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.