Как работает цифровой фотоаппарат

© 2014 Vasili-photo.com

Для полного контроля над процессом получения цифрового изображения необходимо хотя бы в общих чертах представлять себе устройство и принцип работы цифрового фотоаппарата.

Единственное принципиальное отличие цифровой камеры от плёночной заключается в природе используемого в них светочувствительного материала. Если в плёночной камере это плёнка, то в цифровой – светочувствительная матрица. И как традиционный фотографический процесс неотделим от свойств плёнки, так и цифровой фотопроцесс во многом зависит от того, как матрица преобразует свет, сфокусированный на неё объективом, в цифровой код.

Принцип работы фотоматрицы

Светочувствительная матрица или фотосенсор представляет собой интегральную микросхему (проще говоря, кремниевую пластину), состоящую из мельчайших светочувствительных элементов – фотодиодов.

Матрица фотоаппарата Nikon D4

Существует два основных типа сенсоров: ПЗС (Прибор с Зарядовой Связью, он же CCD – Charge-Coupled Device) и КМОП (Комплементарный Металл-Оксид-Полупроводник, он же CMOS – Complementary Metal-Oxide-Semiconductor). Матрицы обоих типов преобразовывают энергию фотонов в электрический сигнал, который затем подлежит оцифровке, однако если в случае с ПЗС матрицей сигнал, сгенерированный фотодиодами, поступает в процессор камеры в аналоговой форме и лишь затем централизованно оцифровывается, то у КМОП матрицы каждый фотодиод снабжён индивидуальным аналого-цифровым преобразователем (АЦП), и данные поступают в процессор уже в дискретном виде. В целом, различия между КМОП и ПЗС матрицами хоть и принципиальны для инженера, но абсолютно несущественны для фотографа. Для производителей же фотооборудования имеет значение ещё и тот факт, что КМОП матрицы, будучи сложнее и дороже ПЗС матриц в разработке, оказываются при этом выгоднее последних при массовом производстве. Так что будущее, скорее всего, за технологией КМОП в силу чисто экономических причин.

Фотодиоды, из которых состоит любая матрица, обладают способностью преобразовывать энергию светового потока в электрический заряд. Чем больше фотонов улавливает фотодиод, тем больше электронов получается на выходе. Очевидно, что чем больше совокупная площадь всех фотодиодов, тем больше света они могут воспринять и тем выше светочувствительность матрицы.

К сожалению, фотодиоды не могут быть расположены вплотную друг к другу, поскольку тогда на матрице не осталось бы места для сопутствующей фотодиодам электроники (что особенно актуально для КМОП матриц). Восприимчивая к свету поверхность сенсора составляет в среднем 25-50 % от его общей площади. Для уменьшения потерь света каждый фотодиод накрыт микролинзой, превосходящей его по площади и фактически соприкасающейся с микролинзами соседних фотодиодов. Микролинзы собирают падающий на них свет и направляют его внутрь фотодиодов, повышая таким образом светочувствительность сенсора.

Основа любой фотографии – свет. Он проникает в камеру через объектив, линзы которого формируют изображение предмета на светочувствительной матрице. При нажатии на кнопку спуска затвор камеры открывается (как правило, на доли секунды) и происходит экспонирование кадра, т.е. освещение матрицы потоком света заданной интенсивности. В зависимости от желания получить светлый или тёмный снимок, может потребоваться различное количество света, т.е. различная экспозиция.

По завершении экспонирования электрический заряд, сгенерированный каждым фотодиодом, считывается, усиливается и с помощью аналого-цифрового преобразователя превращается в двоичный код заданной разрядности, который затем поступает в процессор фотоаппарата для последующей обработки. Каждому фотодиоду матрицы соответствует (хоть и не всегда) один пиксель будущего изображения.

Разрядность определяет количество оттенков, т.е. градаций яркости для каждого пикселя. Чем выше разрядность, тем более плавные тональные переходы способна запечатлеть камера. Большинство цифровых зеркальных камер способно сохранять 12 или 14 бит информации для каждого пикселя. 12 бит означает 2

Динамический диапазон

Под динамическим диапазоном матрицы подразумевают отношение между максимальным уровнем сигнала фотодиодов и уровнем фонового шума матрицы, т.е., по сути, – отношение между максимальной и минимальной интенсивностью света, которые матрица способна воспринять.

Чем больше фотонов способен уловить фотодиод до того, как он достигнет насыщения, тем большим динамическим диапазоном будет обладать сенсор в целом. Ёмкость фотодиодов пропорциональна их физическому размеру, а потому, при прочих равных условиях, фотоаппарат с бо́льшей матрицей, а значит, и с более крупными фотодиодами, будет обладать большим динамическим диапазоном и меньшим уровнем шума.

Кроме того, бо́льшая матрица обычно означает более высокое максимальное значение чувствительности ISO для конкретной модели фотоаппарата. Ведь повышение ISO в цифровой камере – это всего лишь усиление электрического сигнала непосредственно перед его оцифровкой. Естественно, что вместе с полезным сигналом усиливается и шум, а значит, матрица с большим отношением сигнал/шум обеспечивает более чистую картинку при высоких значениях ISO.

Формирование цветного изображения

Возможно, некоторые из читателей уже заметили, что матрица цифрового фотоаппарата в том виде, в каком она описана выше, способна воспринимать лишь чёрно-белое изображение. Совершенно верно. Фотодиод регистрирует лишь интенсивность освещения (по принципу один фотон – один электрон), но не имеет возможности определить цвет, зависящий от длины световой волны или, иначе говоря, от энергии конкретных фотонов.

Чтобы решить эту проблему, каждый из фотодиодов снабжается светофильтром красного, зелёного или синего цвета. Красный светофильтр пропускает лучи красного цвета, но задерживает синие и зелёные лучи. Аналогичным образом ведут себя зелёный и синий светофильтры, пропуская лучи только своего цвета. В результате каждый фотодиод становится восприимчив лишь к ограниченному спектру световых волн.

Цветные светофильтры, покрывающие фотодиоды, образуют узор или мозаику, называемую массивом цветных фильтров. Существует множество вариантов взаимного расположения светофильтров, но в большинстве цифровых камер используется т.н. фильтр Байера, состоящий на 25 % из красных, на 25 % из синих и на 50 % из зелёных элементов. Вдвое большее количество зелёных светофильтров используется потому, что человеческий глаз обладает повышенной чувствительностью именно к световым лучам зелёного цвета, из-за чего неточность в передаче зелёного канала на фотографии особенно заметна.

Полученное с помощью массива цветных фильтров изображение не является в полной мере цветным, ведь каждый фотодиод сообщает процессору камеры информацию лишь об одном из основных цветов: красном, зелёном или синем. Недостающая цветовая информация для каждого пикселя восстанавливается в процессе дебайеризации. Процессор фотоаппарата анализирует данные из расположенных по соседству элементов и, используя хитроумные алгоритмы интерполяции, рассчитывает значения красного, зелёного и синего цвета для каждого пикселя, получая в конечном итоге полноцветное RGB изображение.

Печально, но платой за цвет является трёхкратное снижение чувствительности матрицы, поскольку, при использовании фильтра Байера, световой поток, достигающий каждого фотодиода, ослабляется светофильтром примерно втрое. Кроме того, страдает резкость изображения. Заявленное производителем разрешение матрицы отражает её, так сказать, чёрно-белое разрешение, в то время как цветное изображение формируется посредством интерполяции соседних пикселей, что несколько размывает картинку.

Также матрицы с массивом цветных фильтров ведут себя из рук вон плохо в условиях монохромного освещения. Например, при свете натриевых ламп низкого давления полноценно работают только красные фотодиоды. Зелёные получают минимум света, а синие и вовсе не воспринимают никакой информации. В результате фотография выходит довольно зернистой даже при умеренных значениях ISO, поскольку изображение приходится восстанавливать почти исключительно на основании красных пикселей, которых на матрице всего 25 %.

Существуют альтернативные подходы к получению цветного изображения вроде трёхматричных систем 3CCD или трёхслойных фотосенсоров Foveon X3, однако и они не лишены недостатков и по распространённости значительно уступают матрицам с фильтром Байера.

Предварительная фильтрация света

Поверх фильтра Байера и микролинз сенсор накрыт дополнительным фильтром, прозрачным для видимого света, но непроницаемым для инфракрасных лучей. Необходимость в ИК фильтре продиктована высокой чувствительностью матрицы не только к видимому, но также и к инфракрасному излучению. ИК фильтр отсекает световые лучи с длиной волны свыше 700 нм и приводит диапазон частот, воспринимаемых фотосенсором, в соответствие с чувствительностью человеческого глаза.

Для съёмки же в инфракрасном диапазоне выпускаются специальные камеры без ИК фильтра.

К ультрафиолетовому излучению (с длиной волны меньше 400 нм) сенсор цифрового фотоаппарата практически не восприимчив, и потому в специальном УФ фильтре не нуждается.

