2.3. Диафрагма:а -f/22, б-f/8, в — f/2
Наиболее распространена ирисоваядиафрагма, у которой световое отверстие образуется несколькими дугообразными лепестками (ламелями), соединенными с подвижнымкольцом-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 меньшеотверстие, тем больше глубина, резкости, и наоборот:
Количественно диафрагма может быть описана относительным отверстиемобъектива,равным отношению диаметра входного зрачка объектива к его фокусному расстоянию. Квадратэтого числаопределяет светосилу объектива. Для обозначения диафрагмы тем не менее используется такназываемое диафрагменное число — величина,обратная относительному отверстию. Ряд численных значений диафрагменного числа выбирается так,что он образует геометрическую прогрессиюсо знаменателем, равным корню квадратномуиз двух (например, 1; 1,4; 2; 2,8; 4; 5,6 и т. д.). При данной яркостиобъекта съемки освещенность его оптическогоизображения на П3С-матрице обратно пропорциональна квадрату диафрагменного числа, то есть чем меньше число, тем больше света попадает на матрицу. Еслиминимальное значение диафрагменногочисла 2,8 и ниже, то объектив считаетсясветосильным.
Выдержка – это промежуток времени, в течение которого световые
лучи воздействуют на ЭОП для сообщения ему требуемой экспозиции.
Светочувствительность — это способностькакого-либо материала определенным
образом реагировать на оптическоеизлучение. Чем вышечувствительность, тем
меньшее количество светатребуется дляреакции материала.
Количественнаямера указанной способности — светочувствительное число. Указывается в единицах ISO (International Standards Organization — Международная организация стандартов). При использовании пленки с высокой чувствительностьюможно вести съемку с меньшей экспозицией. Нос увеличением чувствительностифотопленки растет зернистость изображения и неоднородность негатива. К сожалению, при увеличении чувствительности цифровой камеры изображение тожеухудшается.
2.4Экспозиционное число. Экспокоррекция
ПРИМЕЧАНИЕ
Экспозиционное число _ понятие, используемое для однозначной
Характеристики условий фотосъемки и определения экспозиции,не
обходимой для получения качественного кадра при заданнойсветочувствительности ПЗС-матрицы.
Ряд значений экспозиционных чисел образует шкалу — изменение экспозиционного числа на однуединицу соответствует изменениюэкспозиции в два раза. Одну и ту же экспозицию можно обеспечить при различных сочетаниях значенийдиафрагменного числа и выдержки,называемых экспозиционными параметрами(экспопараметрами).
2.5Аберрации
Аберрации — искажения (от лат. aberratio- уклонение) изображения, формируемого оптическойсистемой. Проявляются в понижении резкости изображения, нарушении подобия между объектом и его изображением (геометрическиеаберрации) либо окрашивании контуров изображения (хроматические аберрации).
Средибольшого количества геометрических аберраций наиболее заметны кривизна поля идисторсия.
Кривизна поля характеризуетсятем, что резкое изображение плоского предмета лежит на искривленной поверхности. Вызвано это тем, что после прохождениясквозь оптическую систему световые лучи, идущие из точек, расположенных вне оптической оси объектива, сходятся в фокус не водной 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 иего изображением. Это явление возникает в результате того, что линейное увеличение, даваемоеоптической системой, изменяется по полю изображения.
/>
Рис. 2.4. Дисторсия
Ввариообъективах дисторсия выражается в «подушкообразных» искажениях при длиннофокусномрежиме и в «бочкообразных» — при широкоугольном. Для снижениядисторсии в конструкциюобъективов включается асферическая оптика, то есть линзы с параболическими,эллиптическими и другими поверхностями.
Хроматические аберрации обусловлены зависимостью показателя преломления оптического стеклаот длины волны проходящего через него света. В линзовых оптических системах это приводит к разложению луча белого света нанесколько одноцветных лучей, которые послевыхода из оптической системы пересекаютоптическую ось в разных точках. Поэтому в тех случаях, когда освещенность объекта съемки и его фона сильноотличается, на стыке появляетсяцветовая окантовка, чаще синеватого или фиолетового оттенка, именуемая каймой (fringe).Хроматическую аберрацию уменьшаюткомбинированием положительных и отрицательных линз, сделанных из разныхсортов стекла.
