Принцип работы цифровой камеры: Принцип работы цифрового фотоаппарата: фиксация изображения

Содержание

Принцип работы цифрового фотоаппарата: фиксация изображения

Цифровое изображение создается в момент отражения источника света от объекта. Некоторая часть света поглощается самим объектом, остальная же проникает к объективу камеры. Триллионы частичек света – фотоны - ведущие себя подобно волнам, попадают на линзу. Количество линз в объективе может варьироваться от 4-х и до 20-ти, это зависит от конструкции объектива. Линзы могут перемещаться синхронно или по отдельности, в зависимости от способа съемки, фокусного. Эффект дрожания камеры, возникающий при нестабильном положении, можно убрать как раз с помощью сдвига элементов объектива.

Самые простые объективы - те, у которых фиксированный фокус (т.е. фокусное расстояние не изменяется). Они фокусируют изображение на сенсор только одним способом. Только дополнительные элементы могут усложнить функции объектива, которые будут позволять корректировку изображения путем изменения фокусного расстояния. В любом случае цель у объектива одна – собрать лучи в четко сфокусированную позицию на сенсоре камеры.

Еще десять лет назад про сенсоры ничего не знали, в фотоаппараты вставлялась пленка, которая содержала вещество, чувствительное к свету. С появлением более современных технологий пленка ушла в далекие 90-е годы, а на смену ей пришел светочувствительный сенсор.

В современной электронике используют несколько видов сенсоров. Наиболее распространенными являются CCD (charge coupled device — прибор с зарядовой связью, ПЗС) и CMOS (complementary metal oxide semiconductor — комплементарная структура металл-оксид-полупроводник, КМОП).

В принципе достаточно понимать, что сенсор – это набор строк и столбцов, состоящий их крохотных диодов. Ну а дальше чистая физика - при столкновении фотонов с диодами образуется электрон. Для создания яркого, насыщенного изображения необходимо чтобы максимально большое количество фотонов достигло ячеек диодов, а созданные электроны в свою очередь насытят пиксели фокусируемого изображения.

Чувствительность сенсора определяет минимальное число фотонов, необходимое для регистрации изображения. Сенсоры с очень большой чувствительностью требуют наличия всего нескольких фотонов, что позволяет делать изображение с минимальным количеством света. При настройке параметров ISO (например, меняете значение с ISO200 на ISO800) в цифровом фотоаппарате вы указываете минимальный пропускной порог фотонов для конкретного пикселя при регистрации изображения. Эффект зернистого шума возникает при высоких параметрах ISO. Также может возникнуть фиксация интерференции электронов или другая, не относящаяся к изображению информация, но это происходит только при большой чувствительности сенсора. Отсюда делаем вывод, что чем больше чувствительность сенсора, тем больше шума.

КМОП-сенсоры в среднем шумят меньше, но вследствие своей конструкции имеют не совсем точную цветопередачу. ПЗС сенсоры, наоборот, дают очень интересный цвет, но ощутимо сильнее шумят и стоят заметно дороже. В течение довольно продолжительного времени КМОП использовался для производства бюджетных фотокамер, сканеров и т. п, а ПЗС – для дорогих фотоаппаратов, в первую очередь – полупрофессиональных и профессиональных зеркальных. Сегодня практически все фотоаппараты, включая дорогие модели выпускаются с КМОП-сенсорами. – это связано со значительным улучшением их характеристик. Последним массовым зеркальным фотоаппаратом с ПЗМ сенсором был Nikon D3000. Что касается зеркалок Canon, все они, начиная с Canon EOS 300D, оснащались КМОП сенсорами, имевшими посредственную цветопередачу, но при этом весьма шумными по причине высокого разрешения. Эта проблема была решена только в фотоаппарате Canon EOS 550D.


Цифровые фотокамеры

Цифровые фотоаппараты (рис. 19.9) являются сегодня наиболее динамично развивающимся сектором фотооборудования - появляются десятки новых моделей в год, постоянно улучшаются их технические характеристики. В настоящее время, благодаря значительному снижению стоимости и повышению качества получаемых изображений, цифровые фотоаппараты нашли применение, начиная с обычной бытовой съемки и заканчивая полиграфией. Скорость проникновения цифровых фотоаппаратов во все области человеческой деятельности поражает воображение, трудно представить нашу жизнь без этих устройств, самый простой пример- это сотовые телефоны, которые ныне обязаны иметь встроенную камеру для фото и видеосъемки.

Рис. 19.9. Цифровой фотоаппарат: а - любительского класса со встроенным объективом; б - профессиональная зеркальная камера со съемными объективами Преимущества цифровой фотографии бесспорны: упрощение обработки и редактирования изображений, цветокоррекция снимков, использование различных эффектов. Цифровые изображения могут храниться сколь угодно долго на различных носителях информации и копироваться неограниченное количество раз без ухудшения качества как исходного материала, так и последующих копий.

Производство любительских цифровых компактных фотоаппаратов практически всеми ведущими фирмами-производителями началось в 1996 г. С этого момента на рынке появилось множество цифровых компактных фотоаппаратов по цене, не намного превышающей цену обычных пленочных фотоаппаратов.

Принцип работы Цифровая камера по принципу работы мало чем отличается от обычного фотоаппарата. Как и любой фотоаппарат, цифровая камера оборудована видоискателем и объективом.

Основное отличие заключается в том, что если в обычном фотоаппарате при наведении видоискателя на объект изображение объекта с помощью объектива проецируется на фотопленку, то в цифровой камере изображение проецируется на специальную светочувствительную матрицу (рис. 19.10).

Светочувствительная матрица состоит из множества датчиков. Каждый датчик преобразует интенсивность падающего на него света в напряжение и передает сигнал на аналого-цифровой преобразователь (analogue-to-digital

converter- ADC), который преобразует аналоговый сигнал в дискретный цифровой код. Этот цифровой сигнал поступает на специальный процессор цифровых сигналов (digital signal processor, DCP), который формирует изображение, преобразует в графический формат и посылает на устройство хранения информации (память, диск и др. ).

Светочуствительная матрица Светочувствительная матрица представляет собой фоточувствительный прибор с переносом заряда (ФППЗ), в котором фоточувствительные элементы организованы в матрицу по строкам и столбцам. За один период интегрирования матричный ФППЗ преобразует в электрический сигнал в один кадр оптического изображения.

В зависимости от способа сканирования фотогенерированных пакетов ФППЗ подразделяются на:

- фоточувствительные приборы с матрицей CCD;

- фоточувствительные приборы с матрицей CMOS.

Матричные фоточувствительные приборы с зарядовой связью Внешний вид и структура матричного ПЗС приведены на рис. 19.11.

Матрица содержит секцию накопления, или, иначе, секцию изображения, секцию хранения, или, иначе, секцию памяти, вертикальные сдвиговые регистры и горизонтальный выходной сдвиговый регистр. Секция накопления представляет собой часть ПЗС, предназначенную для формирования зарядовых пакетов и их накопления.

При использовании в качестве преобразователя свет-сигнал цифровой камеры прибор работает следующим образом. Изображение проецируется на секцию накопления, где происходит накопление фотогенерированных зарядов, пропорциональных освещенности проецируемого изображения. На следующем этапе накопленные заряды перемещаются в вертикальные регистры и по строкам параллельно сдвигаются в выходной горизонтальный сдвиговый регистр.

Таким образом, на выходе горизонтального сдвигового регистра формируется сигнал, который поступает на аналого-цифровой преобразователь.

Немного истории В 1969 г. сотрудники Bell Labs, Уиллард Бойл и Джордж Смит разработали прибор с зарядовой связью - ПЗС (charge coupled device - CCD).

В 1974 г. компания Fairchild Electronics создала первый ПЗС, который имел формат 100x100 пикселов. И уже в 1975 г. новое устройство широко использовалось при конструировании телевизионных камер, телескопов и медицинской техники.

Матричные CMOS приборы В 1998 г. были разработаны матричные фоточувствительные приборы с зарядовой инжекцией на основе комплементарной структуры типа металл-оксид-

полупроводник (КМОП - CMOS APS, Complementary Metal Oxyde Semiconductor Active Pixel Sensor).

По сравнению с ПЗС-матрицами они обладают рядом преимуществ: более низким энергопотреблением, возможностью встраивания в каждый элемент APS-микросхемы собственной цепи считывания, аналого-цифрового преобразования и первичной обработки изображений. Но главное преимущество КМОП-микросхем - это их невысокая стоимость. КМОП - стандартная технология изготовления микросхем (процессоров и микросхем памяти), освоенная большинством производителей.

Основным недостатком ПЗС является требование к высокой эффективности переноса заряда. Новые приборы были лишены этого недостатка, поскольку в них заряд, накопленный каждым пикселом, считывается непосредственно на выход устройства, что позволяет резко уменьшить размазывание границ в изображении, улучшая его качество.

Каждый элемент матрицы состоит из двух МОП-емкостей, одна из которых присоединена к горизонтальной шине, другая - к вертикальной. Все элементы изолированы друг от друга специальной областью, надежно предохраняющей накопленные заряды от растекания.

Передача цвета Сама по себе ПЗС несет информацию только о яркости изображения, но не о его цвете. Для того чтобы получить цветное изображение, перед ПЗС располагают специальные растровые светофильтры. Число элементов в решетке фильтра должно соответствовать числу элементов матрицы. Растровый светофильтр выполняется с учетом того, что основная компонента, определяющая яркость воспроизводимого изображения, содержится в составляющей, создаваемой зелеными участками решетки. По этой причине в растровой решетке, состоящей из 3-х цветов - зеленого, синего и красного, зеленым участкам выделяется половина площади решетки. Вторая половина площади ПЗС делится поровну между красными и синими ячейками (рис. 19.13).

Поскольку пиксел может представить только оттенок одного цвета, истинный цвет вычисляется процессором на основании интерполяции оттенков соседних пикселов.

Интерполяция, естественно, несколько замедляет формирование цветного изображения и ведет к искажению цвета и потере мелких деталей.

В 2002 г. корпорация Foveon выпустила датчик, разработанный на основе новой революционной технологии передачи цвета, разработанной компанией ХЗ. Суть новой технологии заключается в том, что кремний поглощает световые волны разных длин волн на различной глубине. Это дало возможность расположить фотодатчики на трех уровнях таким образом, что на одном уровне воспринимается только красный цвет, на другом - зеленый, а на третьем - синий (рис. 19.14). Flo в массовое производство он пока так и не пошел.

Качество изображений Качество изображений, полученных с помощью цифровой камеры, зависит от параметров объектива и характеристик светочувствительной матрицы, алгоритмов сжатия изображений и др.

Разрешающая способность Самым важным параметром цифровой камеры является разрешающая способность светочувствительной матрицы, которая характеризуется количеством пикселов. Чем больше пикселов содержит матрица, тем выше ее разрешающая способность, и следовательно больше детализация изображения.

Оптическое разрешение человеческого глаза составляет порядка 120 млн пикселов, а традиционные 35-миллиметровые слайды, по разным оценкам, содержат от 10 до 20 млн элементов изображения.

Современные цифровые камеры выпускаются с матрицами до 26 мегапикселей. Такие технические характеристики позволили практически полностью вытеснить с рынка пленочные фотоаппараты всех классов. Фактически сегодня класс цифровой камеры определяется не возможностями матрицы, а качеством объектива, как это было ранее в эпоху пленки.

I (равда. производители могут в характеристиках своей продукции указывать не оптическую, а интерполяционную разрешающую способность. 11ри этом методы интерполяции могут быть различными, от простейшего осреднения цветов соседних пикселов до добавления пикселов в зависимости от характера изображения.

Ч у вств ител ь н ость В пленочных фотоаппаратах вы можете улучшить качество снимков в условиях низкой освещенности, взяв более светочувствительную пленку. В циф ровых фотоаппаратах максимальная светочувствительность фотоматрицы является постоянной величиной и зависит от размеров пиксела. Чем больше размеры пиксела, тем больше света он воспринимает и тем более чувствительной будет фотоматрица.

Чувствительность ПЗС-матрицы, так же как и обычной фотопленки, измеряется в единицах ISO. Чувствительность изготавливаемых в настоящее время ПЗС-матриц составляет примерно от 100 до 3200 ISO. Значение чувствительности за счет усиления сигнала с ПЗС-матрицы в можно изменять вручную или в автоматическом режиме.

Конечно, слабую освещенность объекта съемки можно компенсировать продолжительностью экспонирования, но этот метод может быть применен только для неподвижных объектов съемки.

Цветопередача Цветопередача определяется в первую очередь технологией представления цветов. Кроме того, немаловажное значение имеет соответствие цветового баланса фотоматрицы и цветового баланса света, падающего на объект съемки.

Глубина цвета Глубина цвета отражает разрядность аналого-цифрового преобразователя, установленного в фотоаппарате, т. е. показывает количество информации, которое используется для записи каждого цвета. Чем больше разрядность АЦП, тем большее количество оттенков каждого цветового канала может различить фотоматрица.

Как правило, цифровые фотоаппараты обеспечивают 24-битную глубину цвета (8 - красный, 8 - зеленый, 8 - синий). Для профессиональной работы выпускаются камеры с 10, 12 и 14 битами на один канал, а информация о снимке записывается в формате RAW, который позволяет как бы заново переснять фотографию при обработке на компьютере или используя встроенные функции фотоаппарата.

Формат изображений Цифровые камеры используют различные способы преобразования изображений. Одни камеры используют собственные графические форматы при сохранении изображений, при этом вместе с цифровой камерой в комплект поставки входит собственное программное обеспечение. При этом в целях экономии объема памяти может происходить автоматическое сжатие информации с потерей качества. На наш взгляд, наиболее предпочтительными являются цифровые камеры, которые сохраняют изображения в стандартных графических форматах и позволяют пользователям самостоятельно решать вопрос о сжатии изображений.

Особенности Перечислим основные отличия при эксплуатации цифровых камер от обычных фотоаппаратов.

- При съемке цифровым фотоаппаратом возникают задержки. Одна из задержек (I-2 с) между нажатием на спусковую кнопку и фиксированием изображения связана с подготовкой аппарата к съемке (определение экспозиции, подготовка к работе фотоматрицы, установка баланса белого и др.). Вторая задержка (I-Юс) возникает между последовательными съемками и связана с необходимостью обработки и записи изображения в память.

- Фокусное расстояние и диаметр светового отверстия объектива цифрового фотоаппарата меньше, чем у обычного, поскольку рабочая поверхность фотоматрицы меньше размера кадра стандартной 35 мм пленки (исключение составляют дорогостоящие профессиональные фотокамеры). Для фотографов, привыкших работать со сменными объективами, на объективах цифрового фотоаппарата обычно указывается аналог фокусного расстояния пленочного объектива. Например, на объективе с фокусным расстоянием 28 мм может быть указано "eq. 50 mm".

- Все цифровые камеры имеют оптический видоискатель - атрибут любого пленочного фотоаппарата. Но наряду с ним многие камеры оснащены еще и цветным жидкокристаллическим дисплеем (ЖКД), который показывает изображение именно в том виде, как оно будет записано в карту памяти. При этом можно оценить не только границы кадра и глубину резкости, но и правильность установленной экспозиции.

- Многие цифровые камеры оборудованы стабилизатором изображения (оптический и цифровой), который служит для устранения нежелательных вибраций камеры в момент съемки. Оптический стабилизатор использует перемещение оптики. В цифровом стабилизаторе задействуются пассивные элементы матрицы, которые не принимают участия в формировании изображения.

- Цифровые фотоаппараты позволяют записывать на карту памяти не только статические изображения (фотоснимки), но также видеоизображения и звук. Звук записывается от встроенного микрофона в стандартном звуковом файле, который может быть воспроизведен и отредактирован на компьютере.