Помимо фильтра, задерживающего инфракрасное излучение, фотосенсор часто снабжается ещё и т.н. оптическим фильтром нижних частот или сглаживающим фильтром, задача которого состоит в лёгком размытии изображения. Дело в том, что если снимаемый объект имеет области с мелкими деталями, размер которых сопоставим с размерами фотодиодов матрицы, то при оцифровке изображения возможно появление неестественно выглядящих артефактов вроде муара. Фильтр нижних частот сглаживает мельчайшие детали изображения, т.е. снижает частоту исходного аналогового сигнала до уровня, не превышающего частоту дискретизации. Это позволяет уменьшить риск возникновения артефактов оцифровки ценой незначительного снижения резкости конечного снимка.

Чем выше разрешение цифрового фотоаппарата, тем меньше необходимость в сглаживающем фильтре, и потому в последнее время всё чаще выпускаются модели без оного. При разрешении матрицы свыше 15-20 мегапикселей аберрации объектива и дифракция на отверстии диафрагмы обеспечивают естественное и неизбежное размытие изображения, что делает намеренное ухудшение резкости с помощью фильтра нижних частот излишним.

***

Теперь вы знаете, как работает цифровая камера, и обладаете достаточным представлением об определённых технических слабостях цифровой фотографии на настоящем этапе её развития. Само собой разумеется, что сведения эти дополняют, но ни в коем случае не заменяют глубокое и всестороннее понимание экспозиции.

Василий А.

Post scriptum

Если статья оказалась для вас полезной и познавательной, вы можете любезно поддержать проект, внеся вклад в его развитие. Если же статья вам не понравилась, но у вас есть мысли о том, как сделать её лучше, ваша критика будет принята с не меньшей благодарностью.

Не забывайте о том, что данная статья является объектом авторского права. Перепечатка и цитирование допустимы при наличии действующей ссылки на первоисточник, причём используемый текст не должен ни коим образом искажаться или модифицироваться.

Желаю удачи!

Дата публикации: 22.01.2014

Вернуться к разделу «Матчасть»

Перейти к полному списку статей

Анатомия цифровой камеры: Что у нее внутри?

Eсли вы держите в руках этот журнал, вероятно, не в ваших правилах пользоваться вещью (а уж тем более ее покупать), не зная, что у нее внутри

Panasonic Lumix FZ1 В этой камере объединились цифровые технологии Panasonic и гигантский опыт разработки оптических систем Leica Camera AG. Объектив Leica DC VarioElmarit с 12-кратным зумом позволяет поддерживать светосилу F2.8 во всем диапазоне увеличения. Неизменную четкость кадров обеспечивает встроенный оптический стабилизатор изображения. При всем при этом вес камеры — всего 318 г

Konica KD-500Z Камера Konica KD-500Z делает снимки почти профессионального качества. Секрет кроется в 5,23-мегапиксельной матрице, впервые примененной в камере такого формата. Превосходно работает и электроника камеры: «шума» нет даже в синем канале, что совершенно нетипично для камер такого класса. В общем, идеальная семейная цифровая камера

Kodak DCS 14N Профессиональная камера со CMOS-матрицей, физический размер которой соответствует кадру 35-миллиметровой пленки, насчитывает 13,89 млн пикселей. Увеличенный размер матрицы снимает необходимость пересчитывать несоответствие между полем зрения стандартных объективов, установленных на обычной и цифровой камерах. Хорошо подходит для портретной, свадебной и коммерческой фотографии

Sony DSC-U20 Миниатюрность всегда была коньком Sony. Разместив в корпусе размером с зажигалку полноценную цифровую камеру с разрешением 2 млн пикселей, японская компания мгновенно перевела фотоаппарат в разряд стильных аксессуаров — недаром алюминиевые корпуса малюток делаются разных цветов. Камера полностью автоматизирована, и поэтому съемка кадров или мини-видеофильмов превращается в одно удовольствие

Canon EOS 10D Зеркальная камера Canon EOS 10D в корпусе из прочного магниевого сплава с 6,3-мегапиксельным CMOS-сенсором и широкозонной 7-точечной автофокусировкой является пределом мечтаний продвинутого фотолюбителя. Скорость работы процессора DIGIC позволила довести число кадров в серии до 9 изображений полного формата при непрерывной съемке со скоростью 3 кадра в секунду. В камере реализовано управление балансом белого, что вкупе с прочным магниевым корпусом делает камеру неплохим выбором и для профессионалов

Nikon Coolpix SQ Цифровые камеры обязаны быть модными. В полной мере этому утверждению соответствует Nikon Coolpix SQ, возможностью трансформации напоминающий кубик Рубика. Несмотря на забавный вид, Coolpix SQ — самый настоящий Nikon. Матрица в 3,1 млн эффективных пикселей и трехкратный объектив Zoom Nikkor позволяют получать хорошие снимки в любых ситуациях

Minolta Dimage Xi Не содержащая выступающих частей Dimage Xi, сохраняя компактные размеры, обладает оптикой, эквивалентной объективу с переменным фокусным расстоянием 37−111 мм для 35-миллиметровых фотокамер. 3,2 млн эффективных пикселей позволяют делать великолепные снимки. А особо эффектные прыжки со снежных карнизов можно записать на видео — камера поддерживает 35-секундную видеозaпись

Принципиальная схема работы цифровой камеры

Главный принцип работы фотокамеры не изменился со времен ее изобретения — лучи света, отраженные от фотографируемых объектов, фокусируются объективом камеры и создают уменьшенное изображение на плоской поверхности, расположенной на небольшом расстоянии от объектива. Но если в случае традиционной камеры этой поверхностью оказывается кусок фотопленки, то в цифровой камере лучи падают на сенсор, задача которого — преобразовать поток фотонов (а им, собственно, и являются эти лучи света) в поток электронов, то есть, попросту, в электрический ток. Затем ток будет усилен, преобразован в набор битов, обработан и, наконец, записан в память камеры. Сенсор разделен на так называемые пиксели — ячейки размером в несколько микрон, каждая из которых отвечает за регистрацию одной точки изображения. Традиционно пиксели имеют форму квадрата и собраны в «строчки» и «столбцы», так что сенсор зачастую называют «матрицей».

Основным материалом для изготовления сенсора служит краеугольный камень современной цивилизации, скрывающийся внутри самых разнообразных предметов, от микросхем бытовой электроники до бюстов голливудских звезд, — кремний (он же силикон). Фотоны, падающие на поверхность сенсора, выбивают электроны с внешней орбиты атомов кремния, образуя пару «электрон — дырка». Дальнейшая судьба внезапно обретшего свободу электрона (его путь до усилителя) зависит от того, какой из двух распространенных сейчас типов сенсора (CCD или CMOS) используется в камере.

CCD

CCD (ChargeCoupled Device, он же прибор с зарядовой связью, ПЗС) в данный момент является наиболее распространенным типом сенсора. Как и конкурирующая технология (CMOS), он был разработан Bell Laboratories в конце 60-x и изначально предназначался для использования в качестве компьютерной памяти. Однако уже в начале 70-х появились первые коммерческие CCD-матрицы с разрешением, пригодным для использования в телевизионных камерах. Принцип действия CCD основан на накоплении электронов, освобожденных в результате фотоэлектрического процесса, непосредственно в пикселях матрицы (в так называемых «потенциальных ямах»), потом построчного перемещения зарядов, накопленных в этих ямах, на соседние строчки (отсюда и название технологии), а затем — и на край матрицы. Строчку, оказавшуюся с краю, аналогичным образом попиксельно сдвигают в один из углов, где заряды попадают на вход усилителя и преобразуются в электрический ток. Как же устроены «потенциальные ямы» и каким образом происходит сдвиг зарядов из ямы в яму? На поверхность кремниевой пластины сенсора наносится тончайший слой окисла кремния, служащего диэлектриком, а за ним — слой металла (электрод), на который во время «экспозиции» матрицы подается положительный потенциал. В результате в прилегающем полупроводнике возникает электрическое поле, отталкивающее дырки и притягивающее свободные электроны. Чем дольше экспонировалась матрица и чем больше фотонов попало на отдельный пиксель сенсора, тем больше электронов скапливается в потенциальной яме этого пикселя. Если на электрод соседней строки матрицы будет подан больший потенциал, заряд переместится в соседнюю, «более глубокую» потенциальную яму. Таким образом во время считывания осуществляется перенос зарядов к краю матрицы и в сторону усилителя. Усиленный сигнал попадает на вход аналогово-цифрового преобразователя (АЦП), а затем уже подвергается цифровой обработке.