2.6Разрешающая способностьоптики
Разрешающая способность оптических систем — подэтой характеристикой подразумеваетсяспособность данных систем создавать раздельные изображения двух близкорасположенных точек объекта. Разрешающуюспособность оценивают по наименьшему расстоянию между двумя точками, прикотором их изображения еще не сливаются. До недавнего момента вопрос о достаточностиразрешающей способности объективовне 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 высокимиоптическими характеристиками.
З Электронно –оптические
преобразователи
После прохождения оптики световой поток попадает нарегистрирующийэлемент — электронно-оптический преобразователь (ЭОП). Как уже упоминалось, восновном 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, подавляющеебольшинство любительскихфотоаппаратов оснащены именно П3Сматрицами. Рассмотрим подробнее конструкциюэтих устройств.
Общие принципы
Для того чтобы доскональнопонять, каким образом свет преобразовывается в электрический заряд, необходимовспомнить раздел «Полупроводниковыеприборы» школьного курса физики, точнее -р-n-переход. Однако тема эта слишком объемна, чтобырассматривать ее врамках данной работы. Вкратце принцип устройства и функционирования П3С-матриц сводится к следующему.
В кремниевой подложке р-типа создаются каналы изполупроводника n-типа. Сверку наноситсяизолирующий слой окиси кремния. Надканалами размещаются электроды из поликристаллического кремния. При подаче электрического потенциала на электрод вобедненной зоне под каналом n-типа образуется так называемая потенциальнаяяма, которая способна хранить электроны. После попадания фотона на поверхностьn-канала
последний генерирует электрон, который хранится в потенциальной яме. Чем больше фотоновпопадает на поверхность, тем выше накапливаемый заряд. Чем больше электроновможет накопить потенциальная яма, тембольший диапазон освещенности можно зафиксировать, и от этого, в конечном итоге, зависим динамический диапазон (о нем более подробно будетрассказано ниже).Все, что требуется сделать, — считатьзначение этого зарядаи усилить его.
/>
Рис 3.1. Элемент ПЗС – матриц.
Для считывания зарядаиспользуются устройства, называемые регистрамисдвига, преобразующиестроку 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 случаетребуется определить заряд каждого из элементов матрицы. При этом используется способность ПЗС к перемещению потенциальной ямы. Дляэтого достаточно податьбольший потенциал насоседний электрод, под который должна переместиться потенциальная яма. При этом яма из-под соседнего электрода, в свою очередь,смещается под слёдующий электрод итак далее до регистра сдвига. Таким образом, необходимо согласовать по времени импульсы,подаваемые на электроды,а также работурегистров сдвига.
Поэтому используются двадополнительных устройства: во-первых, управляющая
микросхема, обеспечивающаяподачу импульсов наэлектроды 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.
/>
4 Устройства хранения информации
Итак, световой поток пропел через оптическую подсистему, попав на электронно-оптическийпреобразователь. Полученное аналоговоеизображение посредством преобразователей стало цифровым. Как было сказано ранее, подавляющее большинство фотоаппаратов использует схему с чередованием элементов,которая требует дополнительнойобработки встроенным программнымобеспечением для получения полноценного кадра. Также требуется обработка изображения с целью егосжатия (об этом будет рассказанодалее). Кроме того, скорость считывания кадра с ПЗС-матрицы значительно выше скорости записи на устройство долговременного хранения информации, какогобы типа оно ни было. Для промежуточного хранения и обработки изображенияиспользуется буферная память.
4.1Буферная память
Этот тип памяти аналогичен ОЗУ, используемому в персональных компьютерах. Основное отличие в том, чтопри выборе тек или иных микросхем основноевнимание уделяется не столько быстродействию(хотя и оно немаловажно), сколько надежности и маломуэнергопотреблению. До недавнего времени размеры буфера были сравнительно невелики, пока кому-то из производителей не пришла в голову мысль увеличить объемэтой памяти. При этом в буфер можетпомещаться и обрабатываться не один, анесколько кадров. Таким образом, значительно сокращается интервал, необходимый для подготовки камеры кследующейсъемке, практически времязатрачивается только на зарядку вспышки.Если не использовать вспышку, то становится доступным режимнепрерывной сьемхи, когда камераделает несколько (до 10) кадров свысокой скоростью (до 3 кадров в секунду) и помещает их в буфер, где они обрабатываются и потом записываются вдолговременную 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 наоснове данных сПЗС-матрицы полноцветное изображение, возникает задача его сохранения. Графические файлы оченьвелики и поэтому требуется ихдополнительная 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 изеленого оттенков, заменяется накодировку 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 яркостныехарактеристики изображения, чем нацветовые.