Хранение изображений Сменная память Первые модели цифровых камер были оборудованы стационарной памятью емкостью 2-3 Мбайт, достаточной для хранения около 30 изображений (кадров) размером 640- 480 пикселов. После полного заполнения памяти производить съемку было невозможно до тех пор, пока все изображения не удалены из памяти (после перезаписи на PC).

Современные цифровые камеры используют сменную память, которая позволяет, во-первых, удалять отдельные кадры, а во-вторых, извлекать карту памяти из камеры с целью ее замены на новую или перезаписи на PC.

Существует несколько десятков конкурирующих форматов сменной памяти (флэш-карт), но, как правило, в настоящее время используют четыре основных формата и ряд их производных (различных габаритов):

- CompactFlash

- SD

- SmartMedia

- Memory Stick

Рис. 19.15. Флэш-карта типа CompactFlash

Конструкция флэш-карт может быть самой разнообразной, а объем памяти достигает уже 16 Гбайт для массовых серий. Пользователи, которые имеют цифровые фотоаппараты, чаще всего используют флэш-карты типа CompactFlash (рис. 19.15) и SD (рис. 19.16, а). Габариты флэш-карты типа CompactFlash довольно существенны1. Флэш-карты типа SD за счет малых габаритов чаще используются в различных малогабаритных любительских камерах, причем появился уменьшенный вариант этой популярной флэш-карты. Флэш-карты типа microSD используются в сотовых телефонах. Для подключения их к компьютеру и совместимости со старым форм-фактором SD используется переходник (рис. 19.16, б).

Рис. 19.16. Флэш-карта типа SD: а - стандартных размеров; б- вариант microSD с переходником Для цифровых фотоаппаратов корпорации Sony выпускаются флэш-карты типа Memory Stick. По мере развития технологий корпорация Sony неоднократно изменяла технические характеристики своих флэш-карт, и, соответственно, их габариты.

Рис. 19.17. Флэш-карта типа Memory Stick Duo и переходник для разъема Memory Stick

Ныне чаще используется одна из версий флэш-карты Memory Stick Duo (рис. 19.17, а), которую, для обеспечения совместимости со старым оборудованием, можно использовать со специальным переходником (рис. 19.17, б).

Почти аналогично поступает и компания Olympus, которая снабжает свои цифровые фотоаппараты флэш-картами типа xD (рис. 19.18).

Рис. 19.18. Флэш-карта типа xD

Для чтения флэш-карт на персональном компьютере используют различные считывающие устройства, примерно такие, как это показано на рис. 19.19. Наилучший вариант, когда в 3,5- или 5,25-дюймовом отсеке установлено универсальное считывающее устройство для флэш-карт, как это показано на рис. 19.19, а. Если такой полезной штуки нет, то приходится пользоваться каким-либо внешним считывающим устройством (рис. 19.19,6), которое обычно подключается через интерфейс USB. Как правило, встроенное в системный блок устройство для чтения флэш-карт имеет на своем корпусе дополнительно один или два разъема для подключения любых USB-устройств, а иногда монтируют разъем и для интерфейса FireWare.

Рис. 19.19. Считывающее устройство для флэш-карт: а - установленное в 3,5-дюймовый отсек системного блока; б- внешнее читающее устройство формата "15 в 1"

Глава 20

⇐Характеристики сканеров | Аппаратные средства PC | Принтеры ударного типа⇒

Анатомия цифрового фотоаппарата / Фото и видео

Как кажется на первый взгляд, между цифровым и пленочным фотоаппаратами почти нет различий. И там и там вы нацеливаете объектив на предмет, нажимаете на кнопку затвора и получаете изображение, которое позднее превратится в фотографию. Но на самом деле технология цифрового фотоаппарата намного более изощрена и сложна по сравнению с пленочным.

Если пленочные фотоаппараты дорабатывались и совершенствовались более 160 лет, то цифровые технологии съемки находятся в младенческом возрасте: в лабораторных условиях они используются около 20 лет, а на потребительском рынке цифровые фотоаппараты появились только 7-8 лет назад. Конечно, скорость развития технологии за этот период просто потрясает, но предела пока что не достигнуто, и цифровые технологии съемки будут развиваться в направлениях повышения качества изображения, производительности и удобства управления. В цифровых фотоаппаратах до сих пор остается много острых углов, которые еще требуется отшлифовать.

Сейчас состояние цифровой технологии съемки можно сравнить с другой технологией XX века: автомобилями. Мы только что научились хромировать кузов, изготовлять двигатель и подключать фары. Говоря другими словами, цифровые технологии доказали свое право на жизнь, основы уже явно выделены, и нас ожидает относительно скучный этап дальнейшей эволюции.

Но, хотя нас и ждет скорее экстенсивное, нежели интенсивное, развитие, эта отрасль все же приковывает к себе пристальное внимание. Большинство обозревателей и экспертов предсказывают, что цифровая фотография станет в очень короткое время такой же обыденной вещью как общественный транспорт, скоростные магистрали и другие современные чудеса.

До сих пор главной целью цифрового фотоаппарата была замена пленочного фотоаппарата. Но, как фильмы превзошли театральные постановки, по возможностям цифровой фотоаппарат сейчас значительно обгоняет свой пленочный аналог. Сегодня его предполагаемое использование уже не сводится только к получению статических изображений, фотоаппарат стал визуальным средством связи. За минуту (или даже за нескольких секунд) после съемки фотограф может распечатать изображение, использовать его на презентации, поместить в Интернет или передать по модему (в том числе и беспроводному).



Массив цветных светофильтров

В конечном счете, будет увеличиваться функциональность самого фотоаппарата, так что все показанные возможности будут доступны даже без компьютера. Уже сейчас камеры оснащаются беспроводным инфракрасным интерфейсом для прямого подключения к принтерам, сотовым телефонам и беспроводным сетям. Например, цифровой фотоаппарат HP PhotoSmart 912 может по нажатию клавиши передать выбранные изображения на фотопринтер HP или на подобные фотоаппараты по инфракрасной связи.


Прямая закачка на FTP, просмотр веб-страниц и даже больше

Планируемая к скорому выпуску модель Ricoh RDC i700 способна автоматически закачивать изображения по протоколу FTP через встроенный модем. Для этого фотоаппарат оснащен подобным PDA интерфейсом управления с электронным пером. Таким образом, пользователь сможет передать как статические изображения, так и видеоролики, текст и звук используя заранее подготовленный HTML шаблон.

Кроме того, i700 поддерживает периферию стандарта Type II, например, дополнительный модем, сетевую или ATA карту. В i700 даже интегрирован собственный веб-браузер. Точно также Polaroid PDC-640M содержит встроенный 56,6k модем для подключения по телефонной линии и прямой закачки фотографий на фотосайт Polaroid.

Разработка цифрового фотоаппарата

В этом году несколько производителей анонсировали недорогие цифровые фотоаппараты (например, Kodak mc3 и Samsung Digimax 35MP), совмещенные с MP3 проигрывателями. Многие современные модели могут снимать короткий видеофильм низкого разрешения (включая аудиопоток), который затем можно просмотреть на самом фотоаппарате, на телевизоре или поместить на веб-страницу. Пока что не было объявлено ни одного фотоаппарата с поддержкой Bluetooth или другой современной технологии связи, однако можно наверняка ожидать, что в будущем подобные технологии найдут свое место в цифровых фотоаппаратах.

Безусловно, узкоспециализированные цифровые фотоаппараты (которые могут только снимать изображения) не исчезнут из продажи, но они уже выйдут из сферы интереса потребителей, желающих получить максимальную функциональность за уплаченную цену.

По мере увеличения функциональных возможностей строение цифрового фотоаппарата усложняется: огромное число технологий пытаются впихнуть в такую маленькую коробочку. Сегодня выпускаются крошечные фотоаппараты размером с кредитную карточку или наручные часы (например, Casio WQV1-1CR и SmaL Ultra Pocket), но уже в ближайшем будущем мы увидим устройства размером с брошь или запонку.

Размер и набор возможностей фотоаппарата - это лишь вопрос времени, изобретательности и требований рынка.

В этой статье мы попытаемся разобраться, как работают компоненты цифровой камеры, и что нам даст будущее с точки зрения новых технологий и дизайнов. Но сначала давайте вкратце взглянем на поток данных в цифровой фотографии для лучшего понимания современного состояния технологий.


Основы пленочной фотографии

В обычном пленочном фотоаппарате свет отражается от объекта или сцены и проходит через прозрачные стеклянные или пластиковые линзы, которые фокусируют его на тонком гибком кусочке пластика ("пленка"). Пленка покрыта светочувствительным эмульсионным слоем галоида серебра. Попадающий на пленку свет (фотоны) приводит к немедленной химической реакции, которая после химической обработки помогает проявить и закрепить изображение на пленке. Свет различается по цвету и интенсивности, что приводит к практически идентичному дублированию сцены в результате химической реакции.

Единственными регуляторами света в обычном пленочном фотоаппарате являются затвор (металлический или тканевой занавес или пластинки, которые быстро открываются и закрываются для управления временем выдержки/экспозиции сцены на пленке) и диафрагма (отверстие с изменяемым размером, позволяющее управлять количеством проходящего через линзу света). Перед съемкой фотограф устанавливает значение выдержки и размер диафрагмы. Диафрагма обычно устанавливается вручную при вращении ободка на объективе, который в свою очередь механически регулирует лепестки отверстия, пропускающего свет. Конечно, сегодня многие фотоаппараты (как аналоговые, так и цифровые) обладают некоторым интеллектом, позволяющим автоматически выбрать время выдержки и размер диафрагмы.

Но если мы обратимся к истокам, то современная пленочная фотография в любом случае есть разновидность химического и механического процесса, изобретенного в 1830 году Луисом Дагером и Фоксом Талботом.


Основы цифровой фотографии

В цифровых фотоаппаратах процесс получения изображения намного более сложен. Но, как и в пленочной технологии, принципы и основы будут неизменны в ближайшие годы, независимо от масштаба роста технологий.

Цифровой фотоаппарат Minolta изнутри

В цифровых фотоаппаратах также используется линза, но вместо фокусирования изображения на пленку, свет попадает на светочувствительные ячейки полупроводникового чипа, называемого сенсором (image sensor). Сенсор реагирует на получаемые фотоны, что фиксируется фотоаппаратом. Дальше вычислительный блок фотоаппарата анализирует полученную информацию и определяет необходимые значения выдержки и фокуса, цвет (баланс белого), необходимость вспышки и т.д. Потом сенсор захватывает изображение и передает его на чип АЦП (аналого-цифровой преобразователь), который анализирует аналоговые электрические импульсы и преобразует их в цифровой вид (поток нулей и единичек).

Используя дополнительную вычислительную мощность (цифровые фотоаппараты могут содержать несколько процессоров и других чипов, включая специализированные процессоры и главный процессор), данные проходят дальнейшую обработку с помощью специальных (зависящих от конкретной модели/фирмы) алгоритмов и преобразуются в файл изображения, который уже можно просмотреть. Файл записывается на встроенный или внешний электронный носитель. Далее изображение может быть перенесено на компьютер, выведено на принтер или телевизор. Равно как его можно просмотреть на встроенном в камеру ЖК экране/видоискателе, благодаря чему пользователь может обработать изображение с помощью дополнительных алгоритмов или фильтров, используя встроенный интерфейс (чаще всего работающий через ЖК экран) или просто стереть неудачный снимок и начать все сначала.

На всем протяжении этого многоступенчатого процесса, "интеллект" камеры непрерывно опрашивает операционную систему для немедленной реакции на действия фотографа (которые он производит через многочисленные кнопки, рычаги, регуляторы и ЖК интерфейс). Как видите, цифровой фотоаппарат является сложной системой, где множество данных и инструкций передается по множеству путей. И все это заключено в маленькой легкой коробочке с батарейками, которая умещается в вашей ладони.

Показанный процесс описывает лишь основы получения цифрового изображения. Его детали по-разному реализованы в различных цифровых фотоаппаратах. Давайте более подробно пройдемся по каждому шагу этого процесса в типичной цифровой камере.

Сенсор

До сих пор почти все камеры на рынке оценивались по количеству пикселей, которые может снять цифровой фотоаппарат (чем их больше, тем более детализированной будет фотография). Количество пикселей зависит от физического размера и концентрации элементов на сенсоре. Сенсор является сердцем цифровой камеры, и в качестве сенсора выступает ПЗС или КМОП чип. Сенсор состоит из множества светочувствительных элементов (photosites), содержащих фотодиоды. Элементы на чипе упорядочены и образуют матрицу. Таким образом, элементы матрицы можно сопоставить с пикселями (равно как и назвать). Элементы реагируют на свет и создают электрический заряд, величина которого пропорциональна количеству попавшего света. Количество пикселей сенсора можно измерять по числу строк и столбцов AxB (например, 640x480), а можно - по общему числу элементов (например, 1 000 000 пикселей). Миллион пикселей обычно называют Мегапикселем (1 MP). В любом случае пиксель является наименьшим элементом цифрового изображения. Поэтому этот термин используется также и при описании мониторов и сканеров.

Сенсор Kodak ColorVGA
Некоторые производители иногда дают в технической спецификации две пиксельные характеристики КМОП/ПЗС сенсора. Первая из них показывает общее число пикселей (например, 3 340 000 пикселей или 2,11 MP), а вторая - число активных пикселей, которые используются для получения изображения. Разница между этими числами обычно не превышает 5%.

Существует несколько причин такого расхождения. Во-первых, при производстве сенсора создаются "темные", дефектные пиксели (создание полностью исправного сенсора практически невозможно при существующих технологиях). Во-вторых, некоторые пиксели используются для других целей, например, для калибровки сигналов сенсора. Свет не попадает на часть пикселей, расположенных по краям. Эти пиксели помогают определить фоновый шум, который затем будет вычитаться из данных остальных пикселей. Также часть сенсора может не учитываться для создания изображения с требуемым форматом кадра (отношение количества точек по горизонтали к количеству точек по вертикали).

Кстати, зависимость размера фотографии от числа пикселей не линейная, а логарифмическая. Переход от 3 MP к 4 MP сенсору увеличивает размер изображения не на 25%, а на меньшее значение. По этой причине даже в новейших цифровых фотоаппаратах с увеличенной концентрацией пикселей на сенсоре размер изображения незначительно отличается от предыдущих моделей, что вряд ли так уж важно для большинства пользователей.

Ход светового пучка через линзы в фотоаппарате Minolta
Сейчас все цифровые камеры любительского уровня используют один КМОП или ПЗС сенсор. Некоторые high-end профессиональные аппараты (равно как и многие портативные видеокамеры) используют несколько сенсоров. В них входящий свет разделяется призмой на ряд пучков, каждый из которых попадает на свой сенсор. Такая технология позволяет предотвратить наложение цветов (когда границы красного, синего и зеленого цвета сдвинуты на изображении). Однако подобные камеры требуют более аккуратного процесса изготовления, а по причине наличия призмы они более массивны и менее выносливы. Также в них должна использоваться улучшенная оптика, так что общая цена такой камеры существенно выше.

Что интересно, использование нескольких сенсоров не приводит к линейному росту количества пикселей. В большинстве фотоаппаратов (равно как и в многосенсорных видеокамерах) используется три отдельных КПОМ/ПЗС сенсора для красного, зеленого и синего цвета. Каждый из них получает 1/3 цветовой информации. Таким образом, при использовании трех 3 MP сенсоров они будут работать как один 3 MP сенсор. Однако зачастую в цифровых фотоаппаратах механизм использования информации, полученной от сенсоров, отличается. Фактически он зависит от модели и от производителя.