CMOS

Другой набирающей популярность технологией изготовления сенсоров цифровых камер является CMOS (Complimentary Metal-Oxide-Semiconductor, или Комплиментарная Метал-Окисел-Полупроводник [схема], КМОП). В отличие от CCD, CMOS выполняет преобразование заряда в напряжение (то есть усиление) непосредственно в самом пикселе, а затем обеспечивает прямой доступ к содержимому произвольного пикселя аналогично тому, как это происходит в памяти компьютера. Произвольный доступ к элементам изображения позволяет увеличить скорость камеры при предварительном считывании, а за счет использования для изготовления сенсора технологии, широко применяемой при производстве многих цифровых микросхем, CMOSсенсоры могут быть интегрированы с другими компонентами цифровой камеры — АЦП и даже процессором, выполняющим обработку изображения. К преимуществам CMOS можно отнести значительно более скромное энергопотребление, а также компактность и дешевизну всей конструкции камеры, ведь усилитель и АЦП как отдельные компоненты уже не нужны. Однако до недавнего времени CMOS использовался только в самых дешевых камерах, поскольку он не мог соперничать с CCD по качеству изображения: за счет того, что каждый пиксель пользуется собственным усилителем, в результирующей картинке был заметен изрядный разнобой. Да и с чувствительностью матрицы возникали проблемы, ведь за счет обилия электроники на матрице оставалось не так уж и много места для собственно светочувствительных элементов. Однако возросшее качество производства кремниевых пластин, улучшенная схема усилителя и продвинутые технологии подавления шумов нынче позволяют CMOS-сенсорам вполне успешно конкурировать по качеству с CCD. Так что даже Canon несколько лет назад отважился выпускать цифровые «зеркалки» профессионального уровня (D-30, а ныне D-60 и D-10) на базе CMOS-сенсоров.

Как легко представить, чем больше расстояние от центра кадра, тем меньше угол, под которым лучи света падают на поверхность сенсора, а под прямым углом лучи попадают на сенсор лишь в центре кадра. Обычная фотопленка не особенно чувствительна к углу падения света, а вот в случае сенсора это критично. Так что производителям некоторых матриц и здесь приходится идти на изрядные ухищрения, располагая над каждым из пикселей микроскопическую линзочку, фокусирующую луч света в нужное место и под правильным углом.

Появляется цвет

Любой из описанных выше сенсоров сам по себе — устройство монохромное. Для того чтобы сделать матрицу чувствительной к цвету, на поверхность пикселей наносятся миниатюрные светофильтры из «основных» цветов. Наиболее распространен шаблон Байера, в котором расставленные в шахматном порядке зеленые пиксели чередуются с синими и красными (см. рис.). То, что зеленых пикселей в два раза больше каждого из остальных двух цветов, объясняется повышенной чувствительностью человеческого глаза к зеленому цвету, а также тем фактом, что зеленый наиболее существенно влияет на субъективную резкость картинки. Таким образом, в 3мегапиксельной камере матрица насчитывает 1,5 млн зеленых пикселей и по 750 тыс. синих и красных. Как же камере удается обеспечить на выходе картинку, в которой 3 млн полноцветных пикселей? Процессор камеры использует интерполяцию, для того чтобы по интенсивности соседних пикселей другого цвета вычислить недостающую цветовую информацию для каждой точки картинки.

Некоторые камеры в состоянии выдавать картинки с разрешением, превышающим реальное разрешение сенсора. Откуда берутся лишние пиксели, вы, наверное, уже начали догадываться. Как и в случае с цветами, они получаются в результате интерполяции. Многие не без оснований полагают, что такой подход увеличивает не качество картинки, а размер файла. Ведь дополнительной информации от этого не появляется, а увеличить количество пикселей в картинке вы можете и сами, вашим любимым графическим редактором.

Еще одна занятная неоднозначность, которую вы часто можете заметить в технических характеристиках камеры, — это небольшое расхождение между «номинальным» и «рабочим» количеством пикселей сенсора. Как правило, разница не превышает 5%, так что едва ли существенна на практике, но зачастую не дает покоя любопытству. Причин тому, что не все пиксели матрицы оказываются рабочими, несколько. Во‑первых, при изготовлении сенсора неизбежны микроскопические дефекты. Кроме этого, часть пространства матрицы камера использует для служебных целей — к примеру, для определения величины «темных токов».

Все не так просто

Принято считать, что качество картинки «цифровика» прежде всего зависит от количества пикселей на сенсоре. Именно этот параметр изготовитель гордо пишет на лицевой панели камеры, да и в разного рода обзорах и сравнениях эту цифру считают определяющей класс камеры. Отчасти такое мнение оправдано, ведь чем на большее количество пикселей разбит кадр, тем больше деталей он передает и тем более резко смотрится снимок. Однако просто «нарезать» сенсор на большее количество пикселей — это отнюдь не решение проблемы качества, ведь при одном и том же размере матрицы чем больше на ней пикселей, тем меньше каждый из них. А с уменьшением размера пикселя падает и его чувствительность, так как и света на него попадает меньше. Таким образом, сигнал придется еще больше усиливать, а при усилении вместе с полезным сигналом усилятся и вредные шумы, возникающие в матрице по многочисленным причинам, — это и так называемые «темные токи», то есть заряд, снимаемый с матрицы даже при отсутствии освещения, и тепловые помехи от греющихся во время работы камеры микросхем, и электроны, залетевшие на соседний пиксель во время экспозиции или «заблудившиеся» при считывании. Поэтому одним из наиболее существенных формальных показателей, определяющих качество цифровой камеры, является динамический диапазон, выражающийся в децибелах и подсчитывающийся как 20 х log10 х (максимальный уровень сигнала / уровень шумов). Определенные выводы можно сделать и из размера матрицы. К примеру, качество снимков уже упомянутого 3-мегапиксельного Canon D-30 заметно превосходит многие современные 5-мегапиксельные мыльницы, и это несмотря на CMOS-сенсор! (Справедливости ради надо отметить, что D-30 и стоит недешево.)

Мозг

Обсудив столь подробно «сердце» камеры, ее сенсор, давайте теперь перейдем к «мозгу», то есть к процессору. Его роль сводится к тому, чтобы сделать из информации об интенсивности отдельных пикселей, выходящей из аналогово-цифрового преобразователя, красивую картинку. Прежде всего, для этого необходимо восстановить информацию о цвете и, в некоторых случаях, повысить разрешение картинки за счет интерполяции. Дальнейшая обработка может включать коррекцию баланса белого, яркости и контраста, а также различные визуальные эффекты — к примеру, тонирование изображения или даже исправление дефектов оптики за счет программного увеличения резкости. Завершающей стадией обработки является сжатие картинки — разумеется, для того, чтобы в память камеры помещалось больше снимков. От быстродействия процессора камеры и объема буферной памяти напрямую зависит «скорострельность» камеры, то есть то, насколько быстро вы можете снять серию снимков и сколько кадров камера успеет снять перед тем, как крепко задумается.

Пиксель за пиксель

Как уже упоминалось, считается, что количество мегапикселей в камере определяет ее класс, а вслед за ним и ценовую категорию. Поэтому при покупке вы, возможно, озадачитесь вопросом: «А сколько мегапикселей нужно для счастья?». Ответ на этот вопрос, безусловно, зависит от того, что вы собираетесь делать со снимками. Если ваша задача — просто выложить их на веб или послать друзьям по email, вам, скорее всего, подойдет даже мегапиксельная камера. На мониторе все равно много не разглядишь, да и миллион пикселей — это примерно столько, сколько обычно помещается на экране компьютера. Однако привычный процесс рассматривания бумажных фотографий обладает какой-то особенной притягательностью, так что не все готовы променять его на кликанье мышкой в браузере. И, скорее всего, рано или поздно вы пожелаете придать осязаемую форму своим цифровым творениям. Приличное качество печати подразумевает разрешение 300 точек на дюйм, так что для обычных отпечатков 10×15 потребуется изображение размером уже почти 1800×1200, то есть примерно 2 мегапикселя. А если учесть возможность скадрировать снимок и разные погрешности при последующей компьютерной обработке, то 3 мегапикселя кажутся более уместными. Если же вас греют мысли о возможности повесить на стену отпечаток большого формата, то вам в пору призадуматься о покупке камеры с большим разрешением, а вместе с этим, и о том, окупят ли удобства цифровой обработки разницу в цене между приличным «цифровиком» и хорошей пленочной камерой.

