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

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 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,

PhaseOne, 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.

1.5Профессиональные
камеры

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 consumer
camera
(буквальный пере­вод - потребительские камеры), а такжеprosumer
camers
-
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 CanonDigitalIXUS

Рис. 1.5.
Слева – пленочная камера OlympusZOOM 115, справа – цифровая камера OlympusC - 990 ZOOM

Как и следует ожидать, на внешнем виде сходство заканчивается даже такая, на первый взгляд, легко поддающаяся копированиючасть 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 fixed
focus
.
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 мик­

рорастр,

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 конструкц

ии 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 (InternationalStandardsOrganization- 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.

4 Устройства хранения информации

Итак, световой поток пропел через оптическую подсистему, попав на электронно-оптический преобразователь. Полученное аналоговое изображение посредством преобразователей стало цифровым. Как было сказано ранее, подавляющее большинство фотоаппаратов использует схему с чередованием элементов, ко­торая требует дополнительной обработки встроенным программ­ным обеспечением для получения полноценного кадра. Также требуется обработка изображения с целью его сжатия (об этом будет рассказано далее). Кроме того, скорость считывания кадра с ПЗС-матрицы значительно выше скорости записи на устрой­ство долговременного хранения информации, какого бы типа оно ни было. Для промежуточного хранения и обработки изображе­ния используется буферная память.

4.1Буферная память

Этот тип памяти аналогичен ОЗУ, используемому в персональ­ных компьютерах. Основное отличие в том, что при выборе тек или иных микросхем основное внимание уделяется не столько быстродействию (хотя и оно немаловажно), сколько надежнос­ти и малому энергопотреблению. До недавнего времени размеры буфера были сравнительно невелики, пока кому-то из произво­дителей не пришла в голову мысль увеличить объем этой памяти. При этом в буфер может помещаться и обрабатываться не один, а несколько кадров. Таким образом, значительно сокращается интервал, необходимый для подготовки камеры к следующейсъемке, практически время затрачивается только на зарядку вспышки. Если не использовать вспышку, то становится доступ­ным режим непрерывной сьемхи,
когда камера делает несколько (до 10) кадров с высокой скоростью (до 3 кадров в секунду) и помещает их в буфер, где они обрабатываются и потом записы­ваются в долговременную память. Если АЦП матрицы обеспе­чивает высокую пропускную способность, то возможен режим видеосъемки - затвор при этом остается открытым на все время съемки. Характеристики получаемого видеоролика в основном такие: разрешение 320х240, частота 15 кадров в секунду, продол­жительность до 30 секунд.

После того как программное обеспечение камеры создало на ос­нове данных с ПЗС-матрицы полноцветное изображение, возни­кает задача его сохранения. Графические файлы очень велики и поэтому требуется их дополнительная обработка - сжатие. При этом используется алгоритм JPEG
(Joint PhotographicExperts Group). Суть этого алгоритма сводится к трем основным шагам. На первом шаге кодировка RGB, основанная на представлении каждого цвета сочетанием красного, синего и зеленого оттенков, заменяется на кодировку YUV. В этом формате компонент У отве­чает за яркость, а U и V - за цветовой оттенок. Подобная схема применяется в телевещании - как уже было сказано, человечес­кий глаз больше реагирует на яркостные характеристики изоб­ражения, чем на цветовые.

На втором шаге следует разбиение изображения на отдельные участки размером 8х8 пикселов, затем над каждым участком про­изводится математическая операция - дискретное косинус-пре­образование. В результате изображение представляется в виде гармонических колебаний разной частоты и амплитуды.

А на третьем шаге происходит то, из-за чего компрессия JРЕС называется сжатием с потерями качества» - частотно-ампли­тудные характеристики каждого блока анализируются с учетом повторяемости цветов в изображении и особенностей человеческо­го зрения, в частности меньшей чувствительности глаза к верх­ней части спектра. При этом удается исключить до половины яркостной информации и до 3/4 цветовой. Естественно, что даже при минимальном сжатии, когда человеческий глаз не в состоянии отличить изображение в формате JPEG от оригинала, восстано­вить изображение с точностью до пиксела невозможно (а, в общем­то, и не нужно). Чем выше коэффициент сжатия, тем большее количество яркостных и цветовых характеристик исключается, тем меньше получаемый файл и тем больше шансов обнаружить при просмотре визуальные искажения (артефакты)
JPEG. Эти искажения проявляются в виде размытая контрастных границ, проявления блочной структуры кадра и других нежелательных явлений.

В качестве альтернативы формату JPEG в некоторых камерах используется так называемый формат RAW
когда в долговре­менную память записывается отпечаток» ПЗС-матрицы. При этом размер изображения в десятки раз больше кадра JPEG, и для его просмотра требуется специальная программа, поставля­емая фирмой-производителем камеры. Не всегда эти програм­мы обладают достаточным количеством операций по обработке изображения, иногда у них неудобный интерфейс. Данные об­стоятельства привели к появлению у фотокамер функции записи в формате TIFF.
Он тоже позволяет производить сжатие кадра, но в отличие от JPEG потери информации при этом не происхо­дит. Но даже с минимальным сжатием файл JPEG в несколько раз меньше файла TIFF.

4.2Устройства долговременного хранения

К устройствам долговременного хранения предъявляется ряд жестких требований. Во-первых, необходима возможность про­должительного хранения без источников питания. Во-вторых, требуется минимальное энергопотребление при операциях запи­си/считывания/стирания. В-третьих, время записи/считыва­ния/стирания должно быть как можно меньше. В-четвертых, габариты должны быть минимальными. И наконец, самое глав­ное - устройство обязано быть стопроцентно надежным. Пере­численным требованиям в наиболее полной мере удовлетворяют конструкции, использующие так называемую флэш-память.

Флэш
-
память

Этот тип памяти является промежуточным между ПЗУ (посто­янное запоминающее устройство, в англоязычной литературе - АОМ, read-оn1у memory), которое хранит информацию без ис­точников питания, но не позволяет ее модифицировать, и ОЗУ, которое допускает информацию модифицировать, но хранить ее не может. Флэш-память использует питание только при считы­вании данных и их модификации, причем для считывания необ­ходимо менее высокое напряжение, а для записи – повышенное.

Существуют следующие виды хранения информации :

– Карты PCMCIA

– CompactFlash

– SmartMedia

– M ultiMedia Card

– Memory Stick

– xD – Picture Card

Другие виды носителей

Среди альтернативных методов хранения информации преобла­дают разнообразные устройства с магнитными методами запи­си. Условно их можно разделить на две группы. В первой группе используются различные сменнъсе носители
-
от обычного гиб­кого диска 3,5 дюйма до магнитооптического картриджа. При этом не очень высокая емкость носителя компенсируется ценой и доступностью. Во второй группе используются миниатюрные жесткие диски («винчестеры»). Сравнительно высокая цена этих устройств частично оправдывается большой емкостью и высо­кими скоростями записи.

Заключение

С началом XX столетия начинается интенсивное развитие науки и техники.

Часы с калькулятором, фонарь с радиоприемником, пылесос с ионизатором

воздуха – все эти вещи давно стали привычными. И сам этот факт столь широкого развития говорит о том, что это направление прошло период начального развития и уже сейчас представляет собой мощную базу со

сложившимся рынком. Модельный ряд обновляется с достойной восхищения

скоростью. Тем важнее для пользователя не ошибиться при выборе фотоаппарата и не разочароваться при его эксплуатации – это и есть основной

целью моей работы.

Перечень ссылок

1. «Цифровые фотоаппараты» Марин Милчев.

2. Учебный справочник школьника.