В некоторых трех-сенсорных фотоаппаратах каждый сенсор захватывает 1/3 от разрешения полного изображения, а затем происходит интерполяция. Другие камеры используют какую-либо комбинацию главных цветов на каждом сенсоре и задействуют сложные алгоритмы для получения изображения. Например, теперь уже не выпускающаяся Minolta RD-175 была оснащена тремя ПЗС сенсорами, два из которых были зелеными, а третий был красно-синим. (Такое удвоение зеленого сенсора напоминает технологию Bayer Pattern, о которой будет рассказано ниже). Каждый из сенсоров RD-175 содержал меньше 1 MP, но благодаря дальнейшему математическому преобразованию получавшееся изображение состояло из 1,7 Мегапикселей.

Во многих цифровых камерах только часть пикселя реагирует на свет, поэтому важно направить как можно больше света на нужную область пикселя (это явление называется коэффициентом заполнения, fill factor). Для этого на сенсорах большинства фотоаппаратов любительского уровня используются микролинзы, располагающиеся непосредственно над каждым пикселем и направляющие фотоны напрямую на светочувствительную область (well). Фотоны преобразуются в электроны с помощью кремниевого фотодиода, располагающегося в верхней части светочувствительной области, а сама область работает как конденсатор, так как обладает возможностью сохранения электрического заряда.

Так как сенсоры по своей сути есть черно-белые устройства, не различающие цвет, в цифровых фотоаппаратах чаще всего используется массив цветных светофильтров (color filter array, CFA), располагающихся между микролинзой и светочувствительной областью пикселя. С помощью светофильтра каждому пикселю присваивается свой цвет. Производители цифровых камер используют различные архитектуры светофильтров, как правило, задействующие комбинацию основных цветов (красного, зеленого и синего) или дополнительных цветов (голубой, пурпурный и желтый). Но в любом случае принцип работы фильтра заключается в пропуске только нужного цвета (с определенной длиной волны). При этом требуется уменьшать проявления цветовых артефактов и избегать взаимного влияния соседних пикселей, в то же время сохраняя правильную цветопередачу. (Ниже мы рассмотрим, как процессор камеры создает изображение из отдельных битов цвета).



Массив цветных светофильтров

Чаще всего массив цветных светофильтров использует технологию Bayer Pattern, при которой красные, зеленые и синие фильтры располагаются в шахматном порядке, причем число зеленых фильтров в два раза больше чем красных или голубых. Это связано с тем, что человеческий глаз более чувствителен к свету с длиной волны в зеленом диапазоне, чем к синему или красному диапазонам. Соответственно удвоение числа зеленых пикселей должно обеспечивать лучшее восприятие яркости и более естественные цвета для человеческого глаза (что очень напоминает соотношение яркостей полного видеосигнала, где яркость (Y) = 0,59G + 0,30R + 0,11B).

Также в результате использования этой технологии получаются более резкие изображения. Проблема соответствия воспринимаемого цвета и фактического цвета решается несколькими способами. Различные производители используют всевозможные цветовые модели и алгоритмы для улучшения цветопередачи цифрового фотоаппарата.

Все цифровые камеры оснащены электронным эквивалентом затвора (он отличается от традиционного механического затвора в пленочных фотоаппаратах), который встроен в сенсор. Он нужен для точной регуляции времени приема света сенсором. Электронный затвор - это переключатель, который включает (или выключает) сенсор для приема приходящего светового потока. Некоторые цифровые камеры также используют и более дорогой механический затвор, но отнюдь не для избыточности, а для предотвращения попадания на сенсор света после окончания времени выдержки. Таким образом, предотвращаются артефакты типа появления ореола, затуманивания и смазывания.

Если вы нажимаете клавишу затвора наполовину, то в цифровом фотоаппарате фиксируются фокус и время выдержки в ожидании последующей съемки. Точно также все происходит и на обычной пленочной камере типа "навелся и снял" при нажатии клавиши затвора наполовину. Однако дальнейшие события в цифровом фотоаппарате принципиально отличаются от пленочного. При полном нажатии клавиши затвора в цифровой камере почти одновременно происходят следующие действия.

  1. Если фотоаппарат оснащен механическим затвором, то он закрывается. Далее сенсор немедленно освобождается от любых электрических зарядов. Это связано с постоянной активностью сенсора, что приводит к накоплению электрических зарядов в различных точках. (На некоторых усовершенствованных камерах сенсор должен находиться в режиме сна перед съемкой изображения для исключения влияния нагрева и увеличения соотношения сигнал/шум). Если камера не получает никаких инструкций, то сенсор будет непрерывно освобождаться от заряда примерно каждую 1/60 долю секунды. Таким образом, перед съемкой изображения весь электрический заряд должен быть сброшен.
    Что интересно, некоторые цифровые фотоаппараты (типа Olympus Camedia E-100RS) сохраняют последнее "удаленное" с сенсора изображение во временном буфере памяти. Они могут показать "удаленное" изображение после съемки, так что пользователь может выбрать лучший вариант из двух. Такой "предварительный" режим съемки оказывается полезен для получения фотографий детей или животных, которые зачастую моргают или двигаются при любом щелчке фотоаппарата.
  2. Удаляет ли камера накопленный электрический заряд перед съемкой или преобразует ли его в изображение во временном буфере, в любом случае один из процессоров камеры использует эти данные для регуляции и выбора параметров будущей фотографии. Например, один из процессоров камеры, занимающийся регуляцией баланса белого (цветокоррекцией), может использовать полученные значения для определения, какие пиксели текущего изображения должны быть белыми. Он может попытаться отрегулировать все цвета для устранения смещения от "точки белого". Точно также на базе полученных данных выбирается фокус, необходимость вспышки и другие обязательные параметры (еще перед фактической съемкой изображения). Эти параметры сохраняются в буфере и могут быть использованы далее на фазе обработки изображения. Если для съемки используется ЖК видоискатель, то на него также поступят эти данные.
  3. Как только электрические заряды будут сброшены с сенсора и необходимые параметры съемки будут выбраны, сенсор готов к принятию требуемого изображения (которое вы ожидаете получить при нажатии на клавишу затвора). Далее камера открывает механический затвор и активизирует электронный затвор. Оба из них остаются открытыми на время выдержки (определенное ранее). По окончании времени выдержки механический затвор закрывается.
  4. Пока камера занимает обработкой, затвор вновь открывается. Он будет закрыт только при последующем нажатии на клавишу затвора (когда будет начат процесс сброса заряда для подготовки к получению следующего изображения). Если процессор (или фотограф) решит использовать электронную вспышку для получения фотографии сцены (обычно применяется встроенный в камеру стробоскопический источник света), то вспышка будет освещать сцену до тех пор, пока отдельный световой сенсор не решит, что вспышка достаточно осветила сцену для данного времени выдержки и не выключит вспышку.
Примечание: Olympus представляет себе процесс получения цифрового изображения в следующем виде.
Процесс получения цифрового изображения с точки зрения Olympus

Так как для сброса заряда сенсора требуется некоторое время (равно как и для чтения информации и установки параметров), всегда существует некоторая неизбежная задержка между полным нажатием на клавишу затвора и временем съемки изображения. На рядовой любительской цифровой камере эта задержка начинается от 60 миллисекунд (этот промежуток настолько мал, что вы вряд ли его заметите) до 1 секунды.

Использование больших буферов памяти и скоростных процессоров может уменьшить задержку, по этой причине дорогие фотоаппараты снимают быстрее своих дешевых собратьев. Среди самых дорогих профессиональных камер можно выделить новый Nikon Dh2 с 128 Мб буфером. Другие камеры типа Kodak DCS 520, 620 и Fuji S1 оснащены 64 Мб буфером. Очень небольшое количество профессиональных и high-end любительских камер оснащено буферами размером 16 Мб или 32 Мб.

Кроме того, ряд сенсоров (особенно КМОП) являются многофункциональными чипами с некоторым встроенным интеллектом, что помогает им уменьшать время, затрачиваемое на передачу и на обработку полученной информации. Подобно любой другой цифровой системе, цифровая камера работает тем быстрее, чем выше ее внутренняя пропускная способность.

Когда сенсор преобразует попавшие на него фотоны в электроны, то он работает с аналоговыми данными. Следующим шагом является снятие сохраненных электрических сигналов из пикселей и дальнейшее их преобразование в электрический ток посредством встроенного выходного усилителя. Ток посылается на внешний или встроенный аналого-цифровой преобразователь (АЦП).

Одним из главных отличий между КМОП и ПЗС сенсорами является то, что в КМОП сенсоре АЦП интегрирован, а при использовании ПЗС сенсора он находится на внешнем чипе. Но по этой же причине КМОП сенсор более зашумлен. АЦП преобразует различные уровни напряжения в двоичные цифровые данные. Цифровые данные подвергаются дальнейшей обработке и организуются в соответствии с битовой глубиной цвета для красного, зеленого и синего каналов, что выражается в интенсивности данного цвета для выбранного пикселя.

Разберемся с терминологией

Некоторые могут неправильно интерпретировать термин "битовая глубина цвета". Для понимания этого термина рассмотрим основы цифрового цвета. Все цвета в цифровом фотоаппарате создаются с помощью комбинации интенсивности (или битовых значений) трех главных цветов - красного, зеленого и синего. Эти три главные цвета также называются каналами.

Битовая глубина может быть определена для каждого из трех каналов (например, 10 бит, 12 бит и т. д.) или для всего спектра, при этом битовые значения каналов умножаются на три (30 бит, 36 бит и т.д.) Однако в мире приняты зачастую нелогичные соглашения по терминологии, поэтому вам придется кое-что просто запомнить. Например, 24-битный цвет (который иногда также называют True Color, так как он первым в цифровом мире приблизился по количеству цветов к уровню восприятия человеческого глаза) отводит по 8 бит на каждый канал.

Но 24-битный цвет никогда не называют 8-битным цветом. Если вы услышите, что кто-то говорит о 8-битном цвете, то он вовсе не имеет в виду 8 бит на канал. Скорее всего, этот человек подразумевает 8 бит на весь спектр, что дает 256 различных цветов (очень ограниченный спектр, кстати). 24-битный же цвет дает возможность отобразить 16,7 млн различных оттенков. Поэтому лучше всего принять 24-битный цвет как разделительную линию: если количество бит в спектре больше 24, то принято называть такую битовую глубину по количеству бит на весь спектр или по количеству бит на канал. Если же количество бит 24 или меньше, то такую битовую глубину лучше называть по количеству бит в полном спектре.

До прошлой осени почти все любительские цифровые фотоаппараты работали с 24-битным цветом (используя 8-битные АЦП). Сейчас уже появились некоторые модели, типа Olympus E-10 и HP PhotoSmart 912, которые могут работать 30 или 36-битным цветом (используя 10 или 12-битные АЦП). Впрочем, некоторые цифровые фотоаппараты, способные снимать с большей глубиной цвета, используют 8-битные АЦП, что приводит к выводу изображения только с 24-битной глубиной. (Небольшое число камер, типа Canon PowerShot G1, могут записывать 36-битное изображение в формате RAW, но этот формат патентован, и он не может быть считан напрямую ни одной программой редактирования изображений. Хотя Photoshop и понимает изображения с глубиной вплоть до 16 бит на канал, его функциональность в таких случаях ограничена. Программное обеспечение для работы с камерой Canon должно сначала преобразовать файл в TIFF, который уже можно будет загрузить в Photoshop. Еще одна неприятная вещь: с такими файлами не будет работать большинство устройств вывода). Возникает закономерный вопрос: зачем нам нужно снимать с такой глубиной цвета, если нам будет очень трудно или даже невозможно использовать такие изображения? Все дело в том, что чем больше битовая глубина цвета, тем больше деталей и градаций оттенков мы получим, особенно это касается затененных и ярко освещенных объектов. Здесь существует интересное решение. Как только камера (или ее программное обеспечение) получит данные, она может проанализировать их и при преобразовании изображения в 24-битное фотоаппарат попытается сохранить правильные цвета на самых критических участках.

Если в камере используется хороший алгоритм, то в результате получится лучшее изображение (по диапазону полутонов и по детализации в ярко освещенных областях и тенях), чем если бы камера изначально получала 24-битное изображение и потом его записывала. Большая глубина цвета (производная от глубины получаемого на сенсоре цвета и АЦП) является одной из характеристик, отличающих профессиональные цифровые камеры от любительских и полу-профессиональных (в дополнение к лучшей оптике и большим возможностям профессиональных устройств). По этой же причине, даже если цифровые фотоаппараты АЦП передает поток цифровых данных на чип цифрового процессора сигналов (DSP). В некоторых камерах используется несколько DSP. В чипе DSP данные преобразуются в изображение на основе определенных инструкций. Эти инструкции включают в себя определение координат полученных от сенсора точек и присвоение им цвета по черно-белой и цветной шкале. В камерах с одним сенсором, использующим массив цветных светофильтров, применяются алгоритмы присвоения цветов с учетом мозаичного расположения пикселей.

Лучше всего представлять расположение массива цветных светофильтров как мозаику, составленную из трех или четырех основных или дополнительных цветов. Из этих цветов создаются все остальные оттенки. Алгоритмы преобразования анализируют соседние пиксели для определения цвета данного пикселя. Таким образом, в итоге получается изображение, похожее на то, если бы мы создавали его от трех физически разделенных сенсоров (если используются цвета RGB). Поэтому в результате изображение передает естественные цвета и переходы между ними.

Кроме описанного процесса, DSP отвечает за разрешение изображения. Хотя большинство цифровых фотоаппаратов можно настроить на различные разрешения, внутри себя они будут получать и обрабатывать данные исходя от разрешения сенсора. Например, при VGA съемке на 3 Мегапиксельной цифровой камере, она будет выполнять съемку в разрешении 2048x1548, а не в 640x480. Далее DSP переведет (интерполирует) изображение в выбранное фотографом разрешение (кстати, разрешение выбирается через операционную систему с помощью ЖК дисплея или панели управления, или при нажатии соответствующей клавиши).

Однако некоторые сенсоры (как правило, КМОП) могут выборочно отсеивать пиксели вместо интерполирования, таким образом, выбирая меньшее или большее разрешение прямо во время съемки. Такая возможность КМОП сенсоров связана с подобной ОЗУ структурой, благодаря чему сенсор может выбрать требуемые данные через быстрый доступ по строке/столбцу. В отличие от КМОП сенсора, ПЗС сенсор является устройством последовательного вывода данных, он должен непременно передать все данные, а уже потом процессор камеры сам будет осуществлять интерполяцию. Обычно использование КМОП сенсора, который может снимать только нужные данные, позволяет ускорить время обработки изображения в фотоаппарате.

Кстати, алгоритм преобразования изображения в требуемое разрешение обычно держится производителями в секрете, так что он зависит от конкретной модели фотоаппарата. Другими словами, DSP осуществляет улучшение изображения в зависимости от параметров, заданных производителем. Таким образом, изображение, созданное любой камерой, является уникальным. Оно реализует свой баланс цветов и свою насыщенность (которые производитель счел наилучшими). Некоторые производители предпочитают добавлять теплые (розоватые) цвета, другие, наоборот, - холодные (голубоватые). Третьи выбирают нейтральную, реалистичную насыщенность для более аккуратной передачи цветов. (Производитель выбирает цвета и насыщенность в каждой модели на основе своих предположений о том, какие цвета и оттенки больше понравятся среднему покупателю. Такой выбор редко бывает случайным, чаще всего он базируется на основе выбранного корпоративного дизайна).