Объектив

С увеличением качества сенсора и приближением его разрешающей способности к пленке наиболее важным для получения хорошей фотографии компонентом камеры становится объектив. К счастью, относительно высокая цена «цифровиков» позволяет большинству изготовителей не экономить на оптике. К тому же, формат кадра у цифрового фотоаппарата обычно значительно меньше, чем у пленочного, так что и оптика требуется более скромных размеров, а значит, и более дешевая. Поэтому компактным цифровым камерам зачастую достаются объективы с приличным качеством и хорошей светосилой. Многие именитые изготовители электроники, не имеющие собственного опыта разработки объективов, выпускают «цифровики» с оптикой известных фирм. К примеру, Panasonic ставит объективы от Leica, Sony — от Сarl Zeiss, Fuji — от Nikon, а Casio — от Canon. Одним из основных параметров объектива является фокусное расстояние: от него зависит угол зрения и увеличение объектива. С легкой руки фирмы Leitz, вот уже более чем полвека большинство фотографов снимают на 35-миллиметровые камеры и давно уже привыкли к фокусным расстояниям объективов, рассчитанных на формат кадра 24×35. Так, объективы с фокусным расстоянием 50 мм имеют угол зрения как у человеческого глаза. 28−35 мм — классические широкоугольные объективы, удобные для съемки пейзажей, а также устанавливаемые на большинство «мыльниц». 85−135 мм — длиннофокусные объективы, наиболее подходящие для портретов. 300−500 мм — телевики, обычно используемые для удаленной съемки футбола, диких животных и важных персон. Как уже упоминалось, формат кадра цифровых камер значительно меньше, поэтому и фокусные расстояния там фигурируют совсем другие. Но чтобы не создавать путаницы, изготовители часто указывают аналог фокусного расстояния для 35-миллиметрового кадра. Например, настоящее фокусное расстояние зума у Minolta Dimage 7 — от 7,2 до 50,8 мм, а аналогичный объектив для 35 мм имел бы фокусное расстояние от 28 до 200 мм (то есть, по сравнению со стандартным объективом 50 мм, он обеспечивает четырехкратное увеличение и почти двукратное уменьшение изображения). Многие изготовители встраивают в камеру функцию «цифрового зума» — попросту, возможность взять кусок изображения из центра матрицы и «растянуть» его до размера всего кадра в процессе цифровой обработки. Как и в случае интерполяционного увеличения разрешения камеры, практическая полезность такой функциональности весьма невелика, ведь любой графический редактор справится с этим ничуть не хуже камеры. Профессиональные цифровые камеры допускают установку сменных объективов со своих пленочных аналогов. Однако сенсоры с размером полноценного пленочного кадра (24×35 мм) появились лишь недавно, да и стоят ощутимо дорого даже для профессиональной техники. До недавнего времени в большинство зеркалок устанавливали матрицы размером 15×22 мм, так что фокусное расстояние обычных объективов автоматически увеличивалось в 1,6 раза. Что, с одной стороны, даже неплохо, потому как делало более доступными дальнобойные телевики, но, с другой стороны, практически лишало фотографов «сверхширокоугольных» объективов.

Пленка не сдается

Несмотря на многочисленные плюсы цифровой фотографии, пленка все еще не окончательно сдала свои позиции. Скорострельность и время реакции на спуск затвора даже у профессиональных цифровых камер не могут сравняться с многими пленочными моделями любительского уровня. В некоторых условиях старые механические камеры оказываются единственным решением, так как не требуют зарядки. А если вы едете в путешествие с цифровой камерой, вам придется подумать не только о том, где и от чего ее заряжать, но и о ноутбуке или хорошем запасе недешевых цифровых носителей, чтобы было где складировать отснятые кадры. Если вы продвинутый фотолюбитель, то цифровая техника обеспечивает для вас далеко не лучшее отношение «цена — качество». Покупая даже хорошую цифровую камеру (около $1000), вы вынуждены довольствоваться несменным объективом и серьезными неудобствами ручной фокусировки. В то время как за те же деньги могли бы купить весьма серьезную пленочную «зеркалку» с парой неплохих объективов.

И все же рано или поздно «цифра» победит — победят оперативность получения снимков, отсутствие затрат на пленку и неудобств, связанных с ее проявкой, компактность и надежность камеры (ведь можно обойтись без механического затвора и прыгающего зеркала). А главное — победит возможность обрабатывать и печатать свои снимки самому, без всех неудобств, связанных с фотохимическим процессом, и не прибегая для этого к помощи «минилабов».

Устройство и принцип работы видеокамеры, как правильно снимать и скидывать видео на компьютер

Видеокамера – это востребованная техника, ассортимент которой на полке магазина может привести в замешательство. В настоящее время снимать видео может любое цифровое устройство – смартфон, фотоаппарат или планшет. Несмотря на это, ни один из видов перечисленной выше техники не сделает это так же качественно, как специально предназначенная для этого камера. Ниже будет рассмотрен принцип работы видеокамеры, ее устройство, а также приведены советы по съемке и эксплуатации.

Устройство и принцип работы видеокамеры

Цифровая видеокамера – это сложное устройство, которое состоит из нескольких важных элементов. К ним относятся:

• объектив;
• микрофон;
• процессор;
• светочувствительный сенсор;
• видоискатель или дисплей для его замены;
• аккумулятор;
• запоминающее устройство.

Принцип работы видеокамеры

В некоторых моделях также присутствует оптический стабилизатор, который устраняет дрожание картинки при съемке видео во время движения или на весу.

В целом устройство видеокамеры не сильно отличается от строения цифрового фотоаппарата, и принцип работы здесь в некоторой степени аналогичный. Изображение, которое пользователь видит на экране или в видоискателе, проходит через объектив и диафрагму в виде света и улавливается специальным светочувствительным сенсором. Сигнал передается от матрицы (сенсора) в процессор, который преобразует его в изображение и выводит на экран, а также сразу записывает на носитель.

Все камеры можно разделить на несколько видов:

• любительские;
• полупрофессиональные;
• профессиональные.

В зависимости от  типа видеокамеры, ее конструкция может незначительно меняться.

Любительские модели

Любительские – недорогие камеры с небольшими размерами. Они имеют небольшое количество настроек, слабый микрофон, а в качестве носителя информации чаще всего выступает SD карта. Такие камеры обычно не имеют оптической стабилизации и обладают плохой способностью снимать в темноте. Долгое время основным размером изображения, которое могли снимать такие устройства, являлся формат 720*576 точек на дюйм. В настоящее время даже любительские видеокамеры работают в FullHD или HD формате.

Полупрофессиональные камеры

Подобные модели имеют более внушительный вес и размеры. Здесь стоит минимум три матрицы с большим размером 1/4″, что дает лучшую цветопередачу и детализацию. В полупрофессиональных моделях стоят более мощные микрофоны, и есть оптическая стабилизация. Кроме того, меню настроек значительно шире. Запись видео также осуществляется на карту памяти.

Профессиональная техника

Профессиональные – серьезные модели с большим количеством настроек. Такие камеры весят от 4 до 15 кг, и их невозможно держать одной рукой. В устройстве подобной камеры три матрицы размером не менее 1/2”. Оптика всегда сменная, микрофон выносной и часто направленный. Запись осуществляется на жесткий диск, реже на карту памяти. Есть оптическая стабилизация. В подобных устройствах нет дисплеев, но всегда присутствует видоискатель.

Советы по съемке для новичков

Очевидно, что на качество видео, которое способна сделать камера, напрямую влияют ее характеристики. Однако не менее важно правильно снимать на видеокамеру, ведь даже самое профессиональное устройство с отличными характеристиками не даст хорошего результата при ошибках во время съемки. Ниже приведены советы по эксплуатации устройства, которые в первую очередь предназначены для новичков. С их помощью можно освоить азы видеосъемки, а в дальнейшем вывести это умение на уровень профессионала или как минимум уверенного пользователя.

Съемка на весу

Самая распространенная проблема при видеосъемке – это дрожание устройства и рывки изображения. Они возникают, когда пользователь держит камеру на весу. Логичным будет вывод, что устранить проблему можно путем использования штатива, но так же очевидно, что это существенно ограничивает возможность для перемещения. Следует запомнить ряд полезных советов, которые позволят получить качественное изображение, даже если съемка ведется с рук.

1. Не стоит держать камеру на вытянутой руке.
2. Для съемки нужно использовать обе руки: одна держит устройство, вторая подпирает первую руку.
3. При съемке с рук удобно прижать локти к телу или упереться ими в живот.
4. По возможности следует использовать и другие опоры – перила, стол, спинку стула.
5. Следует как можно меньше ходить с камерой в руках или же освоить мягкую походку профессионального оператора, которая напоминает движение кошки – плавно и без резких движений.

Трансфокатор

Использование зума – это любимое занятие начинающих операторов. Обычно пользователи приближают изображение по делу и без него. Результат – смазанное изображение, резкие наезды, дрожание. Использование зума в камере всегда влияет на картинку: чем сильнее приближено изображение, тем менее четким оно получится.

Совет! Если есть необходимость сделать наезд, то он должен быть плавным, не слишком близким и всегда ограничен лишь оптическим зумом. Цифровое приближение существенно портит картинку, так как достигается не оптикой (то есть с помощью законов физики), а осуществляется процессором.

Движение камеры

Редко случаются ситуации, когда снимать нужно один объект. Чаще всего оператор снимает какое-то действо, а значит, камеру приходится перемещать. Делать это следует плавно, без рывков и строго соблюдать вертикаль и горизонталь. Для того чтобы изображение на видео не заваливалось, при съемке нужно выбрать ровные горизонтальные и вертикальные линии, которые могут стать своеобразными уровнями. Это может быть столб, угол дома и другие прямые предметы. При движении следует строго следить за тем, что отображается в видоискателе или на экране — это позволяет избежать потери картинки. При съемке панорамы в конце и начале видео рекомендуется сделать небольшие паузы, сама съемка не должна длиться более 8 секунд и двигаться следует очень плавно.

