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.

еще рефераты
Еще работы по технологии