Пример цветовой насыщенности: теплые (розоватые) цвета Пример цветовой насыщенности: холодные (голубоватые) цвета
Более того, благодаря использованию одного или нескольких DSP вкупе с остальной логикой, камера комбинирует настойки фотографирования с анализом типа изображения. (А не является ли картинка с большим количеством голубого цвета небом, а бежевый блок - это случайно не кожа?) При этом также учитываются ручные настройки фотографа, заданные через интерфейс операционной системы камеры. Если камера производит ненужный шум, или ее электронный затвор приводит к появлению затуманивания, то будет использован специальный алгоритм (заданный производителем) для выполнения необходимых исправлений.

Подобным же образом регулируется резкость/мягкость изображения, используется заранее заданный баланс белого и т.д. Именно на этом этапе обработки изображения и существуют значительные отличия между цифровыми фотоаппаратами от разных производителей.

Как только изображение пройдет через DSP, процессор камеры будет преобразовывать поток данных в файл изображения формата JPEF, TIFF или RAW. Обычно к этому файлу прикрепляются и метаданные фотографии (значение диафрагмы, скорость затвора, баланс белого, коррекция экспозиции, включение вспышки, время/дата и т.д.) Если файл не записывается в форматы RAW или TIFF, то он сжимается в соответствии с выбранным фотографом коэффициентом сжатия (обычно можно указать высокое, средне или низкое сжатие) и логикой камеры. Алгоритмы сжатия в фотоаппарате стараются соблюсти баланс между размером файла, скоростью обработки и качеством изображения. После этого изображение записывается либо на встроенную память (как правило, в недорогих цифровых камерах), либо на съемную карту или другой устройство (такой путь используется в большинстве камер).

Преимущество использования съемной памяти заключается в возможности смены карты при ее заполнении. Таким образом, вы можете продолжать фотографировать, вместо того чтобы бежать к компьютеру, скачивать на него фотографии и стирать затем память камеры. Кроме того, съемная память дает пользователю возможность гибкой модернизации на карты большей емкости. Чаще всего используются карты CompactFlash (CF) и SmartMedia (SM). Тип используемой карты определяется маркой производителя и моделью фотоаппарата. Например, большинство цифровых камер Toshiba, Fuji и Olympus используют SmartMedia, в то время как большинство моделей Kodak, Nikon, Canon и Hewlett-Packard - CompactFlash. Впрочем, различия между картами CompactFlash и SmartMedia сейчас довольно размыты, тем более что некоторые модели Olympus и Canon могут использовать оба типа карт.

Карта SmartMedia
Карты SmartMedia тоньше и меньше, стоимость их производства также ниже. Но они изготавливаются из тонкого пластика, их позолоченные контакты выведены наружу, и их можно легко повредить, к примеру, статическим электричеством.
Карта CompactFlash
Карты CompactFlash толще и прочнее, кроме того, в них встроена некоторая логика, ускоряющая скорость чтения/записи. Также в карты CompactFlash можно добавлять буферную память. Емкость у карт CF также выше - сейчас выпущены уже 512 Мб CF карты от SanDisk, в то время как максимальный размер SM карт не превышает 128 Мб. Относительно новый тип CF карты, называемый Type II, может вмещать в себя еще больший объем памяти и даже работать с крошечным винчестером IBM Microdrive объемом до 1 Гб. Минусом CF карт остается их ощутимо большая толщина по сравнению с SM картами, что приводит к увеличению отводимого под карту места в дизайне фотоаппарата.
Карта Sony Memory Stick
Из других видов носителей можно упомянуть Sony Memory Stick, MultiMedia (MM) и Secure Digital (SD). Кроме твердотельных карт памяти в некоторых фотоаппаратах используется несколько разновидностей миниатюрных дисков. Здесь следует перечислить 730 Мб магнито-оптический привод в новом фотоаппарате Sanyo IDC-1000Z, 156 Мб CD-R в Sony Mavica CD1000 и подобный 3'' 156 Мб CD-RW диск в Sony Mavica CD200 и CD300, флоппи-диски с повышенной емкостью 120MM в Panasonic PVD-SD5000 и 40 Мб Click! диск в Agfa ePhoto CL30 Click! Сейчас данные решения, скорее всего, являются патентованными технологиями, так как они используются только определенными производителями в некоторых моделях. Нам еще предстоит узнать, станут ли более распространенными.

Параллельно с записью изображения на носитель, оно может быть также показано и на ЖК видоискателе (или на электронном прямом видоискателе). В большинстве ЖК видоискателей используются 1,8'' или 2'' TFT панели, вмещающие от 65 000 до 220 000 пикселей. Частота их регенерации - от 1/8 до 1/30 секунды. ЖК панель разработана для оптимального просмотра с расстояния от 8'' до 18''.

Рекомендуется всегда использовать прямой видоискатель при съемке изображений, а ЖК видоискатель - главным образом для установки различных параметров и последующем просмотре снятого изображения. Даже при использовании ЖК видоискателей с высоким разрешением, цифровые камеры все равно вынуждены уменьшать изображение, так что вы никогда не увидите изображения 1:1 на видоискателе. По этой причине ЖК видоискатель сложно использовать для фокусировки или установки кадра. Но что еще хуже, ЖК экран просто пожирает батарейки при частом своем использовании. Еще одним важным недостатком выступает то, что во многих дизайнах фотоаппаратов ЖК дисплей находится вблизи ПЗС или КМОП сенсора, а это может привести к нежелательному шуму или к появлению визуальных артефактов. (Главное преимущество шарнирных ЖК видоискателей - то, что они не находятся в корпусе камеры, например, в Canon G1. Чем дальше ЖК панель находится от сенсора, тем меньше шуму она создаст). В большинстве цифровых фотоаппаратов используется один из трех типов традиционного прямого видоискателя: просто стеклянный глазок, светоделитель или шарнирное зеркало. При использовании светоделителя (также он называется пленочным зеркалом), 90% света проходит через наклоненное под углом зеркало на сенсор, а 10% отражается под углом 90 градусов и через пентапризму попадает в глаз фотографа. Преимущество такой системы заключается в неподвижности зеркала (уменьшении вибрации) и отсутствии движущихся частей. Таким образом, светоделитель является более надежной системой. Но опять же, главным его недостатком является низкая эффективность при съемке в помещениях и в темноте: слишком мало света попадает в глаз фотографа, подчас такого света бывает недостаточно для выбора нужной композиции и фокуса.

Видоискатель Fuji S1
В большинстве однолинзовых зеркальных пленочных фотоаппаратах и в профессиональных цифровых фотоаппаратах используется шарнирное зеркало, которое во время наводки отражает до 100% поступающего в объектив света в глаз фотографа. Когда фотограф нажмет клавишу затвора, зеркало сойдет с пути светового потока, на время зачерняя видоискатель, но в то же время, не препятствуя попаданию всего света на сенсор. После съемки зеркало возвращается обратно, и фотограф может продолжать составлять композицию для следующего кадра. При маленьких выдержках фотограф буквально даже не успеет моргнуть во время зачернения видоискателя - настолько быстро движется зеркало. Однако такая система механически более сложна, а, следовательно, менее вынослива. Впрочем, она обеспечивает лучшее качество картинки в видоискателе, чем при использовании светоделителя.

Намного более дешевым и менее сложным прямым видоискателем является стеклянный глазок. Эта система используется в большинстве любительских цифровых фотоаппаратов. Глазок выполнен из прозрачного стекла, и вместо демонстрации изображения, на которое нацелен объектив (а такой режим называется TTL), в глазок видно изображение, смещенное вверх или в сторону от объектива. Преимущество такого глазка заключается в отсутствии энергопотребления и движущихся частей. К тому же, изображение в глазке более ярко по сравнению с системами TTL. Однако главным минусом является неаккуратность глазка (как правило, глазок показывает меньше, чем будет снято на самом деле, так что вам придется обрезать ненужное изображение по краям кадра). Также глазок приводит к появлению параллакса.

Параллакс связан с тем, что глазок находится на расстоянии 1'' или 2'' от объектива, и вы видите сцену немного под другим углом (в сравнении с объективом). Сей факт не важен при фотографировании удаленных сцен, но отличие будет все более заметно при приближении к объекту. При макросъемке (12'' или ближе), глазок становится бесполезным в связи с большим параллаксом.

Электронный прямой видоискатель - новейшая технология, призванная заменить оптический видоискатель крошечным монитором с высоким разрешением и низким энергопотреблением. Кроме прямого и детального изображения объекта, по которому можно четко определить фокус, в большинстве электронных видоискателей отображается дополнительная важная информация о настройках: фокусное расстояние, выдержка, состояние вспышки и т. д. Главный недостаток такой технологии заключается в том, что она слишком нова и несовершенна в цифровых фотоаппаратах (в отличие от цифровых видеокамер), поэтому электронный глазок не всегда такой яркий и четкий, как традиционный оптический видоискатель.

Так же как и в ЖК видоискателе, прямой электронный видоискатель выводит изображение в более низком разрешении после обработки процессором. Или он может выводить электронный thumbnail, полученный из заголовка файла TIFF или JPEG. По мере улучшения технологии можно ожидать, что прямые электронные видоискатели заменят ЖК видоискатели во многих моделях.

Кроме всей той обработки, что была показаны выше, в цифровом фотоаппарате происходят еще и другие процессы. Главный процессор выполняет общий контроль, в то время как другие процессоры и специализированные микросхемы проверяют и обрабатывают различную информацию. Например, операционная система должна постоянно проверять настройки фотографа, для того чтобы они сразу же отражались на получаемом изображении без задержек. Постоянно должна проверяться и зарядка батарей, чтобы фотоаппарат смог получить достаточно энергии для завершения цикла съемки одного изображения. Все компоненты фотоаппарата должны постоянно опрашиваться, чтобы убедиться в их корректной и правильной работе. Так что даже в простейших цифровых камерах типа "нацелился и снял" все совсем не так просто, как может показаться на первый взгляд.

Число процессоров, DSP и других микросхем широко варьируется в зависимости от имени производителя и марки цифрового фотоаппарата. Впрочем, сейчас можно наметить тенденцию интеграции максимально возможного количества функций на один чип, дабы сэкономить на стоимости и пространстве.

Вся показанная выше обработка изображения требует большого количества электроэнергии. Пару лет назад при работе с цифровыми фотоаппаратами приходилось запасаться большим количеством щелочных (alkaline) AA батареек. Цифровые камеры потребляли очень много энергии, и батарейки приходилось менять даже после нескольких снимков. В современном поколении цифровых фотоаппаратов улучшилась эффективность использования электроэнергии и повысилась их экономичность. Многие цифровые камеры были переведены с щелочных элементов на более совершенные технологии, типа перезаряжаемых никель-гидридных или литий-ионных батарей. Некоторые производители, к примеру, Sony, разработали для своих цифровых фотоаппаратов "умные" батареи, которые могут в нужный момент информировать пользователя о количестве оставшейся энергии.

По мере усложнения конструкции фотоаппаратов, при добавлении компонент и повышении требований к скорости съемки, потребление энергии и экономичность будут находиться под пристальным вниманием разработчиков.

Качество цифрового фотоаппарата - это больше чем пиксели

Важно понимать, что фотография в цифровой камере - это результат сложного взаимодействия многих частей. Ни один компонент сам по себе не может получить качественное изображение, и в то же время любой затор может полностью прервать процесс съемки или негативно сказаться на качестве картинки.

Фотография высокого качества, полученная с помощью Fuji S1
В первых цифровых фотоаппаратах самым значимым ограничивающим фактором являлось низкое качество и крошечный размер (примерно с горошину) сенсоров. Производители камер пришли к выводу, что в таких устройствах вряд ли имеет смысл использовать высококачественные линзы, так как сенсоры слишком слабы для получения хорошего изображения. Поэтому первые любительские цифровые фотоаппараты использовали дешевые пластиковые линзы с относительно низким оптическим качеством. С другой стороны, современные камеры с 3-Мегапиксельными сенсорами, наконец, достигли качественного уровня пленочных камер, поэтому сейчас требуется подровнять по качеству и остальные механизмы. В настоящее время достаточно много внимания разработчиков приковано к линзам. Продолжается их совершенствование по направлениям увеличения количества пропускаемого света, улучшения цветопередачи, углового разрешения и фокусировки, дабы не пропал ни единый пиксель на сенсоре. Точно также на остальные компоненты цифрового фотоаппарата возлагается задача получения изображений лучшего качества, скорости и эффективности, дабы не отставать от быстрого развития сенсоров.

В недалеком будущем мы, безусловно, будем наблюдать значительные улучшения технологии цифровых фотоаппаратов. Будут продолжать совершенствоваться сенсоры, их плотность будет увеличиваться (первые 5-Мегапиксельные любительские камеры поступили в продажу уже этим летом). На таких сенсорах пиксели будут более плотно упакованы (и более мелки), а форм-фактор сенсоров увеличится. Чем плотнее располагаются пиксели, чем они меньше, тем точнее необходимо доставлять фотоны через систему линз. Тем тщательнее нужно удалять различные шумы, равно как и использовать более эффективные алгоритмы улучшения изображений.

Схема расположения линз в Olympus Brio D-100
По мере роста плотности сенсоров, все остальные детали, скорее всего, будет уменьшаться в размерах, так что сами камеры начнут становиться все более и более миниатюрными. В настоящее время самые маленькие камеры основаны на компромиссном технологическом выборе между функциональностью и размером. Но чипы выполняют все больше функций, технологии совершенствуются, так что вскоре даже самые маленькие фотоаппараты будут предоставлять полный комплекс услуг. Еще одним подходом к миниатюризации является кардинальная перестройка дизайна самой камеры. Например, новый фотоаппарат Olympus Brio D-100 поражает своим необычно тонким корпусом. Для этого разработчикам пришлось позиционировать ПЗС сенсор под углом 90 градусов к объективу с помощью зеркала. Такая простая, хотя и достаточно революционная, идея привела к появлению нескольких принципиально новых дизайнов.

Наоборот, большие полупрофессиональные фотоаппараты будут падать в цене и постепенно завоевывать любительский рынок. Самые дешевые камеры с небольшим разрешением будут властвовать на нижнем сегменте этого рынка. Несмотря на относительно низкое разрешение, качество картинки будет повышаться и достигнет своих собратьев с высоким разрешением. (Помните, что количество пикселей - всего лишь один из аспектов цифровой фотографии, качество очень сильно зависит и от других аспектов).

Каждое новое поколение цифровых фотоаппаратов по своему интеллекту будет превосходить предыдущее. Вскоре фотоаппараты перейдут грань поистине многофункциональных устройств, успешно соединяя в себе цифровые видеокамеры, диктофоны, веб-камеры, PDA и сотовые телефоны. Поэтому вскоре мы должны увидеть поистине гениальные решения в области разработки фотоаппаратов и обработки изображений, которые смогут обойти создаваемый шум и другие проблемы, связанные с накоплением такого количества различной электроники в столь маленькой коробочке. Ну и, конечно, цены продолжат свое падение вниз, равно как будет повышаться производительность и качество. Сейчас начинается очень интересное время для цифровых фотографов (а это значит и для всех нас).


Дополнительные материалы:
Анатомия цифрового фотоаппарата. Часть 2: сенсоры
Sony Cyber-shot DSC-P72
Canon PowerShot G3
Casio Exilim ZOOM EX-Z3
Rekam Di 1. 3M
RoverShot RS-2100

Если Вы заметили ошибку — выделите ее мышью и нажмите CTRL+ENTER.

Устройство фотоаппарата, строение и принцип действия.