Совет! Если нужно резко изменить объект камеры, то здесь, наоборот, лучше просто резко сдвинуть камеру, чем ставить ее на паузу. Это помогает сэкономить время, а рывок можно удалить во время монтажа.

Длинный кадр

Под длинным кадром понимается непрерывная съемка одного объекта на протяжении длительного времени. В киноделе сверхдлинным кадром считается 12 секунд на одном объекте. Как показывает практика, смотреть на это скучно и неинтересно. Гораздо лучше воспринимаются кадры длительностью не более 5 секунд. Если пользователь не является гениальным и признанным режиссером, а длительный кадр – не «фишка» оператора, то злоупотреблять им не стоит, а в идеале лучше вообще забыть. При съемке рекомендуется обращать внимание на детали, менять планы, ракурсы. Все это позволяет во время монтажа отобрать материал, который лучше всего подойдет для задумки фильма или ролика. Правилом пяти секунд пользуются повсеместно – от съемки рекламы и программы новостей до производства высокобюджетных фильмов.

Свет

При съемке в помещении с искусственным освещением очень важно настроить баланс белого на камере, в противном случае лица и кожа людей будут иметь синеватый или желтый оттенок. Для того чтобы избежать падения тени одного человека на другого, следует использовать несколько источников света. Не рекомендуется резкий переход из освещенного места в темноту и наоборот. Камера просто не успевает отреагировать на изменения, кадр будет испорчен.

Еще немного полезных рекомендаций

Детей и животных не следует снимать с высоты роста оператора, это выглядит не очень красиво. Лучше для такой съемки присесть или положить камеру на стул. Еще одна распространенная проблема начинающих операторов – использование паузы. Достаточно часто пользователи думают, что сняли камеру с паузы и снимают, а потом видят, что устройство в этот момент бездействовало. Чтобы избежать таких ошибок, нужно смотреть на индикацию записи или паузы.

Закон о видеосъемке в общественных местах

Неопытные операторы иногда сталкиваются с ситуацией, когда им пытаются запретить съемку того или иного объекта. Насколько обоснованы такие запреты, помогут понять нормативные документы и прописанные в них регламенты. В настоящее время существует 3 документа, которые касаются разрешения или запретов на видеосъемку в общественных и прочих местах:

• Конституция РФ;
• федеральный закон «Об информации, информационных технологиях и защите информации»;
• закон о защите прав потребителей.

Итак, снимать на видеокамеру по закону можно в любом общественном месте, и каких-либо ограничений здесь нет.

29 статья основного закона разрешает искать информацию свободно и без каких-либо ограничений, ее можно получить и передавать, а также распространять, но только законными методами. По сути, в законах не прописывается ни одного общественного места, которое может быть запрещено для съемки. Некоторые ограничения относятся к объектам, находящимся во владении РЖД, но и здесь ограничения устанавливаются непосредственно организацией, но не законами. При большом желании их можно обжаловать. Закон разрешает снимать должностных лиц при исполнении.

В статье 152 ГК РФ регламентируется охрана изображения личности, однако, и она не запрещает снимать людей. Проблемы могут возникнуть при попытках опубликовать видео с конкретным человеком без его согласия. Однако и здесь закон защищает право на съемку и публикацию конкретной личности. Формулировка «неприкосновенность частной жизни» теряет свою силу по причине того, что съемка ведется в общественном месте, где никакой тайны личной жизни быть в принципе не может.

Важно! В данном законе есть небольшое ограничение: если видеозапись конкретного человека предполагает ее использование в коммерческих целях, то необходимо письменное согласие объекта съемки.

Достаточно часто можно встретит запреты на съемку в концертных залах, музеях и в других местах связанных с произведениями культуры и защищенными авторским правом. Закон гласит, что такая съемка возможна при условии, что данные материалы будут использованы только в личных целях, которые не предполагают коммерческую деятельность, то есть получение прибыли. Кроме того, не запрещено снимать что-либо на фоне картин или других предметов искусства.

Совершенно законно можно снимать видео в следующих случаях:

• создание материала направленного на благо государства;
• использование видео как сюжет для новостей на ТВ;
• личность попала в кадр случайно и не является главным действующим лицом;
• изображение получено на массовом мероприятии;
• съемка сотрудников государственной безопасности при исполнении.

Важно! Запрет действует на съемку в зданиях суда и исполнительных заведениях, на заседаниях Государственной думы, на военных и стратегических объектах, на таможне в пределах 5 км от границы.

В настоящее время не существует  наказания за съемку в общественном месте, однако, если видео каким-либо образом порочит или оскорбляет честь человека, то оно может быть изъято из общего доступа. Автор может быть привлечен к ответственности при условии, что объект съемки сможет доказать намеренную съемку с целью опорочить.

Как переместить видео на компьютер

Захват видео – это процесс переноса видеоматериала с камеры на компьютер. Данный термин не совсем точно передает суть процесса, так как передача осуществляется без каких либо изменений данных.

Многие пользователи не подозревают, что перенести данные с камеры на компьютер немного сложнее, чем фотографии: здесь не используется обычный usb-кабель и соответствующие разъемы, а требуется специальный контроллер IEEE-1394. Если по каким-то причинам его нет в ПК, то его можно приобрести отдельно в виде платы или же внешнего разъема.

Контроллер IEEE-1394 имеет несколько названий – FireWire или i-link. Данное устройство является высокоскоростной последовательной шиной для обмена информацией в цифровом виде между различными устройствами. Самое распространенное использование – запись с видеокамеры на компьютер.

Итак, для того чтобы скинуть видео с видеокамеры на компьютер, необходимо придерживаться следующего алгоритма действий.

1. Подключить устройства с помощью специального кабеля, который чаще всего поставляется в комплекте с камерой. Этот кабель имеет штекеры разного размера с каждой из сторон. Большой штекер втыкается в материнскую плату через разъем 1394, маленький – в камеру. В некоторых случаях может быть наоборот, поэтому следует смотреть на конкретное устройство.
2. Видеокамеру после подключения необходимо включить и нажать на Play.
3. Далее весь процесс управления осуществляется с компьютера.

Совет! Если камера не подключается, то следует изъять кабель и выключить камеру, а после попробовать повторить процесс. При этом включать камеру следует уже после ее подключения к ПК.

Устанавливать драйвера для этого разъема или камеры не нужно: начиная от Windows XP, система сама определяет подключенное устройство. Для работы понадобятся специальные программы для захвата видео с видеокамеры. Как правило, каждый бренд прилагает в комплект к устройству диск с соответствующей программой, но многие предпочитают устанавливать сторонние бесплатные утилиты. Они имеют лучший и расширенный вариант функций по сравнению с родным софтом от производителя камеры.

Важный момент, который следует знать о видеозахвате – он идет в режиме реального времени, то есть длится ровно столько, сколько времени идет сама запись. Осуществлять процесс нужно при условии достаточного времени на это мероприятие, а также не будет лишним позаботиться о нужном количестве свободной памяти на ПК. Современные камеры пишут видео в очень хорошем качестве, поэтому размер файла может достигать десятков гигабайт.

Популярные программы для видеозахвата

В настоящее время существует множество программ для видеозахвата. По мнению многих лучшими в своем роде являются платные утилиты Pinnacle Studio и Adobe Premiere, однако, многие пользователи и особенно любители предпочитают постигать основы работы с видео с использованием бесплатного ПО. Ниже представлен краткий обзор самых популярных бесплатных программ для захвата и обработки видео.

ScenalyzerLive

Условно бесплатная программа, которая на первый взгляд может смутить очень простым дизайном. Утилита максимально проста с точки зрения использования, но обладает внушительным функционалом. С ее помощью можно:

• по отдельности копировать с камеры аудио и видеодорожку;
• захватывать видео с заданной частотой кадров;
• сразу разбивать запись на ролики по несколько минут;
• компилировать данные по тайм-коду, то есть включению и выключению камеры или же по смене картинки.

Немаловажное достоинство программы – она грамотно раскладывает материал таким образом, что его легко обрабатывать, например, вырезать ненужные сцены или наоборот склеивать несколько роликов в один. ScenalyzerLive позволяет делать монтаж видео без дополнительных программ, то есть уже в процессе захвата.

Стоит отметить, что программа распространяется платно, но никто не мешает пользоваться пробной версией. Единственный недостаток этого вариант – в углу постоянно появляется значок с напоминанием о покупке. Кроме того, на сайте создателя можно найти более старые версии софта, полностью бесплатные. Функционал у них будет несколько урезан, но основную задачу они выполнят не хуже самой последней версии.

Exsate DV Capture Live

Полностью бесплатное приложение. Его особенностью является возможностью сразу сжимать видео в определенный формат (их выбор весьма велик). Управление софтом осуществляется по принципу «шаг за шагом», то есть буквально каждое действие пользователя сопровождается выбором установки: куда сохранить, какой формат выбрать для данных, с каким интервалом «нарезать» видео. Это существенно упрощает процесс работы и знакомство с программой. Немаловажный полезный момент – возможность нанести на запись дату и время видеозахвата.