На втором шаге следует разбиение изображения наотдельные участкиразмером 8х8 пикселов, затем над каждым участком производится математическаяоперация — дискретное косинус-преобразование.В результате изображение представляется в виде гармонических колебанийразной частоты и амплитуды.
А на третьем шаге происходит то,из-за чего компрессия JРЕС называется сжатием с потерями качества» — частотно-амплитудные характеристики каждого блока анализируютсяс учетом повторяемости цветов визображении и особенностей человеческогозрения, в частности меньшей чувствительности глаза к верхней части спектра. При этом удается исключить дополовины яркостной информации и до3/4 цветовой. Естественно, что даже приминимальном сжатии, когда человеческий глаз не в состоянии отличить изображение в формате JPEG от оригинала,восстановить изображение с точностьюдо пиксела невозможно (а, в общемто,и не нужно). Чем выше коэффициент сжатия, тем большее количество яркостных и цветовых характеристикисключается, тем меньше получаемыйфайл и тем больше шансов обнаружить при просмотре визуальные искажения (артефакты) JPEG. Эти искаженияпроявляются в виде размытая контрастных границ, проявления блочнойструктуры кадра и других нежелательных явлений.
В качестве альтернативы форматуJPEG в некоторых камерахиспользуется такназываемый форматRAW когда вдолговременнуюпамять записывается отпечаток» ПЗС-матрицы. При этом размер изображения в десятки раз больше кадра JPEG, и для его просмотра требуетсяспециальная программа, поставляемая фирмой-производителем камеры. Не всегда эти программы обладают достаточнымколичеством операций по обработке изображения, иногда у них неудобный интерфейс. Данные обстоятельства привели к появлению у фотокамерфункции записи вформате TIFF. Онтоже позволяет производить сжатие кадра, но в отличие от JPEG потери информации при этом непроисходит. Но даже с минимальным сжатием файл JPEG в несколько раз меньше файла TIFF.
4.2Устройствадолговременного хранения
К устройствам долговременного хранения предъявляется ряджестких требований.Во-первых, необходима возможность продолжительного хранения без источников питания. Во-вторых, требуется минимальноеэнергопотребление при операциях записи/считывания/стирания.В-третьих, время записи/считывания/стирания должно быть как можно меньше.В-четвертых, габариты должны бытьминимальными. И наконец, самое главное — устройство обязано быть стопроцентно надежным. Перечисленнымтребованиям в наиболее полной мере удовлетворяют конструкции, использующие так называемую флэш-память.
Флэш-память
Этот типпамяти является промежуточным между ПЗУ (постоянное запоминающее устройство, в англоязычнойлитературе — АОМ, read-оn1у memory), которое хранит информацию без источников питания, но не позволяет ее модифицировать, и ОЗУ, которое допускает информациюмодифицировать, но хранить ее не может. Флэш-память использует питание только присчитывании данных и их модификации,причем для считывания необходимоменее высокое напряжение, а для записи – повышенное.
Существуют следующие виды хранения информации :
– Карты PCMCIA
– CompactFlash
– SmartMedia
– M ultiMediaCard
– MemoryStick
– xD– Picture Card
Другие видыносителей
Среди альтернативных методовхранения информации преобладают разнообразные устройства с магнитными методами записи. Условно их можно разделитьна две группы. В первой группе используются различные сменнъсе носители — от обычного гибкого диска 3,5 дюйма до магнитооптического картриджа. Приэтом не оченьвысокая емкость носителя компенсируется ценой и доступностью. Во второй группеиспользуются миниатюрные жесткие диски («винчестеры»). Сравнительно высокаяцена этих устройствчастично 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.