Человека всегда тянуло к прекрасному, увиденной красоте человек пытался придать форму. В поэзии это была форма слова, в музыке красота имела гармоническую звуковую основу, в живописи формы прекрасного передавались красками и цветом. Единственное, что не мог человек, это запечатлеть мгновение. Например, поймать разбивающуюся каплю воды или рассекающую грозовое небо молнию. С появлением в истории фотоаппарата и развитием фотографии это стало возможным. История фотографии знает множественные попытки изобретения фотографического процесса до создания первой фотографии и берет начало в далеком прошлом, когда математики изучая оптику преломления света обнаруживали, что изображение переворачивается, если пропустить его в темную комнату через небольшой отверстие.

В 1604 г. немецкий астроном Иоганн Кеплер установил математические законы отражения света в зеркалах, которые в последствии залегли в основу теории линз по которым другой итальянский физик Галилео Галилей создал первый телескоп для наблюдения за небесными телами. Принцип преломления лучей был установлен, оставалось только научиться каким-то образом сохранять полученные изображения на отпечатках еще не раскрытым химическим путем.

В 1820-е гг.. Жозеф Нисефор Ньепс открыл способ сохранения полученного изображения путем обработки попадающего света асфальтовым лаком (аналог битума) на поверхность из стекла в, так называемой камере-обскуре. С помощью асфальтового лака изображение принимало форму и становилось видимым. В первые в истории человечества картину рисовал не художник, а падающие лучи света в преломлении.

В 1835 г. английский физик Уильям Тальбот, изучая возможности камеры-обскура Ньепса смог добиться улучшения качества фотоизображений с помощью изобретенного им отпечатка фотографии - негатива. Благодаря этой новой возможности снимки теперь можно было копировать. На своей первой фотографии Тальбот запечатлел собственное окно на котором четко просматривается оконная решетка. В будущем он написал доклад, где называл художественное фото миром прекрасного, таким образом заложив в историю фотографии будущий принцип печати фотографий.В 1861 г. фотограф из Англии Т. Сэттон изобрел первый фотоаппарат с единым зеркальным объективом. Схема работы первого фотоаппарата была следующей, на штатив закреплялся крупный ящик с крышкой сверху, через которую не проникал свет, но через которую можно было вести наблюдение. Объектив ловил фокус на стекле, где с помощью зеркал формировалось изображение.

  В 1889 г. в истории фотографии закрепляется имя Джорджа Истмана Кодак, который    запатентовал первую фотопленку в виде рулона, а потом и фотокамеру "Кодак",  сконструированную специально для фотопленки. В последствии, название "Kodak" стало  брэндом будущей крупной компании. Что интересно, название не имеет сильной смысловой  нагрузки, в данном случае Истман решил придумать слово, начинающееся и заканчивающиеся на одну и ту же букву.

 В 1904 г. братья Люмьер под торговой маркой "Lumiere" начали выпускаться пластины для цветного фото, которые стали основоположниками будущего цветной фотографии.

 В 1923 г. появляется первый фотоаппарат в котором используется пленка 35 мм, взятая из кинематографа. Теперь можно было получать небольшие негативы, просматривая затем их выбирать наиболее подходящие для печатания крупных фотографий. Спустя 2 года фотоаппараты фирмы "Leica" запускаются в массовое производство.

В 1935 г. фотоаппараты Leica 2 комплектуются отдельным видеоискателем, мощной фокусировочной системой, совмещающие две картинки в одну. Чуть позже в новых фотоаппаратах Leica 3 появляется возможность использования регулировки длительности выдержки. Долгие годы фотоаппараты Leica оставались неотъемлимыми инструментами в области искусства фотографии в мире.

В 1935 г. компания "Kodak" выпускает в массовое производство цветные фотопленки "Кодакхром". Но еще долгое время при печати их надо было отдавать на доработку после проявки где уже накладывались цветные компоненты во время проявки.

В 1942 г. "Kodak" запускают выпуск цветных фотопленок "Kodakcolor", которые последующие полвека становятся одними из популярными фотопленками для профессиональных и любительских камер.

В 1963 г. представление о быстрой печати фотографий переворачивают фотокамеры "Polaroid", где фотография печатается мгновенно после полученного снимка одним нажатием. Достаточно было просто подождать несколько минут, чтобы на пустом отпечатке начали прорисовываться контуры изображений, а затем проступала полностью цветная фотография хорошего качества. Еще 30 лет универсальные фотоаппараты Polaroid будут занимать ведущие по популярности места в истории фото, чтобы уступить эпохе цифровой фотографии.

В 1970-х гг. фотоаппараты снабжались встроенным экспонометром, автофокусировку, автоматические режимы съемки, любительские 35 мм камеры имели встроенную фотовспышку. Чуть позже к 80-м годам фотоаппараты начали снабжаться ж/к панелями, которые показывали пользователю программные установки и режими фотокамеры. Эра цифровой техники только начиналась.

В 1974 г. с помощью электронного астрономического телескопа была получена первая цифровая фотография звездного неба.

В 1980 г. компания "Sony" готовит к выпуску на рынок цифровую видеокамеру Mavica. Снятое идео сохранялось на гибком флоппи-диске, который можно было бесконечно стирать для новой записи.

В 1988 г. компания "Fujifilm" официально выпустила в продажу первый цифровой фотоаппарат Fuji DS1P, где фотографии сохранялись на электронном носителе в цифровом виде. Фотокамера обладала 16Mb внутренней памяти.

В 1991 г. компания "Kodak" выпускает цифровую зеркальную фотокамеру Kodak DCS10, имеющую 1,3 mp разрешения и набор готовых функций для профессиональной съемки цифрой.

В 1994 г. компания "Canon" снабжает некоторые модели своих фотокамер системой оптической стабилизации изображений.

В 1995 г. компания "Kodak", следом за Canon прекращает выпуск популярных последние полвека пленочных своих фирменных фотокамер.

2000-х гг. Стремительно развивающиеся на базе цифровых технологий корпорации Sony, Samsung поглощают большую часть рынка цифровых фотоаппаратов. Новые любительские цифровые фотоаппараты быстро преодолели технологическую границу в 3Мп и по размеру матрицы легко соперничают с профессиональной фототехникой имея размер от 7 до 12 Мп. Несмотря на быстрое развитие технологий в цифровой технике, таких как: распознавание лица в кадре, исправление оттенков кожи, устранение эффекта "красных" глаз, 28-кратное "зумирование", автоматические сцены съемки и даже срабатывание камеры на момент улыбки в кадре, средняя цена на рынке цифровых фотокамер продолжает падать, тем более что в любительском сегменте фотоаппаратам начали противостоять мобильные телефоны, снабженные встроенными камерами с цифровым зумом. Спрос на пленочные фотоаппараты стремительно упал и теперь наблюдается другая тенденция повышения цены аналоговой фотографии, которая переходит в разряд раритета.


Принцип работы аналогового фотоаппарата: свет проходит через диафрагму объектива и, вступая в реакцию с химическими элементами пленки сохраняется на пленке. В зависимости от настройки оптики объектива, применения особых линз, освещенности и угла направленного света, времени раскрытия диафрагмы можно получить различный вид изображения на фотографии. От этого и многих других факторов формируется художественный стиль фотографии. Конечно, главным критерием оценки фотографии остается взгляд и художественный вкус фотографа.

Корпус.
Корпус фотоаппарата не пропускает свет, имеет крепления для объектива и фотоспышки, удобную форму ручки для захвата и место для крепления к штативу. Внутрь корпуса помещается фотопленка, которая надежно закрыта светонепропускающей крышкой.

Фильмовой канал.
В нем пленка перематывается, останавливась на нужном для съемке кадре. Счетчик механически связан с фильмовым каналом, при прокрутке которого указывает на количество отснятых кадров. Существуют камеры с моторным приводом, которые позволяют делать съемку через последовательно заданный промежуток времени, а также вести скоростную съемку до нескольких кадров в секунду.


Видоискатель.
Оптический объектив через которое фотограф видит в рамке будущий кадр. Зачастую имеет дополнительные метки для определения положения объекта и некоторые шкалы настройки светка и контрастности.

Объектив.
Объектив - мощный оптический прибор, состоящий из нескольких линз, позволяющий делать изображения на различном расстоянии со сменой фокусировки. Объективы для профессиональной фотосъемки помимо линз состоят еще из зеркал. Стандартный объектив имеет расстояние фокусаокругленно равное диагонали кадра, угол 45 градусов. Фокусное расстояние широкоугольного объектива меньшее диагонали кадра служит для съемки в небольшом пространстве, угол до 100 градусов. для удаленных и панорамных объектов применяется телескопический объектив у которого фокусное расстояние гораздо больше диагонали кадра.

Диафрагма.

Устройство регулирующее яркость оптической картинки объекта фотографирования по отношению к его яркости. Наибольшее распространение получила ирисовая диафрагма, у которой световое отверстие образуется несколькими серповидными лепестками в виде дуг, при съемке лепестки сходятся или расходятся, уменьшая или увеличивая диаметр светового отверстия.

Затвор

Затвор фотоаппарата приоткрывает шторки для попадания света на пленку, затем свет начинает действовать на пленку, вступая в химическую реакцию. От продолжительности приоткрытия затвора зависит экспозиция кадра. Так для ночной съемки ставится более длительная выдержка, для съемке на солнце или скоростной съемке максимально короткая.

Дальнометр.

Устройство с помощью которого фотограф определяет расстояние до объекта съемки. нередко дальномер бывает совмещен для удобства с видоискателем.

Кнопка спуска .

Запускает процесс фотосъемки длящийся не более секунды. В одно мгновение срабатывает затвор, раскрываются лепестки диафрагмы, свет попадает на химический состав фотопленки и кадр запечатлен. В старых пленочных фотоаппаратах кнопка спуска основана на механическом приводе, в более современных фотоаппаратах кнопка спуска, как и остальные движущиеся элементы камеры на электроприводе

Катушка фотплёнки
Катушка на которую крепится фотопленка внутри корпуса фотоаппарата.По окончании кадров на пленке в механических моделях пользователь перематывал фотопленку в обратном направлении в ручную, в более современных фотоаппаратах пленка перематывалась по окончании с помощью электромоторного привода, работающего от пальчиковых батареек.Фотовспышка.
Плохая освещенность объектов фотосъемки приводит к использованию фотоспышки. В профессиональной съемке к этому приходится прибегать только в неотлагательных случаях когда нет других приборов освещения экранов, ламп. Фотоспышка состоит из газорязрядной лампы в виде стеклянной трубки содержащей газ ксенон. При накапливании энергии вспышка заряжается, газ в стеклянной трубке ионизируется, затем мгновенно разряжается, создавая яркую вспышку при силе света свыше сотни тысяч свечей. При работе вспышки нередко отмечается эффект "красных глаз" у людей и животных. Это происходит потому, что при недостаточной освещенности помещения где проводится фотосъемка, глаза человека расширяются и при срабатывании вспышки зрачки не успевают сузиться, отражая слишком много света от глазного яблока. Для усранения эффекта "красных глаз" используется один из методов предварительного направления светового потока на глаза человека перед срабатыванием вспышки, что вызывает сужение зрачка и меньшим отражением от него света вспышки.

Принцип работы цифрового фотоаппарата на стадии прохождения света через линзу объектива тот же, что и у пленочного. Изображение преломляется через систему оптики, но сохраняется не на химическом элементе фотопленки аналоговым путем, а преобразуется в цифровую информацию на матрице от разрешающей способности которой и будет зависеть качество снимка. Затем перекодированное изображение в цифровом виде сохраняется на сменном носителе информации. Информацию в виде изображения можно редактировать, перезаписывать и отправлять на другие носители данных.

Корпус.

Корпус цифрового фотоаппарата имеет вид по аналогии с пленочным фотоаппаратом, но за счет отсутствия необходимости фильмового канала и места для катушки с пленкой, корпус современного цифрового фотоаппарата значительно тоньше обычного пленочного и имеет место для ЖК экрана, встроенного в корпус, либо выдвижного, и слоты для карт памяти.

Видоискатель. Меню. Настройки (ЖК экран) .

Жидкокристалический экран неотъемлимая часть цифрового фотоаппарата. Он имеет совмещенную функцию видоискателя, в котором можно приближать объект, видеть результат автофокусировки, выстраивать экспозицию по границам, а также использовать его в качестве экрана меню с настройками и опциями набора функций съемки.

Объектив.

В профессиональных цифровых фотоаппаратах объектив практически ничем не отличается от аналоговых фотокамер. Он также состоит из линз и набора зеркал и имеет те же механические функции. В любительских камерах объектив стал гораздо меньших форм и помимо оптического зума (приближение объекта) имеет встроенный цифровой зум, который способен многократно приблизить отдаленный объект.

Матрица сенсор.

Главный элемент цифровой фотокамеры небольшая пластина с проводниками которая формирует качество изображения, четкость которого и зависит от разрешающей способности матрицы.

Микропроцессор.

Отвечает за все функции работы цифровой камеры. Все рычаги управления камеры ведут к процессору в котором зашита программная оболочка (прошивка), которая отвечает за действия фотокамеры: работа видоискателя, автофокус, программные сцены съемки, настройки и функции, электрический привод выдвижного объектива, работа фотовспышки.

Стабилизатор изображений.

При покачивании камеры во время нажатия на спусковой завтор или при съемке с движущейся поверхности, например, с качающегося на волнах катера, изображение может получится размытое. Оптический стабилизатор практически не ухудшает качество полученной картинки за счет дополнительной оптики, которая компенсирует отклонения изображения при покачивании, оставляя изображение неподвижным перед матрицей. Схема работы цифрового стабилизатора изображения фотоаппарата при дрожании картинки заключается в условных поправках, вносимых при расчете картинки процессором, задействовав дополнительную треть пикселей на матрице, учавствующих только в коррекции изображения.

Носители информации .

Полученное изображение сохраняется в памяти фотоаппарата в виде информации на внутренней, либо внешней памяти. Фотоаппараты имеют разъемы для карт памяти SD, MMC, CF, XD-Picture и др., а также разъемы для подключения к другим источникам храненияинформации компьютеру, HDD сменным носителям и т.п.

Цифровая фототехника сильно поменяла представления в истории фотографии о том какое должно быть художественное фото. Если в прежние времена фотографу приходилось идти на различные ухищрения, чтобы получить интересный цвет или необычный фокус для определения жанра фотографии, то теперь есть целый набор примочек, включенных в программное обеспечение цифровой фотокамеры, коррекция размеров изображения, изменение цвета, создание рамки вокруг фото. Также любую отснятую цифровую фотографию можно подвергнуть редактированию в известных фоторедакторах на компьютере и легко установить в цифровую фоторамку, которые следом за пошаговым наступлением цифровых технологий становятся все более популярными для украшения интерьера чем-то новым и необычным.

Статьи‎ > ‎История Фотографии‎

Обзор различных видов стабилизации изображения в камерах

Обзор различных видов стабилизации изображения в камерах

Профессиональное видеонаблюдение является такой областью, в которой даже самая мелкая деталь может иметь важнейшее значение. Недаром идет непрестанное увеличение разрешения видеокамер, и производители соревнуются, кто сможет представить на рынок новейшую модель с еще большим количеством мегапикселей. Ведь высокое реальное разрешение камер как-раз и позволяет видеть те самые мелкие детали. Раньше задачи распознавания решались только на достаточно близком расстоянии от камер. Теперь же видеокамера может находиться на значительном удалении от наблюдаемого объекта, и при этом передавать все происходящее на сцене с достаточной детализацией.