WinDV

Бесплатная и самая маленькая утилита с точки зрения места, которое она занимает на ПК. Данное приложение даже не требует установки. Здесь нет широкого функционала, и софт выполняет лишь главную задачу – захватывает видео.

Совет! Программа подойдет тем, кто планирует в более профессиональных программах заниматься монтажом и обработкой файлов. Также она незаменима в том случае, когда требуется быстро скинуть видео по причине того, что камера чужая, и ее необходимо отдать.

Благодаря простоте WinDV не требует от ПК мощных характеристик и работает даже с очень старыми устройствами. При всей своей простоте утилита умеет распознавать тайм-код и самостоятельно разбивает видео по полученным из него данным.

Заключение

Захват данных с видеокамеры не является очень сложной задачей и будет под силу даже начинающим пользователям. При этом стоит помнить, что если по какой-то причине видеозахват не удался, и камера при этом осуществляет запись на карту памяти, то сбросить видео можно путем простого подключения самого носителя информации к ПК. В таком случае необходимо просто открыть на ноутбуке карту памяти и скопировать из нее нужные видеофайлы. Также следует знать, что в данном случае система получает данные в исходном виде, и какая-либо обработка возможна только с использованием специального софта для монтажа.

Принцип работы видеокамеры

Принцип работы видеокамеры: описание, устройство, характеристики

Базовая конструкция

Обычная аналоговая видеокамера состоит из двух основных частей:

• секции, включающей ПЗС-матрицу, объектив и двигатели управления зумом, фокусировкой и диафрагмой;
• уменьшенного в размерах видеомагнитофона.

Принцип работы видеокамеры заключается в том, что она получает визуальную информацию и превращает ее в электронный сигнал. 

Третий компонент, видоискатель, тоже получает видеоизображение, поэтому пользователь может видеть, что снимает. Это маленький черно-белый или цветной дисплей, но многие современные модели дополнительно оборудуются большими полноцветными ЖК-экранами. 

Устройство и принцип работы цифровых видеокамер сходны с аналоговыми, но у них есть дополнительный элемент, преобразовывающий информацию в байты данных. Вместо записи видеосигнала как непрерывной последовательности магнитных импульсов, он сохраняется как нули и единицы. Цифровые видеокамеры популярны, поскольку позволяют легко копировать видео без потери какой-либо информации. Аналоговая же запись «исчезает» с каждой копией – исходный сигнал не воспроизводится точно. Видеоинформация в цифровой форме может быть загружена на компьютер, где ее можно редактировать, копировать, отправлять по электронной почте и т. д.

Сенсор изображения

Он регистрирует свет с помощью матрицы из миллионов крошечных фотодиодов. Каждый из них измеряет количество фотонов, которое попадает в определенную точку, и переводит эту информацию в электроны (электрические заряды): более яркое изображение представлено более высоким зарядом, а более темное – низким.

Конечно, измерение светового потока дает только черно-белое изображение. Чтобы получить цветное, необходимо определить не только общий уровень освещенности, но также уровни для каждого цвета. Полный спектр можно воссоздать, комбинируя всего 3 из них – красный, зеленый и синий. Поэтому принцип работы видеокамер основан на использовании только этих цветов.

В некоторых моделях сигнал разделяется на 3 варианта одного и того же изображения для уровней красного, зеленого и синего света. Каждый из них захватывается собственным чипом. Затем они складываются, и основные цвета смешиваются для получения полноцветного изображения.

Этот простой метод позволяет получить насыщенное видео с высоким разрешением.

Формирование сигнала

Сенсоры имеют дополнительные фрагменты, которых нет в датчиках цифровых камер. Для создания видеосигнала они должны ежесекундно делать множество снимков, которые затем объединяются, создавая впечатление перемещения.

Для этого видеокамера захватывает кадр и чересстрочно записывает его. За датчиком изображения находится другой сенсорный слой. Для каждого поля видеозаряды переходят на него, а затем последовательно передаются. В аналоговой видеокамере этот сигнал поступает на видеомагнитофон, который его записывает (вместе с информацией о цвете) на видеопленке в виде магнитных импульсов. Пока второй слой передает данные, первый захватывает очередное изображение.

Принцип работы видеокамеры цифрового типа в основном такой же, за исключением того, что на последнем этапе аналого-цифровой преобразователь превращает сигнал в байты данных.

Камера записывает их на носитель, который может быть магнитной лентой, жестким диском, DVD или флеш-памятью.

Цифровые модели с чересстрочной разверткой сохраняют каждый кадр в виде двух полей так же, как и аналоговые.

Камеры с прогрессивной разверткой записывают видео покадрово.

Объектив

Принцип работы объектива видеокамеры заключается в следующем. Чтобы камера могла записать четкую картину объекта перед ней, необходимо сфокусировать оптику, то есть переместить ее так, чтобы лучи, исходящие от объекта съемки, попадали точно на сенсор. Подобно фотоаппаратам, видеокамеры позволяют перемещать объектив, чтобы фокусировать свет.

Автофокусировка

На всех видеокамерах есть устройство автоматической фокусировки. Обычно это инфракрасный луч, который отражается от объектов в центре кадра и возвращается к датчику камеры.

Чтобы определить расстояние до объекта, процессор вычисляет, сколько времени требуется, чтобы луч отразился и вернулся, умножает это значение на скорость света и делит произведение на два (потому что он прошел расстояние дважды – к объекту и назад). В видеокамере есть небольшой двигатель, который перемещает оптику, фокусируя ее на вычисленное расстояние. Обычно это работает достаточно хорошо, но иногда приходится дистанцию определять заново – например, когда требуется сфокусироваться на чем-то не в центре кадра, поскольку автофокус реагирует на то, что находится прямо перед объективом.

Оптический и цифровой зум

Видеокамеры также оснащены зум-объективом. Благодаря этому можно приблизить сцену, увеличив фокусное расстояние (между оптикой и пленкой или сенсором). Объектив с оптическим зумом представляет собой единый блок, который позволяет переходить от одного увеличения к другому.

Диапазон масштабирования говорит о максимальном и минимальном увеличении.

Чтобы зум было проще использовать, большинство видеокамер оборудовано двигателем, который перемещает оптику в ответ на нажатие кнопки на ручке.

Одно из преимуществ — можно легко управлять увеличением, не используя вторую руку. Кроме того, мотор перемещает объектив с постоянной скоростью, и масштабирование получается более плавным. Однако двигатель истощает заряд батареи.

Некоторые видеокамеры имеют т. н. цифровой зум. Пользователи не советуют его использовать, поскольку он вообще не связан с объективом, а просто увеличивает часть снимка, захваченного сенсором. При этом приносится в жертву разрешение, т. к. используется только часть площади датчика. В итоге видео получается менее четким.

Экспозиция

Одной из замечательных особенностей камеры является автоматическая подстройка к разным уровням освещенности. Сенсор очень чувствителен к пере- или недоэкспонированию, поскольку диапазон сигналов, поступающих от каждого фотодиода, ограничен.

Видеокамера контролирует их уровень и регулирует диафрагму, уменьшая или увеличивая поток света через линзы.

Процессор постоянно поддерживает хороший контраст, чтобы изображения не выглядели слишком темными или размытыми.

Источники:

Понравилась статья? Расскажите друзьям: Оцените статью, для нас это очень важно:

Проголосовавших: 1 чел.
Средний рейтинг: 5 из 5.

Устройство фотокамеры и принцип работы. Устройство фотоаппарата. Пленочные и цифровые фотокамеры

Основными элементами каждого цифрового фотоаппарата являются матрица, объектив, затвор, видоискатель, процессор. Также широко используются дополнительные устройства (например, карты памяти и разъемы для подключения аудио- или видеооборудования).

Матрица является главным активным элементом любой фото- или видеотехники. От характеристик матрицы зависит качество изображения. Само устройство представляет собой небольшую пластинку, состоящей из светочувствительных датчиков, сгруппированных определенным образом. Чаще всего элементы составляются в отдельные строчки и столбцы. Всего на сегодняшний день популярны два типа матриц: CMOS и CCD. Первая разновидность значительно дешевле, но вторая обеспечивает лучшее качество снимков.

Объектив современных камер мало чем отличается от объектива устройств прошлого и имеют общий принцип функционирования, однако чаще всего новые изделия имеют меньшие размеры. Другой важной частью системы является затвор, который выполняет функцию фиксирования кадра для записи его на носитель информации.

В современных камерах используется электронный затвор, однако в более дорогих аппаратах применяется и механический.

Процессор обрабатывает результат работы затвора, а также позволяет осуществлять управление объективом и другими функциями камеры. При наличии экрана процессор занимается построением и выводом изображения. При помощи дополнительного реализуются возможности обработки кадров, записи информации и ее отображения.

Работа составляющих во время снимка

До нажатия затвора в зеркальных фотоаппаратах особым образом располагается специальное зеркало, через которое свет попадает на видоискатель. В незеркальных фотоаппаратах свет, попадающий в объектив, перенаправляется к матрице, а на экране выводится изображение, которое было создано после обработки полученных платой данных.

