Цифровые фотоаппараты, как средство съема визуально - оптической информации

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 с постоянным и переменным фокусным расстоянием .........................................................................................6 2.2Сменная оптика. Зеркальные и незеркальные камеры....................7 2.3Экспозиция. Диафрагма и выдержка. Светочувствительность............................................................................. 8 2.4Экспозиционное число. Экспокоррекция .............................................9 2.5Аберрации .................................................................................................10 2.6Разрешающая способность оптики ................................................11

3 Электронно – оптические преобразователи ................................11

– Общие принципы

4Устройства 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 и упрощённым 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. Тому виной два обстоятельства.

Во-первых, категория покупателей профессиональной техники относительно немногочисленна и согласна с высокой ценой за хорошее качество. Кроме того, сменные объективы, используемые в камерах этого класса, зачастую стоят не намного дешевле самих фотоаппаратов.

Вторая причина повышенной стоимости – конструкция этих устройств. Фактически профессиональная камера представляет собой корпус «зеркального» пленочного фотоаппарата высокого класса (и высокой стоимости), доработанного с учетом установки электронно-оптического

преобразователя (ЭОП) и устройства хранения кадров.

Большинство моделей снабжаются цветным ЖК -дисплеем

расположенным на задней панели, - он используется для просмотра и удаления отснятых 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 раз превосходить стоимость камеры. Использование стандартной оптики накладывает также ограничение на минимальный размер ЭОП, по габаритам он должен быть максимально приближен к размерам кадра 35-мм пленки. Так как в качестве ЭОП в основном используются дорогостоящие крупногабаритные ПЗС-матрицы, общую цену камеры низкой назвать нельзя. Однако в последнее время наметилась тенденция использовать в качестве базы фотоаппараты среднего класса: Возможно, в недалеком будущем стоимость цифровой «зеркалки» опустится ниже планки в 2000 долларов.

1.6Любительские камеры

Поскольку фотолюбителей, готовых купить камеру за 2000 долларов и выше (это без учета стоимости оптики), не так уж и много, вскоре после профессиональных моделей появились и любительские, которым и будет уделено основное внимание на страницах данной книги. В англоязычной литературе часто встречаются определения consumercamera(буквальный перевод - потребительские камеры), а такжеprosumercamers- этот термин появился сравнительно недавно и образован за счет слияния слов ргоfеввiопа1 и сопвитег. Им обозначаются недавно появившиеся модели с высоким разрешением, большим количеством ручных настроек и сервисных функций, с возможностью установки оптических насадок и подключения внешней вспышки - в общем, со всем тем, что до недавнего времени встречалось только в профессиональных моделях.~Любительская цифровая камера в отличие от профессиональной разрабатывается, что называется, «с нуля», без использования корпуса и оптики пленочных камер. Есть, правда, модели, внешним видом напоминающие широко известные 35-мм любительские камеры.

Рис. 1.4. Слева - пленочная камера Саnоn IXUS 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 внешнем виде сходство заканчивается даже такая, на первый взгляд, легко поддающаяся копированию часть пленочной камеры, как объектив, не годится для цифровой модели. Дело в том, что используемые в любительских цифровых фотоаппаратах ПЗС-матрицы значительно меньше тех, что применяются в профессиональных. Их размер не превышает 2/3 дюйма по диагонали, а наиболее часто встречаются матрицы с диагональю 1/2 дюйма. При этом оптика, перенесенная один в один с 35-мм камеры, дает изображение, значительно превосходящее по размерам ПЗС-матрицу. Кроме того, ЭОП обладают

меньшей по сравнению с пленкой светочувствительностью, а с другой стороны, продолжительное воздействие яркого света губительно для них, что накладывает дополнительные ограничения на конструкцию затвора и светосильные характеристики оптики. ?Как ни прискорбно, до сих пор встречаются конструкции камер, оптика которых вызывает нехорошие воспоминания о дешевых китайских «мыльницах» с пластмассовыми линзами. Естественно, что никакие «мегапикселы» не помогут сформировать качественное изображение при эксплуатации таких моделей. В то же время появившиеся в 1998 году камеры с ЭОП на полтора миллиона элементов и хорошей светосильной оптикой до сих пор с успехом используются в достаточно сложных для съемки условиях, например при съемке в помещениях с плохой освещенностью.

2 Оптическая система

Как уже было сказано, одной из основных составляющих фотоаппарата является его объектив. Поэтому необходимо упомянуть основные термины, касающиеся оптической подсистемы фотоаппарата.

2.1Объективы с постоянным и переменным фокусным расстоянием

Чем больше фокусное расстояние, тем меньше угол зрения - предметов попадает в кадр меньше, но их размер в кадре больше. И наоборот, при уменьшении фокусного расстояния объекты съемки становятся меньше, но в кадр их попадает больше. Разумеется, что это также сказывается и на перспективе кадра - степени удаленности объектов друг от друга. Углу зрения обычного человека в 35-мм камерах 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 меньше кадра обычной пленки, поэтому линейные размеры оптики тоже меньше. Для удобства восприятия вводится вторая величина, которая обозначает фокусное расстояние в эквиваленте 35-мм камеры.

Для обозначения объективов с переменным фокусным расстоянием в англоязычной литературе применяется термин zoom, часто он калькируется в русских переводах словом «зум». Это неправильно, для объективов такого типа давно существует название вариообьектив. Под кратностъяю объектива подразумевают отношение максимального фокусного расстояния к минимальному, например,

105/35 = 3 – кратность объектива равна 3. Объективы, фокусное расстояние которых не изменяется, в англоязычной литературе называются fixedfocus. В отечественной литературе такой тип оптики обозначается как объектив с постоянным фокусным расстоянием. Постоянное фокусное расстояние несколько ограничивает возможности фотографа, в то же время конструкция таких устройств предельно проста. Поэтому такие объективы чаще всего встречаются в недорогих компактных камерах.

2.2Сменная оптика. Зеркальные и незеркальные камеры

До определенного момента вариообъективы с кратностью больше двух были сложными в производстве и капризными в эксплуатации. Поэтому для портретной, пейзажнoй и спортивной съемки использовались разные объективы, каждый с наиболее подходящим фокусным расстоянием. Фотограф закреплял их на камере, используя резьбовое либо байонетное соединение (о котором будет рассказано далее). Однако с появлением надежных и недорогих вариообъективов высокой кратности (от 3 и выше), а также повсеместным внедрением электроники, обеспечивающей правильный расчет параметров съемки, широкое распространение ранение получили компактные 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, в которойизображение, попадающее в объектив, с помощью специальной оптической системы проецируется на поверхность экрана фокусировки. Это изображение пользователь наблюдает в видоискателе и визуально контролирует кадрирование и фокусировку. Для точного определения дистанции съемки применяются разнообразные оптические устройства. Одним из них является мик­рорастр,система микроскопических пирамидок, нанесенных на поверхность экрана фокусировки.

Чтобы изображение попало на видоискатель, используется либо зеркальце, убирающееся в момент съемки, либо полупрозрачная 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, 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.

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.

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.

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.