Для профессионалов, сцены из фильмов, в которых происходит бесконечное увеличение изображения за счет использования фантастических алгоритмов, всегда были комичными. Однако высокое реальное разрешение камер позволяет без использования каких-то фантастических технологий получать максимально детализированное изображение. На практике реальное разрешение зачастую значительно меньше заявленного, вследствие воздействия разнообразных внешних факторов. При покупке видеокамера может демонстрировать отличные результаты на тестовом стенде. Однако, при эксплуатации в реальных условиях, ее показатели могут серьезно ухудшиться. На  разрешение камеры оказывают сильное влияние низкая освещенность, наличие ярких источников света, наличие в кадре одновременно ярких и темных зон, внутренние шумы камеры. Производители видеокамер уже давно предлагают решение для каждой из этих проблем. Так, инсталлятор легко может получить камеру с чувствительным сенсором, встроенной ИК-подсветкой, алгоритмами компенсации засветки, широким динамическим диапазоном, алгоритмами компенсации шумов.

Одной из причин, также приводящих к ухудшению не только разрешения, но и  эффективности наблюдения в целом, является воздействие на видеокамеры механической вибрации в месте установки. И по словам некоторых производителей, эта проблема практически не решаема на текущем уровне развития видеокамер. Подобная вибрация  всегда сопутствует видеокамерам, установленным вдоль автомобильных дорог на столбах или специальных мачтах. В этом случае, она возникает вследствие сильного ветра и нестабильности используемой конструкции. Кроме того, на камеру может непосредственно передаваться и вибрация от техногенного источника, в том числе и в помещениях. Зачастую рядом оказывается какой-то мощный источник вибрации: генератор, лифт, входная дверь.

Кроме смазывания изображения при эксплуатации в таких условиях, происходит и «дребезжание» картинки. И главная проблема состоит в том, что вибрация является непредсказуемым процессом, не может быть учтена, описана, а значит и полностью скомпенсирована каким-то определенным алгоритмом. Подобное ухудшение изображения сильно усложняет задачу детекции, а тем более распознавания. Например, при распознавании номеров, ПО может не справляться с такими условиями и выдавать большое количество ошибок. Стоит учитывать, что для длиннофокусных объективов, влияние вибрации будет наиболее критичным. И даже небольшое перемещение камеры, может вызывать колоссальное смещение картинки, что при больших увеличениях недопустимо. А ведь малая вибрация присутствует практически всегда, но обычно ее просто не замечают.

Поэтому важным для инсталлятора, а значит и производителя, становится разработка способов борьбы с подобным. Полноценным решением этой проблемы является использование оптической стабилизации в объективах видеокамер. Но такие камеры практически отсутствуют на рынке и являются скорее дорогостоящими проектными устройствами. А следующим решением, куда более доступным и распространенным, является использование программной стабилизации изображения. Подобные алгоритмы стабилизации, называются у разных компаний по разному (EIS – electronical image stabilization, DIS – digital image stabilization). Также существует вариант, при котором в камере используется гиросенсор. Его перемещения передаются в процессор камеры и учитываются при программной обработке изображения для компенсации вибрации. Есть несколько достаточно экзотических вариантов для видеонаблюдения. Ну и наконец, мелкая вибрация камеры попросту игнорируется, лишь иногда подстраивается сбившаяся фокусировка.

Принцип работы алгоритмов цифровой стабилизации изображения

Принцип работы алгоритмов цифровой стабилизации изображения заключается в программной обработке видеосигнала, поступающего с сенсора камеры. При включении режима стабилизации видеокамера фиксирует центр изображения, и при возникновении вибрации реальная картинка смещается в противоположную от перемещения кадра сторону. Таким образом, центр каждого обработанного кадра оказывается в центре изображения, передаваемого видеокамерой, и исключается «качание» сцены на экране.

Однако у этого алгоритма есть и отрицательные стороны, кроющиеся в самой основе принципа его работы. В первую очередь обрезаются периферийные области кадра, а значит пропадает и вся полезная информация с краев изображения. Во вторых, вследствие работы алгоритмов, возможно еще большее ухудшение реального разрешения видеокамеры.

Принцип работы алгоритмов цифровой стабилизации изображения с использованием гиросенсоров

При таком исполнении принцип работы алгоритма схож с предыдущим вариантом. Отличие заключается в том, что внутри камеры установлен специальный DSP-чип, который фиксирует ее физическое перемещение. Измерения производятся при помощи гиросенсоров или акселерометров. Эти измерения поступают на процессор видеокамеры, где учитываются при компенсации воздействующей вибрации. А значит алгоритм не просто программно фиксирует область изображения и пытается удержать его в центре. Величины линейных и угловых перемещений камеры учитываются для каждого кадра. И для любого, даже незначительного смещения корпуса камеры, определяется направление и величина. Поэтому у процессора для любого кадра из видеоряда есть информация куда необходимо сместить текущее изображение, чтобы при совмещении с предыдущими кадрами получалась четкая несмазанная картина.

Технические преимущества и недостатки у такого способа в целом аналогичны варианту с использованием программного алгоритма стабилизации: камера не меняется в габаритах, не требует дополнительных вложений, но часть чувствительного сенсора занимается алгоритмом. Вместе с ростом эффективности компенсации вибрации растут и требования к качеству реализации алгоритма. Ведь неправильное использование показаний с гиросенсора может значительно ухудшить итоговую картинку. А его выход из строя полностью исключает возможность стабилизировать изображение в дальнейшем. Ведь просто перепрошить камеру уже не получится. Но и результаты, демонстрируемые этим способом значительно превосходят предыдущий вариант.

Принцип работы оптических алгоритмов стабилизации изображения в объективе

При оптической стабилизации используется та же логика, что и в предыдущем случае. Внутри самого объектива устанавливается модуль с гироскопами или акселерометрами, которые измеряют перемещение камеры. Но это перемещение уже компенсируется внутри самого объектива, за счет управления положением площадки с оптическим элементом при помощи электромоторов. Грубо говоря, в объективе расположена линза, которая никак не реагирует на внешнюю вибрацию, и сохраняет свое положение в пространстве неизменным. Поэтому и на матрицу видеокамеры поступает статичное изображение сцены, поскольку на удаленные объекты вибрация не действует.

Благодаря такому принципу, оптическая стабилизация и позволяет добиться наилучших результатов в компенсации внешней вибрации. Кроме того может гаситься не только шумовая вибрация с широким диапазоном амплитуд и частот, но и паразитные гармонические колебания. Важнейшим преимуществом у оптических методов перед цифровыми является использование сенсора полностью, без обрезания части изображения. Но эффективность напрямую связана с точностью измерения перемещения и скоростью его компенсации. А значит первостепенную важность играют гиросенсоры и моторы объектива. Для достаточной точности необходимо, во-первых, существенное увеличение размеров самого объектива, а во-вторых еще более значительное увеличение его стоимости. Поэтому этот вариант обычно встречается только в дорогих операторских видеокамерах, но отсутствует в видеонаблюдении. Вполне вероятно, что это связано с тем, что за такую стоимость результат не оправдывает вложений. Кроме того, дополнительный оптический элемент может негативно сказываться и на эксплуатационных характеристиках системы видеонаблюдения: чувствительности, стабильности разрешения.

Принцип работы оптических алгоритмов стабилизации изображения в камере

Чтобы сгладить недостатки предыдущего метода, связанные с большими размерами объектива, подвижный оптический элемент может помещаться внутрь самой видеокамеры. Технологическое развитие позволяет фиксировать матрицу так, чтобы она не перемещалась вслед за колебаниями корпуса. Так и компенсируется вибрация. В том числе становится возможным компенсировать и угловые перемещения. Такой подход позволяет использовать любой объектив, даже с оптической стабилизацией, тем самым предоставляя недостижимую любым предыдущим вариантом стабильность съемки. 

Техническим недостатком является меньший, в сравнении с оптической стабилизацией диапазон компенсируемых амплитуд колебаний. Так перемещения матрицы скорее всего не хватит при видеонаблюдении с длиннофокусным объективом, или что тоже самое с большим зумом. Ну, а функциональной проблемой, ставящей крест на использовании этого метода при видеомониторинге, становится его полное отсутствие в камерах для видеонаблюдения. Однако, вполне вероятно, что и этот способ рано или поздно будет представлен кем-то из производителей на рынке.

Принцип работы стабилизированной платформы

А окончательным решением проблемы вибрации является использование внешних стабилизированных платформ. Принципиально это та же самая подвижная платформа с матрицей, отрабатывающая колебания корпуса. Но вместо матрицы здесь выступает камера целиком. Благодаря такому подходу снимается проблема с малыми размерами активных элементов конструкции. Ведь, поскольку камера устанавливается на такую платформу, размеры сенсоров, моторов и вычислительных элементов неограничены. А значит можно добиться максимального быстродействия, точности и уровня компенсации вибрации, не оглядываясь на габариты и потребляемую мощность. Кроме того, на такую платформу могут быть установлены любые камеры, включая и самые массивные PTZ-модели.

Но проблема заключается в том, что такие устройства применяются в профессиональный видеосъемке, стоят сравнимо с небюджетными камерами, и не используются в видеонаблюдении. Но принципиально ничто не препятствует их использованию совместно с любой видеокамерой. А поэтому, вполне вероятно, что производители видеокамер расширят свой модельный ряд подобными устройствами. Нам видится вполне логичным добавление внешних кожухов для box-камер или переходников для уличных камер с таким функционалом в каталог брендов. Тем более, что комплектующие стоят недорого, не требуется написания сложных алгоритмов для процессоров, а некоторые умельцы уже сами собирают такие устройства в кустарных условиях.

Сводный обзор

Если же подытожить всю информацию и поговорить о преимуществах и недостатках разных видов стабилизации изображения, то можно отметить следующее:

Тип стабилизации

Преимущества

Недостатки

Оптическая

    • Нет потери площади зоны обзора

    • Широкий диапазон компенсируемой амплитуды и частоты вибрации

    • Объектив может быть использован с любой камерой с подходящим креплением

    • Повышенная стоимость

    • Увеличенные размеры объектива

    • Практически нет на рынке видеонаблюдения

    • Дополнительный элемент в объективе может оказать влияние на параметры съемки

Цифровая

    • Алгоритм может быть заложен практически в любую камеру

    • Распространенность на рынке

    • Возможно использование отдельного процессора для повышения качества работы алгоритма

    • Частичная стабилизация колебаний

    • Использование только части изображения

    • Возможно ухудшение детализации изображения, вследствие работы алгоритма

Цифровая с использованием показаний гиросенсора

    • Более широкий диапазон компенсируемой амплитуды и частоты вибрации, чем у цифрового способа

    • Возможно использование отдельного процессора для повышения качества работы алгоритма

    • Повышенная стоимость камеры

    • Использование только части изображения

    • Редко есть на рынке видеонаблюдения

Подвижная матрица с гиросенсором

    • Не увеличивает габариты камеры

    • Малые вибрации компенсируются с высокой точностью

    • Позволяет стабилизировать перемещения практически в любых направлениях

    • Не ограничивает в выборе объектива

    • Нет в видеонаблюдении

    • Низкая эффективность при больших фокусных расстояниях

    • Малый диапазон компенсируемой амплитуды и частоты вибрации

    • Наиболее дорогое решение

Внешняя гироплатформа

    • Компенсация практически любой вибрации

    • Подходит для любой камеры

    • Нет в массовой продаже

    • Большие размеры

Итог

Как можно заметить, существует большое количество вариантов стабилизации изображения в фото и видеотехнике, но часть из них не реализована в области видеонаблюдения. Некоторые решения, даже если и будут созданы, не смогут быть быстро внедрены в реальные проекты. Важным тормозящим фактором окажется их стоимость и некоторые чисто технические слабости в базовых принципах работы. Но не стоит сбрасывать их со счетов. Ведь и другие технологии, которые раньше казались неприменимыми при видеомониторинге, сейчас стали распространенными и доступными для любого инсталлятора.

Цифровая usb-камера для микроскопа – Статьи на сайте Четыре глаза


Полезная информация

Главная » Статьи и полезные материалы » Микроскопы » Статьи о микроскопах, микропрепаратах и исследованиях микромира » Зачем нужна цифровая камера для микроскопа?

Цифровая камера для микроскопа – необходимый аксессуар для любителя документировать все этапы исследований. Она создана специально для фото- и видеосъемки изучаемых образцов. Ее также можно использовать для вывода изображения с микроскопа на внешний экран и для проведения онлайн-трансляций.

USB-камера для микроскопа устанавливается на место штатного окуляра прямо в окулярную трубку. Перед приобретением цифровой камеры рекомендуем удостовериться, что ваш микроскоп допускает снятие окуляра. Проверить стоит и посадочный диаметр камеры – он должен соответствовать диаметру окулярной трубки. Эту информацию можно почерпнуть из таблиц технических характеристик микроскопа и камеры.

Для работы видеоокуляра – это еще одно название камеры для оптического микроскопа – требуется подключение к компьютеру и установка программного обеспечения. Кабель и диск с драйверами обычно вкладывают в комплект поставки.

В нашем интернет-магазине вы можете приобрести цифровые камеры с разным разрешением. Недорогие модели мы рекомендуем для домашнего использования, когда в высоком качестве картинки нет особой необходимости. Максимально мощные видеоокуляры, предназначенные для передачи высокочеткого изображения, станут хорошим выбором для профессионального использования. Раздел с цифровыми камерами представлен по ссылке.

4glaza.ru
Февраль 2018

Использование материала полностью для общедоступной публикации на носителях информации и любых форматов запрещено. Разрешено упоминание статьи с активной ссылкой на сайт www.4glaza.ru.

Производитель оставляет за собой право вносить любые изменения в стоимость, модельный ряд и технические характеристики или прекращать производство изделия без предварительного уведомления.