При помощи органов управления (кнопок) пользователь выбирает нужные настройки и производит конфигурацию аппарата. Затем фотограф должен нажать на кнопку и опустить ее в первое положение, чтобы привести затвор в действие. Это позволит применить все параметры съемки и дать возможность полной подстройки матрицы под условия снимка.

Современные аппараты записывают изображение во время произведения пользователем второго снимка, поскольку процедура записи может занимать для устройства довольно длительное время.

После полного нажатия на кнопку затвора производится фиксация кадра. При этом созданный рисунок передается в буфер обмена фотоаппарата, через который изображение обрабатывается процессором с учетом произведенных пользователем настроек. Полученные данные сжимаются в графический формат и записываются на флеш-карту, откуда они могут быть воспроизведены, изменены или удалены.

Что нужно знать о фотоаппарате для того, чтобы меньше совершать ошибок и чаще радоваться результатам или ключевой вопрос прогресса и его влияние на рост профессионального мастерства.

Еще несколько лет назад профессионалы снисходительно улыбались, слыша разговоры о цифровых фотокамерах. Сейчас всё изменилось, и цифровые зеркальные фотоаппараты перестали вызывать удивление и насмешки в профессиональных кругах. Буквально взрывной рост «цифровизации» фототехники затормозился, приблизившись к границе технологических и физических возможностей. Что еще важнее — возможности цифровой техники приблизились к границе разумных потребностей фотолюбителя. Функциональные и качественные характеристики цифровых фотокамер разных производителей сблизились вплотную и, наконец, цены стабилизировались в приемлемом потребительском коридоре. Что особенно важно, качество изображения формируемого профессиональными и некоторыми любительскими цифровыми аппаратами не уступает, а во многих случаях и превосходит плёночное. Да, плёнка жива и, возможно, будет жить еще долго, но прогресс остановить невозможно. Согласитесь, побеждает та технология, которая удобнее и дешевле. Поэтому, изучая фотоаппарат как основной инструмент фотографа, мы будем говорить, прежде всего, о цифровых фотокамерах. Каким фотоаппаратом снимать — плёночным, или цифровым каждый решает сам? Какую модель выбрать, с какими характеристиками, какого производителя тоже дело вкуса и личных предпочтений? Для эффективного обучения мастерству фотографии несущественно фотокамерой какого производителя вы пользуетесь.

Но! Хочу обратить ваше внимание, уважаемые коллеги — намного удобнее и дешевле обучаться, имея цифровой фотоаппарат, и уж совсем жизненно необходимо, чтобы ваша камера имела возможность съемки в полуавтоматических и ручном режимах. Почему эти тезисы верны, вы поймете в процессе знакомства с материалом данной лекции.

Кратко об устройстве фотоаппарата и влиянии конструктивных элементов на результат.

1. ОБЪЕКТИВ

Объектив — устройство создающее изображение на светорегистрирующей плоскости.

Достаточно подробно мы уже рассмотрели этот вопрос в лекции, посвященной объективам, поэтому напомню и уточню только несколько важных пунктов:

разрешающая способность — важнейшая характеристика, определяющая максимально возможную четкость и резкость формируемого изображения. Зависит от качества материала, из которого выполнены линзы объектива, качества обработки поверхностей и точности самой оптической схемы. Нетрудно догадаться, что чем объектив лучше, тем он дороже.

светосила — упрощенно это отношение количества света пропущенного объективом в светорегистрирующую плоскость, к количеству света отраженного от фотографируемого объекта (в сторону объектива, естественно). Характеризуется светосила минимальным значением диафрагмы f (обратная величина, см. лекцию про объективы), лучшие объективы имеют значение f/1.2, у большинства объективов минимальное значение f/4.

аберрации (они же вносимые искажения) — чаще всего, выделяют две основных группы искажений влияющих на изображение:

Схема хроматической аберрации (1) и её уменьшение с помощью ахроматической линзы (2)

— геометрические аберрации — дисторсии, сферическая аберрация, кома и астигматизм. Самая заметная — дисторсия — искажение изображения прямых линий, зависит от взаиморасположения диафрагмы и линзы. В большинстве оптических систем удается скомпенсировать эти искажения и свести их практически к нулю.

Световой поток на рисунке, распростр

Основной принцип цифровых камер

Как работает цифровая камера

Слово «фотография» происходит от греческого слова « photos » означает свет в сочетании со словом graphis, означает рисунки, которые дают ощущение, что рисовать светом. Проще говоря, фотография — это техника записи фиксированных изображений на светочувствительной поверхности. ‘ Светочувствительная поверхность’ эта фраза различает аналоговые и цифровые камеры. В аналоговых камерах эта светочувствительная поверхность представляет собой пленку, покрытую химическими веществами, чувствительными к свету; В отличие от этого цифровая камера использует датчики для обработки изображения и сохраняет его в цифровых файлах.Конструкция и режим работы цифровой камеры варьируется от их типа к типу, но основной принцип съемки изображения одинаков. Здесь я немного расскажу о конструкции и основных принципах работы примитивной цифровой камеры.

Строительство:

Цифровая камера состоит из следующих основных частей:

· Объективы : фокусирует изображение, преломляя световые лучи, исходящие от объекта, так что они сходятся в единое изображение.

· Диафрагма : определяет количество света, попадающего через линзы. Он измеряет как число f, чем больше число f, тем меньше отверстие диафрагмы.

· Затвор : Определяет время выдержки. Измеряется в долях секунды. Чем быстрее затвор, тем меньше выдержка.

· CCD (прибор с зарядовой связью) : это группа датчиков, которые преобразуют свет в соответствующий электрический заряд.Датчики сделаны из светочувствительных диодов, называемых фотосайтами, которые преобразуют фотоны в электроны (электрические заряды). Количество фотонов, выставленных этими фотосайтами, производит пропорциональное количество зарядов. ПЗС также включает в себя фильтры, генерирующие цветные изображения, серия фильтров должна распаковывать изображение в дискретные значения красного, зеленого и синего (RGB).

По сути, это основные компоненты цифровой камеры, поскольку мы намерены обсудить только основной принцип, поэтому мы не хотим углубляться в подробности.

Принцип работы цифровой камеры:

· Захват изображения: сфокусированные линзами лучи света исходят от объекта, превращенного в связное изображение. Диафрагма определяет количество света, которое необходимо ввести, а выдержка определяет время экспозиции. Затем включенные фары попадают на датчик (ПЗС), чтобы получить соответствующий электрический заряд.

· Обработка двоичной системы : Там, где есть слово digital, там также находится слово binary. Для преобразования аналогового сигнала (электрического заряда с фотоэлементов) в цифровой сигнал в двоичной форме используется АЦП.Каждому из зарядов, хранящихся на фотосайтах, присваивается двоичное значение, сохраняя их в виде пикселей. Пиксель — это точечный образец изображения, который содержит три основных цветовых (RGB) компонента. Пиксель на квадратные дюймы определяет разрешение камеры, что указывает на размер и качество изображения. В следующем посте я расскажу больше о пикселях и разрешении.

· Сжатие и хранение : Как только изображение оцифровано, оно сжимается микропроцессором и сохраняется как файл изображения (JPEG, TTF и т. Д.).)

С эпохи изобретения камеры эволюция произошла и будет продолжаться. Теперь цифровые камеры разрабатываются путем добавления новых функций, таких как запись видео, воспроизведение музыки и даже встроенный GPS.

Как работает цифровая камера?

2. Компьютеры
3. ПК
4. Как работает цифровая камера?

, Марк Л. Чамберс.

. Распространенное заблуждение окружает современные цифровые камеры: поскольку эти камеры не используют пленку и поскольку они создают изображения в виде файлов данных, многие считают, что цифровые камеры должны использовать радикально иной метод захвата изображений. На самом деле, ваша семейная пленочная камера и эта энергозатратная цифровая камера с батарейным питанием, которую вы приобрели на Рождество, удивительно похожи во многих отношениях.

Пленочная камера имеет затвор, который открывается в течение заданного промежутка времени (обычно доли секунды), пропуская свет в корпус камеры, по крайней мере, через один объектив. (Конечно, этот объектив можно отрегулировать так, чтобы другие объекты находились в фокусе, или можно прикрепить другие объективы.)

Как показано на рисунке (во всяком случае, до этого момента), ваша пленочная камера и ее цифровые собратья работают точно так же.

Большим отличием является метод, который каждый из этих двух типов камер использует для записи этого входящего света.Для остроумия:

• Пленочная камера использует полоску из светочувствительного целлулоида, покрытого галогенидом серебра, которая сохраняет изображение. Пленка должна быть позже разработана, и полученные негативы и позитивы могут быть использованы (воспроизведены, как правило, на фотобумаге), чтобы сделать копии фотографии.

• Цифровая камера , с другой стороны, использует сетку (или матрицу ) фотодатчиков для записи входящего светового потока.Каждый датчик возвращает электрический ток при попадании на него входящего света.