Смотрите также

Другие обзоры и статьи о микроскопах, микропрепаратах и микромире:

  • Видео! Микроскоп Levenhuk 870T: видеосравнение фильтрованной и нефильтрованной воды (канал MAD SCIENCE, Youtube.com)
  • Видео! Микроскоп Levenhuk 870T: жизнь в капле воды с болота (канал MAD SCIENCE, Youtube.com)
  • Видео! Микроскоп Levenhuk 870T: видео радиоактивной воды (канал MAD SCIENCE, Youtube.com)
  • Видео! Микроскоп Levenhuk 870T: видеообзор (канал MAD SCIENCE, Youtube. com)
  • Видео! Микроскоп Levenhuk 870T: видео соленой воды (канал MAD SCIENCE, Youtube.com)
  • Медицинские микроскопы Levenhuk MED: обзорная статья на сайте levenhuk.ru
  • Видео! Портативный микроскоп Bresser National Geographic 20–40x и другие детские приборы линейки: видеообзор (канал «Татьяна Михеева», Youtube.com)
  • Книги знаний издательства Levenhuk Press: подробный обзор на сайте levenhuk.ru
  • Видео! Книга знаний в 2 томах. «Космос. Микромир»: видеопрезентация (канал LevenhukOnline, Youtube.ru)
  • Видео! Видео бактерий под микроскопом Levenhuk Rainbow 2L PLUS (канал «Микромир под микроскопом», Youtube.ru)
  • Обзор микроскопа Levenhuk Rainbow 50L PLUS на сайте levenhuk.ru
  • Видео! Подробный обзор серии детских микроскопов Levenhuk LabZZ M101 (канал Kent Channel TV, Youtube.ru)
  • Обзор набора оптической техники Levenhuk LabZZ MTВ3 (микроскоп, телескоп и бинокль) на сайте levenhuk.ru
  • Видео! Микроскоп Levenhuk DTX 90: распаковка и видеообзор цифрового микроскопа (канал Kent Channel TV, Youtube. ru)
  • Видео! Видеопрезентация увлекательной и красочной книги для детей «Невидимый мир» (канал LevenhukOnline, Youtube.ru)
  • Видео! Большой обзор биологического микроскопа Levenhuk 3S NG (канал Kent Channel TV, Youtube.ru)
  • Микроскопы Levenhuk Rainbow 2L PLUS
  • Видео! Микроскопы Levenhuk Rainbow и LabZZ (канал LevenhukOnline, Youtube.ru)
  • Микроскоп Levenhuk Rainbow 2L PLUS Lime\Лайм. Изучаем микромир
  • Выбираем лучший детский микроскоп
  • Видео! Микроскопы Levenhuk Rainbow 2L: видеообзор серии микроскопов (канал LevenhukOnline, Youtube.ru)
  • Видео! Микроскопы Levenhuk Rainbow 2L PLUS: видеообзор серии микроскопов (канал LevenhukOnline, Youtube.ru)
  • Видео! Микроскопы Levenhuk Rainbow 50L: видеообзор серии микроскопов (канал LevenhukOnline, Youtube.ru)
  • Видео! Микроскопы Levenhuk Rainbow 50L PLUS: видеообзор серии микроскопов (канал LevenhukOnline, Youtube.ru)
  • Видео! Микроскоп Levenhuk Rainbow D2L: видеообзор цифрового микроскопа (канал LevenhukOnline, Youtube. ru)
  • Видео! Микроскоп Levenhuk Rainbow D50L PLUS: видеообзор цифрового микроскопа (канал LevenhukOnline, Youtube.ru)
  • Обзор биологического микроскопа Levenhuk Rainbow 50L
  • Видео! Видеообзор школьных микроскопов Levenhuk Rainbow 2L и 2L PLUS: лучший подарок ребенку (канал KentChannelTV, Youtube.ru)
  • Видео! Как выбрать микроскоп: видеообзор для любителей микромира (канал LevenhukOnline, Youtube.ru)
  • Галерея фотографий! Наборы готовых микропрепаратов Levenhuk
  • Микроскопия: метод темного поля
  • Видео! «Один день инфузории-туфельки»: видео снято при помощи микроскопа Levenhuk 2L NG и цифровой камеры Levenhuk (канал LevenhukOnline, Youtube.ru)
  • Видео! Обзор микроскопа Levenhuk Rainbow 2L NG Azure на телеканале «Карусель» (канал LevenhukOnline, Youtube.ru)
  • Обзор микроскопа Levenhuk Фиксики Файер
  • Совместимость микроскопов Levenhuk с цифровыми камерами Levenhuk
  • Как работает микроскоп
  • Как настроить микроскоп
  • Как ухаживать за микроскопом
  • Типы микроскопов
  • Техника приготовления микропрепаратов
  • Галерея фотографий! Что можно увидеть в микроскопы Levenhuk Rainbow 50L, 50L PLUS, D50L PLUS
  • Сетка или шкала. Микроскоп и возможность проведения точных измерений
  • Обычные предметы под объективом микроскопа
  • Насекомые под микроскопом: фото с названиями
  • Инфузории под микроскопом
  • Изобретение микроскопа
  • Как выбрать микроскоп
  • Как выглядят лейкоциты под микроскопом
  • Что такое лазерный сканирующий микроскоп?
  • Микроскоп люминесцентный: цена высока, но оправданна
  • Микроскоп для пайки микросхем
  • Иммерсионная система микроскопа
  • Измерительный микроскоп
  • Микроскопы от самых больших профессиональных моделей до простых детских
  • Микроскоп профессиональный цифровой
  • Силовой микроскоп: для серьезных исследований и развлечений
  • Лечение зубов под микроскопом
  • Кровь человека под микроскопом
  • Галогенные лампы для микроскопов
  • Французские опыты – микроскопы и развивающие наборы от Bondibon
  • Наборы препаратов для микроскопа
  • Юстировка микроскопа
  • Микроскоп для ремонта электроники
  • Операционный микроскоп: цена, возможности, сферы применения
  • «Шкаловой микроскоп» – какой оптический прибор так называют?
  • Бородавка под микроскопом
  • Вирусы под микроскопом
  • Принцип работы темнопольного микроскопа
  • Покровные стекла для микроскопа – купить или нет?
  • Увеличение оптического микроскопа
  • Оптическая схема микроскопа
  • Схема просвечивающего электронного микроскопа
  • Устройство оптического микроскопа у теодолита
  • Грибок под микроскопом: фото и особенности исследования
  • Зачем нужна цифровая камера для микроскопа?
  • Предметный столик микроскопа – что это и зачем он нужен?
  • Микроскопы проходящего света
  • Органоиды, обнаруженные с помощью электронного микроскопа
  • Паук под микроскопом: фото и особенности изучения
  • Из чего состоит микроскоп?
  • Как выглядят волосы под микроскопом?
  • Глаз под микроскопом: фото насекомых
  • Микроскоп из веб-камеры своими руками
  • Микроскопы светлого поля
  • Механическая система микроскопа
  • Объектив и окуляр микроскопа
  • USB-микроскоп для компьютера
  • Универсальный микроскоп – существует ли такой?
  • Песок под микроскопом
  • Муравей через микроскоп: изучаем и фотографируем
  • Растительная клетка под световым микроскопом
  • Цифровой промышленный микроскоп
  • ДНК человека под микроскопом
  • Как сделать микроскоп в домашних условиях
  • Первые микроскопы
  • Микроскоп стерео: купить или нет?
  • Как выглядит раковая клетка под микроскопом?
  • Металлографический микроскоп: купить или не стоит?
  • Флуоресцентный микроскоп: цена и особенности
  • Что такое «ионный микроскоп»?
  • Грязь под микроскопом
  • Как выглядит клещ под микроскопом
  • Как выглядит червяк под микроскопом
  • Как выглядят дрожжи под микроскопом
  • Что можно увидеть в микроскоп?
  • Зачем нужны исследовательские микроскопы?
  • Бактерии под микроскопом: фото и особенности наблюдения
  • На что влияет апертура объектива микроскопа?
  • Аскариды под микроскопом: фото и особенности изучения
  • Как использовать микропрепараты для микроскопа
  • Изучаем ГОСТ: микроскопы, соответствующие стандартам
  • Микроскоп инструментальный – купить или нет?
  • Где купить отсчетный микроскоп и зачем он нужен?
  • Атом под электронным микроскопом
  • Как кусает комар под микроскопом
  • Как выглядит муха под микроскопом
  • Амеба: фото под микроскопом
  • Подкованная блоха под микроскопом
  • Вша под микроскопом
  • Плесень хлеба под микроскопом
  • Зубы под микроскопом: фото и особенности наблюдения
  • Снежинка под микроскопом
  • Бабочка под микроскопом: фото и особенности наблюдений
  • Самый мощный микроскоп – как выбрать правильно?
  • Рот пиявки под микроскопом
  • Мошка под микроскопом: челюсти и строение тела
  • Микробы на руках под микроскопом – как увидеть?
  • Вода под микроскопом
  • Как выглядит глист под микроскопом
  • Клетка под световым микроскопом
  • Клетка лука под микроскопом
  • Мозги под микроскопом
  • Кожа человека под микроскопом
  • Кристаллы под микроскопом
  • Основное преимущество световой микроскопии перед электронной
  • Конфокальная флуоресцентная микроскопия
  • Зондовый микроскоп
  • Принцип работы сканирующего зондового микроскопа
  • Почему трудно изготовить рентгеновский микроскоп?
  • Макровинт и микровинт микроскопа – что это такое?
  • Что такое тубус в микроскопе?
  • Главная плоскость поляризатора
  • На что влияет угол между главными плоскостями поляризатора и анализатора?
  • Назначение поляризатора и анализатора
  • Метод изучения – микроскопия на практике
  • Микроскопия осадка мочи: расшифровка
  • Анализ «Микроскопия мазка»
  • Сканирующая электронная микроскопия
  • Методы световой микроскопии
  • Оптическая микроскопия (световая)
  • Световая, люминесцентная, электронная микроскопия – разные методы исследований
  • Темнопольная микроскопия
  • Фазово-контрастная микроскопия
  • Поляризаторы естественного света
  • Шотландский физик, придумавший поляризатор
  • Механизм фокусировки в микроскопе
  • Что такое полевая диафрагма?
  • Микроскоп Микромед: инструкция по эксплуатации
  • Микроскоп Микмед: инструкция по эксплуатации
  • Где найти инструкцию микроскопа «ЛОМО»?
  • Микроскопы Micros: руководство пользователя
  • Какую функцию выполняют зажимы на микроскопе
  • Рабочее расстояние объектива микроскопа
  • Микропрепарат для микроскопа своими руками
  • Метод висячей капли
  • Метод раздавленной капли
  • Тихоходка под микроскопом
  • Аппарат Гольджи под микроскопом
  • Чем занять детей дома?
  • Чем заняться на карантине дома?
  • Чем заняться школьникам на карантине?
  • Выбираем микроскоп: отзывы имеют значение?
  • Микроскоп для школьника: какой выбрать?
  • Немного об оптовой закупке микроскопов и иной оптической техники
  • Во сколько увеличивает лупа?
  • Где купить лампу-лупу – косметологическую модель с подсветкой?
  • Какую купить лампу-лупу для маникюра?
  • Можно ли купить лампу-лупу для наращивания ресниц в интернет-магазине?
  • Лампа-лупа косметологическая на штативе: купить домой или нет?
  • Лупа бинокулярная с принадлежностями
  • Как выглядит лупа для нумизмата?
  • Лупа-лампа – лупа для рукоделия с подсветкой
  • «Лупа на стойке» – что это за оптический прибор?
  • Лупа – проектор для увеличенного изображения
  • Делаем лупу своими руками
  • Основные функции лупы
  • Где найти лупу?
  • Лупа бинокулярная – цена возможностей
  • Лупа канцелярская: выбираем оптическую технику для офиса
  • Как выглядит коронавирус под микроскопом?
  • Как называется главная часть микроскопа?
  • Где купить блоки питания для микроскопа?
  • Строение объектива микроскопа
  • Как выглядят продукты под микроскопом
  • Что покажет музей микроминиатюр
  • Особенности и применение методов окрашивания клеток

Основы формирования цифровых изображений - Микросистемы

На рисунке 1 представлен микроскоп проходящего/отраженного света, оснащенный цифровой фотокамерой с термоэлектрическим охлаждением (на элементе Пелтье), способной интегрировать изображения в течение длительного периода сбора данных. Камера управляется отдельным устройством, подключенным к порту FireWire IBM-совместимого персонального компьютера. Периоды интегрирования и другие параметры сбора изображений задаются при помощи специальной программ, работающей в среде Windows.

Рис. 1. Оптический микроскоп с цифровой камерой

Для подробного ознакомления с медицинской и исследовательской техникой основных мировых производителей оптических систем и сопутствующего оборудования посетите наш каталог или свяжитесь с нашими специалистами и получите полную профессиональную консультацию по любым, имеющимся у Вас, вопросам. 

Фотокамера с формирователем изображения на приборе с зарядовой связью (ПЗС-камера), оснащенная аналого-цифровым преобразователем (АЦП), обычно называется цифровой камерой. Поскольку ПЗС-кристаллы, как и все оптические датчики, являются аналоговыми устройствами и формируют переменные напряжения, термин «цифровая камера» используется только в том случае, когда эти напряжения преобразуются в цифровую форму в самóй камере и выводятся в совместимом с компьютером формате. В 12-разрядной цифровой камере аналоговый сигнал от ПЗС преобразуется встроенным АЦП в 12-битовую кодовую последовательность. Будет ли выходной сигнал в действительности разрешен на 4096 дискретных уровней интенсивности (12 разрядов) зависит от собственных шумов камеры. Чтобы иметь возможность различать отдельные уровни интенсивности, каждый из ступенчатых уровней яркости (градаций серого) должен в 2,7 раза превышать уровень шумов камеры. В противном случае, различие между ступенями, например, 2982 и 2983 будет невозможно определить с какой-либо степенью достоверности. Уровни собственных шумов некоторых 12-разрядных камер настолько велики, что не позволяют различить 4096 дискретных значений.

Если сигнал изначально аналоговый, зачем преобразовывать его в цифровой вид в камере, а не где-нибудь дальше? Встроенный в камеру АЦП дает два преимущества: снижение уровня помех и совместимый с компьютером выход. В общем случае, чем ближе АЦП к фотоприемнику, тем ниже уровень шумов. Низкоуровневые аналоговые сигналы от ПЗС намного сильнее искажаются помехами, чем их высокоуровневые цифровые эквиваленты. В идеальном случае, АЦП должен находиться на кристалле матрицы ПЗС, непосредственно возле выхода усилителя фотоприемника. Чем ниже уровень шумов, тем большее количество уровней яркости можно идентифицировать и, следовательно, тем большее количество значащих разрядов можно использовать для измерения интенсивности.

Рис. 2. Архитектура приборов с зарядовой связью

В сравнении с аналоговыми вариантами цифровые камеры обладают рядом преимуществ. В отличие от видеокамер, в которых используется чересстрочная развертка, цифровые камеры работают по принципу построчной развертки. Для оцифровывания чересстрочных видеосигналов требуются специальные платы захвата изображений и буферы кадров. Выходной сигнал камеры с построчной разверткой можно подавать непосредственно в компьютер (например, по интерфейсам IEEE-1394, RS-422 или SCSI). В камере с механизмом построчного сканирования изображение сначала полностью формируется за время экспонирования (называемого также, периодом интегрирования) а затем построчно считывается сверху вниз. Современные быстродействующие усилители и АЦП позволяют получать на выходе цифровой камеры полнокадровые изображения со скоростями, равными или превышающими скорость передачи кадров видеокамерами.

Еще одно преимущество цифровых камер состоит в том, что их выходной сигнал полностью соответствует формату сигнала для компьютерного монитора. Цифровой сигнал существенно упрощает хранение, обработку и отображение изображений, в сравнении с аналогичными операциями над видеосигналами. Цифровая фотография устраняет трудности, связанные с позитивами, слайдами и негативами, поскольку многие научные журналы сегодня принимают файлы цифровых изображений. Результат — улучшение качества изображений в публикациях и на презентациях. Цифровое изображение можно обрабатывать, сжимать, передавать через Интернет, вставлять в документы или преобразовать в постер.

Архитектура матриц ПЗС

В цифровых камерах, как правило, используются матрицы ПЗС двух типов: с построчным и с покадровым переносом. Рядом с каждым фотодиодом матрицы с построчным переносом имеются каналы переноса заряда, благодаря чему накопленный заряд эффективно и быстро сдвигается по этим каналам (рисунок 5). Фотоприемники построчного переноса можно электронным способом «заслонять», сбросив хранящийся заряд вместо того, чтобы сдвинуть его в каналы переноса. Фотоприемник матрицы ПЗС с покадровым переносом состоит из двух частей, верхняя из которых закрыта светонепроницаемой маской и используется в качестве области хранения. Свет пропускается на открытую часть матрицы, после чего накопленный заряд быстро сдвигается в закрытую область хранения. Пока сигнал интегрируется светочувствительной областью фотоприемника, происходит считывание сохраненного заряда.