  Поскольку величина возвращаемого тока зависит от количества света, электронные устройства вашей цифровой камеры могут объединять различные уровни тока в составную комбинацию данных, представляющих входящий свет, — другими словами, изображение в форме двоичного кода. файл.

Если вы читали некоторые из моих других книг по записи, фотографии и сканированию CD / DVD, вы уже знаете о бинарном , , который является общим языком для всех компьютеров.Хотя ваш глаз не может видеть никакого изображения среди всех этих единиц и нулей, ваш компьютер может отображать их как фотографию — и распечатывать изображение, если хотите, или отправлять его своей тете Харриет в Бойсе в качестве электронного письма. почтовое вложение.

Как файл изображения попадает на ваш компьютер? Это очень хороший вопрос; естественно, никто не хочет носить с собой компьютер, просто чтобы сделать фотографию. Большинство цифровых камер хранят файл изображения до тех пор, пока вы не сможете передать (загрузить) его на свой компьютер — другие цифровые камеры (и многие смартфоны) теперь могут напрямую передавать фотографии, сделанные вами, на ваш компьютер или даже через Facebook или Flickr по беспроводной связи!

Различные типы камер используют разные способы хранения файлов изображений:

• ОЗУ: ОЗУ (наиболее распространенный метод хранения) — это съемные карты памяти, которые функционируют так же, как и модули памяти, используемые на флэш-накопителе USB.Некоторые карты памяти являются проприетарными, но некоторые карты взаимозаменяемы с нетбуками, смартфонами и планшетными ПК.

  К наиболее распространенным типам носителей относятся карты памяти CompactFlash, SmartMedia и Memory Stick, объем которых обычно составляет от 512 МБ до 128 ГБ. Когда на карте полно изображений, вы либо загружаете изображения с карты (предположительно на свой ПК), чтобы освободить место, либо извлекаете ее и «перезагружаете» с помощью пустой пустой карты.

• Жесткие диски: Да, вы правильно прочитали — некоторые камеры имеют свои собственные встроенные жесткие диски, а другие используют крошечные съемные жесткие диски, которые примерно того же размера, что и карты памяти.Естественно, эти маленькие красавицы могут легко хранить сотни гигабайт ваших изображений.

Если вам интересно, сколько примерно изображений вы можете поместить на конкретную карту памяти, помните, что большинство камер с разрешением от 10 до 16 мегапикселей (MP) теперь производят изображения размером от 2 до 6 мегабайт (МБ) в режиме самого высокого качества. ,

,

CCD и CMOS: без пленочных камер

Вместо пленки цифровая камера имеет датчик, который преобразует свет в электрические заряды.

Датчик изображения, используемый большинством цифровых камер, представляет собой устройство с зарядовой связью (ПЗС). В некоторых камерах вместо этого используется дополнительная металлоксидно-полупроводниковая технология (CMOS). Датчики изображения CCD и CMOS преобразуют свет в электроны. Если вы читали, как работают солнечные элементы, вы уже понимаете одну из технологий, используемых для преобразования.Упрощенный способ думать об этих датчиках — думать о двумерном массиве из тысяч или миллионов крошечных солнечных элементов.

Как только датчик преобразует свет в электроны, он считывает значение (накопленный заряд) каждой ячейки на изображении. Вот где срабатывают различия между двумя основными типами датчиков:

• ПЗС передает заряд по чипу и считывает его в одном углу массива. Затем аналого-цифровой преобразователь (АЦП) преобразует значение каждого пикселя в цифровое значение путем измерения величины заряда на каждом фотосайте и преобразования этого измерения в двоичную форму.
• КМОП-устройства используют несколько транзисторов на каждый пиксель для усиления и перемещения заряда с использованием более традиционных проводов.

Различия между двумя типами датчиков приводят к ряду плюсов и минусов:

• ПЗС-датчики создают высококачественные изображения с низким уровнем шума. КМОП-датчики обычно более чувствительны к шуму.
• Поскольку каждый пиксель на CMOS-датчике имеет несколько транзисторов, расположенных рядом с ним, светочувствительность CMOS-чипа ниже.Многие фотоны попадают на транзисторы вместо фотодиода.
• КМОП-сенсоры традиционно потребляют мало энергии. ПЗС, с другой стороны, используют процесс, который потребляет много энергии. ПЗС потребляют в 100 раз больше энергии, чем эквивалентный датчик CMOS.
• ПЗС-сенсоры производятся серийно в течение более длительного периода времени, поэтому они более зрелые. Они, как правило, имеют более качественные пиксели, и их больше.

Несмотря на многочисленные различия между двумя датчиками, они оба играют одинаковую роль в камере — они превращают свет в электричество.Чтобы понять, как работает цифровая камера, вы можете рассматривать их как почти идентичные устройства.

,

Как работает цифровая камера? [Объяснение технологии]

Цифровая камера — еще один прекрасный пример технологии, которую мы считаем само собой разумеющимся. Поскольку у нас так долго были пленочные камеры, идея захвата изображения уже не является для нас чудом. Итак, благодаря естественному прогрессу технологии, делающей снимки все более и более мгновенными, мы все, казалось, просто думали: «Конечно, мы можем делать цифровые фотографии», не задаваясь вопросом, как это работает.

Реклама

Кроме меня.Я должен знать, как все работает. Нет веских причин для этого. Иногда мне приходится читать кучу технических терминов, задавать много вопросов, а затем связывать информацию с чем-то, что я понимаю, прежде чем я действительно могу понять, что происходит. Это делает меня медленным, но упорным учеником. И действительно раздражает, когда Jeopardy! включен

Основная технология цифровой камеры — это датчик освещенности и программа. Датчик освещенности чаще всего представляет собой аккумулятор C C с выходом D evice ( CCD ), и программа является встроенным программным обеспечением, которое встроено прямо в печатную плату камеры.Вроде как программы, которые помогают заставить вашу микроволновую печь или iPod работать.

Сначала я остановлюсь на CCD. Да, есть другой тип датчика освещенности, который можно использовать, например, C , бесплатный M и O xide S ( CMOS ). Механика того, как они делают то, что они делают, отличается, но принципы одинаковы.

Представьте, что ПЗС — это сетка из миллионов маленьких квадратов, каждый из которых похож на солнечный элемент.Вы знаете, что солнечный элемент берет энергию света и преобразует ее в электрическую энергию, верно? И вы, наверное, поняли, что чем больше света, тем больше энергии он производит, и наоборот, верно? Таким образом, вы можете видеть, куда мы идем с этой штукой CCD.

Каждый из этих маленьких квадратиков на ПЗС принимает энергию света и преобразует ее в электрическую энергию. Каждое состояние света — как яркость и интенсивность — генерирует очень специфический электрический заряд. Эти заряды для каждого маленького квадрата затем передаются через массив электроники туда, где это может быть интерпретировано микропрограммой.Микропрограмма знает, что означает каждый конкретный заряд, и переводит его в информацию, которая включает в себя цвет и другие качества света, который улавливал ПЗС.

Этот процесс выполняется для каждого из квадратов в сетке CCD — так что теперь вы можете увидеть чудо, что это на самом деле! Теперь представьте себе (каламбур) миллион маленьких квадратов, каждый из которых отличается, как если бы они были кусочками головоломки. Прошивка объединяет эти кусочки головоломки, чтобы сформировать изображение, которое будет узнаваемо человеческим глазом.

Процесс его сборки очень похож на то, что происходит с вашим телевизором или монитором. Это делается с использованием пикселей. Каждый пиксель состоит из трех основных цветов — красного, зеленого и синего. Изменяя интенсивность каждого цвета в пикселе, разнообразие цветов, которые могут быть получены, действительно удивительно. Это известно как фильтр Байера.

Подойдите ближе к монитору — до точки, где вы можете видеть пиксели по отдельности. Не волнуйтесь, вся эта история о том, чтобы ослепнуть от того, чтобы сидеть слишком близко к телевизору, — это история старых жен.За исключением случаев, когда речь идет о моих детях. Вам может понадобиться увеличительное стекло. Аккуратно, а? Вы видели, как было больше зеленых пикселей, чем красных или синих? Это потому, что кто-то понял, что глаз не так чувствителен к зеленому, как к красному или синему.

Я отвлекся. Следующим шагом прошивки является запись информации, которую она увидела, в цифровой код. Этот код можно использовать для точного воспроизведения изображения снова и снова. Назовите это рецептом для того конкретного момента времени, который вы захватили.Теперь этот код можно передать на экран просмотра камеры или на монитор или принтер для воспроизведения.

И теперь вы знаете, как это все работает. Надеюсь, что удаление тайны не испортило вам опыт. Я надеюсь, вам понравился этот обзор высокого уровня того, как эти вещи работают.

Вы любитель цифровых фотографий? Помогла ли вам эта статья лучше понять процесс? Поделитесь своими вопросами с нами в комментариях, и я постараюсь на них ответить.

Фото предоставлено: ralphbijker

Партнерская информация: Покупая продукты, которые мы рекомендуем, вы помогаете поддерживать сайт в рабочем состоянии.Читать далее.

.

No related posts.