В научных приложениях используются цветные цифровые камеры двух типов: с одиночной матрицей ПЗС и частотно-селективным фильтром, либо камеры с трехэлементными матрицами ПЗС. Для формирования красного, зеленого и синего полей зрения в камерах обоих типов используются фильтры. В камерах с одним фотоприемником, для последовательного формирования красного, зеленого и синего изображений, используется диск со светофильтрами или жидкокристаллический перестраиваемый фильтр. В камере с трехэлементным фотоприемником используется призма-светоделитель и распределяющие фильтры, что позволяет каждому фотоэлементу воспринимать только «свой» цвет и, в итоге, формировать одновременно три изображения. Из-за наличия дополнительных светоделителей и частотно-селективных компонентов цветные камеры всегда менее чувствительны, чем их монохромные аналоги. В некоторых областях, особенно, в иммунофлюоресценции, потеря чувствительности компенсируется возможностью формировать изображения в нескольких спектральных диапазонах одновременно, или в очень высокоскоростной последовательности. Кроме того, разрешающая способность некоторых камер повышается за счет диагонального смещения каждого красного, зеленого и синего фотодиодов на одну треть пикселя, в результате чего получаются утроенные выборки.

Хотя, производители и пользователи ПЗС-камер, как правило, рассматривают каждый фотодиод, как пиксель (элемент изображения), между количеством и положениями фотодиодов матрицы и пикселей на мониторе компьютера или на принтере нет обязательного соответствия. Тем не менее, разрешающая способность дисплея или принтера должна быть, как минимум, не хуже разрешающей способности фотоприемника.

Квантовый выход

Квантовым выходом (QE) называется процентное количество зарегистрированных падающих фотонов. (Для справки: QE дневного (фотопического) зрения человека составляет, примерно, 3%; см. рисунок 6). Квантовый выход кремниевых фотодиодов — основных структурных элементов матриц ПЗС, составляет 80% в пределах всей видимой и ближней ИК области спектра (см. рисунок 6). Спектральная чувствительность матрицы ПЗС ниже аналогичного параметра отдельного кремниевого фотодиода, поскольку на поверхности матрицы имеются каналы переноса заряда, снижающие пиковый квантовый выход, примерно, до 40%.

Рис. 3.  Спектральная чувствительность различных ПЗС

Недавно удалось повысить прозрачность каналов считывания некоторых матриц ПЗС научно-исследовательского класса и довести квантовый выход в сине-красном диапазоне до 70%. Потери чувствительности из-за поверхностных каналов полностью отсутствуют в ПЗС-фотоприемниках. В этом случае свет падает на специально вытравленную до прозрачности область на подложке матрицы ПЗС. Это позволяет достичь квантового выхода в 90%. Однако, утончение обратной стороны фотоприемника делает его хрупким и достаточно дорогим, что позволяет сегодня использовать такие фотоприемники в ПЗС-камерах только научно-исследовательского класса с медленной разверткой.

Шумы в ПЗС-камерах

ПЗС-камерам свойственны два основных вида шумов — шум темнового тока и шум считывания. Хотя за последние годы были достигнуты значительные успехи в снижении шума темнового тока матриц ПЗС при комнатной температуре, охлаждение кристалла на каждые 20°C дает дополнительное десятикратное снижение этого шума. Лучше всего темновой шум проявляется в виде «горячих» пикселей (белых точек) на изображениях, формируемых ПЗС-камерами при комнатной температуре после 4–5 секундного периода интегрирования. Охлаждения до 0°C, обычно, достаточно для увеличения периода интегрирования до 30 секунд. Для экспериментов, требующих больших времен экспонирования (например, хемилюминесценции), требуется охлаждать фотоприемник до еще более низких температур. Цифровые камеры выпускаются в охлаждаемых и неохлаждаемых вариантах.

Рис. 4.  Источники шумов в матрицах ПЗС

Шумы в цифровых камерах могут порождаться различными источниками. На рисунке 4 представлены осциллограммы некоторых наиболее распространенных шумов. Фотонный шум, темновой ток, шум с постоянным спектром и неравномерность распределения светочувствительности генерируются или обусловлены собственно матрицей ПЗС, а шум сброса, «белый» шум и шум квантования генерируются в процессе усиления и преобразования аналогового сигнала в цифровую форму. Шум считывания генерируется расположенным на кристалле ПЗС усилителем преобразования заряда, хранящегося в каждом фотодиоде (т. е., пикселе) в аналоговое напряжение, которое, затем, поступает на АЦП. Шум считывания можно рассматривать, как неизбежную «плату» за считывание хранящегося заряда. Благодаря совершенствованию конструкций матриц ПЗС, а также методов синхронизации и выборки, за последние несколько лет эта величина неуклонно снижается до 5–10 электронов/пиксель. Шум считывания пропорционален скорости считывания. Плата за скорость — рост уровня шума и, как следствие, увеличение неопределенности при измерении напряжения и меньшее количество разрядов разрешения. Именно поэтому у камер с медленной разверткой, в общем случае, уровень шума считывания меньше, а количество значащих разрядов больше, чем у быстродействующих фотоприемников. Диапазон разрядности выходного сигнала цифровых камер простирается от 8–12 разрядов при скорости 30 кадров в секунду до 16 разрядов при скорости 1–2 кадра в секунду.

Одно из решений проблемы скорости/шума считывания состоит в использовании на больших матрицах ПЗС нескольких выходных усилителей (отводов). Вместо считывания сохраненного заряда со всей матрицы ПЗС через один усилитель, матрица разделяется на четыре или на восемь секций, в каждой из которых имеется собственный усилитель. Изображение считывается по частям, а затем программно «сшивается» со скоростью нескольких кадров в секунду. Соответственно, снижается необходимая скорость и шум считывания, связанный с каждым усилителем.

Поскольку фотоны попадают на поверхность фотоприемника неупорядоченно, их количество изменяется и порождает шум, описываемый статистикой Пуассона, и равный корню квадратному из числа зарегистрированных фотонов. Естественно, к этому флуктуационному шуму добавляется шум камеры, что дополнительно снижает отношение сигнал/шум (С/Ш). Наибольшее возможное для цифровой камеры отношение С/Ш равно корню квадратному из максимального накопленного заряда (полной емкости). Простой метод оценки отношения С/Ш для любой однородной области изображения состоит в делении усредненной интенсивности рассматриваемой области на среднеквадратичное отклонение интенсивности этой же области.

Для подробного ознакомления с медицинской и исследовательской техникой основных мировых производителей оптических систем и сопутствующего оборудования посетите наш каталог или свяжитесь с нашими специалистами и получите полную профессиональную консультацию по любым, имеющимся у Вас, вопросам. 

Необходимое количество элементов изображения в цифровой камере

Разрешающая способность матрицы ПЗС является функцией количества имеющихся в ней фотодиодов и их размера относительно проецируемого изображения. Сегодня обычными для цифровых камер стали матрицы ПЗС, состоящие из 1000×1000 фотодиодов. Тенденция в производстве бытовых и профессиональных ПЗС-камер состоит в уменьшении размеров фотоэлементов, — в некоторых матрицах ПЗС фотодиоды имеют размеры 4×4 микрона. Согласно теории дискретизации, для достижения адекватного разрешения объекта необходимы, минимум, две выборки для каждой разрешимой единицы. (Для обеспечения должного уровня дискретизации многие пользователи предпочитают делать три выборки на разрешимую единицу).

Табл. 1. Требования к размерам пикселей для обеспечения максимального разрешения в оптической микроскопии

Объектив
(числовая апертура)

Предел разрешения
(микроны)

Размер
проекции на ПЗС
(микроны)

Требующийся размер пикселя
(микроны)

4x (0,20)

1,5

5,8

2,9

10x (0,45)

0,64

6,4

3,2

20x (0,75)

0,39

7,7

3,9

40x (0,85)

0,34

13,6

6,8

40x (1,30)

0,22

8,9

4,5

60x (0,95)

0,31

18,3

9,2

60x (1,40)

0,21

12,4

6,2

100x (0,90)

0,32

32,0

16,0

100x (1,25)

0,23

23,0

11,5

100x (1,40)

0,21

21,0

10,5

При длине волны 550 нанометров, в эпифлуоресцентном микроскопе дифракционный предел Аббе для объектива с числовой апертурой 1,4 составляет 0,22 мкм. Для объектива со 100-кратным увеличением проецируемый размер дифракционно-ограниченного пятна на поверхности матрицы ПЗС составит 22 мкм. Таким образом, фотодиод с размерами 11×11 мкм обеспечивает минимально необходимое оптическое и электронное разрешение, а предпочтительным является фотодиод с размерами 7×7 мкм. В таблице 1 представлены требования, предъявляемые к размерам пикселей, с целью достижения максимального разрешения для объективов с коэффициентами увеличения от 4x до 100x. Для объектива 100x без дополнительного увеличения, матрица ПЗС с одним миллионом (1000×1000) фотодиодов размерами 7×7 мкм каждый охватывает в плоскости объекта поле зрения размером 70×70 мкм. Когда размер изображения, проецируемого на матрицу ПЗС, должным образом согласован с соответствующим уровнем дискретизации, увеличение числа фотодиодов в матрице ПЗС увеличивает поле зрения, но не разрешающую способность. С тем, чтобы конечный продукт при окончательном увеличении имел надлежащее разрешение, параметры разрешающей способности различных выходных устройств могут потребовать избыточной дискретизации на фотоприемнике.

Для подробного ознакомления с медицинской и исследовательской техникой основных мировых производителей оптических систем и сопутствующего оборудования посетите наш каталог или свяжитесь с нашими специалистами и получите полную профессиональную консультацию по любым, имеющимся у Вас, вопросам. 

Динамический диапазон

Внутрикадровым динамическим диапазоном называется эффективный диапазон интенсивностей, которые можно одновременно различить в одном поле зрения. Межкадровый динамический диапазон представляет собой возможный диапазон интенсивностей, когда коэффициент усиления фотоприемника, время интегрирования, апертура объектива и другие параметры настроены на различающиеся поля зрения. Хотя, с точки зрения разрешающей способности, предпочтительны фотодиоды малых размеров, они ограничивают динамический диапазон устройства. Полная емкость матрицы ПЗС, примерно, в 1000 раз превышает площадь поперечного сечения каждого из фотодиодов. Таким образом, полная емкость матрицы ПЗС с пикселями 7×7 мкм должна составлять 49000 электронов или дырок. (Дыркой называется область кремния, из которой удален электрон, и которая является, в равной мере действительной и используемой мерой зарегистрированных фотонов. Как правило, используется термин «электрон», хотя, в большинстве своем, матрицы ПЗС считывают количество генерируемых дырок, а не электронов). Поскольку матрицы ПЗС не обладают собственным коэффициентом усиления, на каждый зарегистрированный фотон образуется пара «электрон-дырка».

Динамический диапазон матрицы ПЗС, обычно, определяется, как полная емкость, деленная на шум камеры. Шум камеры определяется, как корень квадратный из суммы квадратов темнового шума и шума считывания. Следовательно, динамический диапазон матрицы ПЗС с полной емкостью в 49000 электронов, с шумом считывания, равным 10 электронам и пренебрежимо малым темновым шумом, равен, приблизительно 4900, что соответствует 12 разрядному выходному сигналу. Однако, преобразование выходного сигнала такой камеры в 12-разрядный код означает деление 49000 электронов на 4096 аналогово-цифровых единиц, по12 электронов каждая (49000/4096). Поскольку шумовая составляющая равна 10-и электронам, каждая градация яркости всего лишь в 1,2 раза превышает уровень шума, вследствие чего не может быть дискриминирована (распознана). Преобразование в 10-разрядный код дает аналогово-цифровые единицы емкостью по 49 электронов, что почти в пять раз выше уровня шума и позволяет дискриминировать все 1024 градации яркости. В таблице 2 представлены соотношения битовой глубины (разрядности цвета), градаций яркости и динамического диапазона (в децибелах) в пределах пяти порядков (100 000 крат).

Контроль скорости, эффективного размера пикселя и поля зрения

Цифровые камеры с низкой частотой сканирования (медленной разверткой) позволяют контролировать скорость считывания, эффективный размер пикселей, (образующих фотоприемник), и поле зрения. Научно-исследовательскиеПЗС-камеры, обычно, позволяют выполнять считывание на двух и более скоростях, благодаря чему можно найти компромисс между скоростью и шумом считывания. В большинстве камер с низкой частотой сканирования эффективный размер пикселя можно увеличивать за счет бининга, — процесса объединения зарядов соседних фотодиодов в кластер, сигнал которого обрабатывается, как сигнал, поступивший от фотоприемника большего размера.

Табл. 2 Динамический диапазон приборов с зарядовой связью

Разрядность цвета

Градации
яркости

Динамический диапазон
(децибелы)

1

2

6 дБ

2

4

12 дБ

3

8

18 дБ

4

16

24 дБ

5

32

30 дБ

6

64

36 дБ

7

128

42 дБ

8

256

48 дБ

9

512

54 дБ

10

1 024

60 дБ

11

2 048

66 дБ

12

4 096

72 дБ

13

8 192

78 дБ

14

16 384

84 дБ

16

65 536

96 дБ

18

262 144

108 дБ

20

1 048 576

120 дБ

Бининг удобен при очень низких уровнях освещенности (малом количестве регистрируемых фотонов), поскольку позволяет повысить чувствительность, хотя бы и в ущерб пространственному разрешению. Кроме того, большинство ПЗС-камер с медленной разверткой позволяет производить считывание интересующей области изображения и игнорировать остальную часть накопленного заряда. Как правило, скорость пересылки кадров увеличивается пропорционально сокращению поля зрения. Например, матрица ПЗС с 1000×1000 фотодиодов обеспечивает выходную скорость 10 кадров/с, а при сокращении области считывания до 100×100 фотодиодов может выдавать 100 кадров/с. Находя компромисс между размерами поля зрения и скоростью передачи кадров, пользователь может приспособиться к более широкому кругу условий проведения эксперимента, чем это было бы возможно при использовании камеры с неизменной скоростью передачи кадров.

Цифровые камеры с электронно-оптическим преобразователем

Сегодня некоторые производители предлагают цифровые камеры, оснащенные электронно-оптическим преобразователем (усилителем яркости) изображения для съемки в условиях чрезвычайно низкой освещенности. В состав преобразователя входит фотокатод, расположенный в непосредственной близости к микроканальной пластине электронного умножителя, и фосфоресцирующий экран вывода (см. рисунок 2). Фотокатоды преобразователей последнего поколения имеют высокий квантовый выход (до 50%) в сине-зеленой области спектра. Коэффициент усиления преобразователя регулируется в широких пределах; типовой максимум равен 80000. Тепловой шум, создаваемый фотокатодом, и шум микроканальной пластины делают отношение С/Ш ПЗС-камеры с усилителем яркости изображения меньшим, чем у ПЗС-камеры с медленной разверткой. Разрешающая способность ПЗС-камеры с электронно-оптическим усилителем определяется этим усилителем и матрицей ПЗС, но, как правило, ограничивается геометрией микроканальной пластины, и составляет, приблизительно, 75% от разрешающей способности собственно матрицы ПЗС.

Рис. 5.  Короткофокусный электронно-оптический преобразователь

По сравнению с камерами с медленной разверткой, цифровые камеры с ЭОП обладают более узким динамическим диапазоном (в том числе и внутрикадровым), а их разрешающая способность, в большинстве случаев, ограничивается 10-ю разрядами. Коэффициент усиления преобразователя можно быстро изменять соответственно изменениям яркости съемочного плана, с большим уровнем воспроизводимости результата, что расширяет межкадровый динамический диапазон.

Действительно, поскольку усилители яркости можно стробировать, т. е., включать и выключать в течение нескольких наносекунд, то для визуализации сравнительно ярких объектов время пребывания усилителя во включенном состоянии можно сократить. Цифровые камеры со стробируемым усилителем яркости изображения требуются для большинства приложений флуоресцентной микроскопии с разрешением по времени, поскольку коэффициент передачи фотоприемника можно с высокой частотой модулировать синхронно с источником света. По той причине, что для визуализации живых клеток требуются световые потоки низкой интенсивности, ПЗС-камеры с усилителем яркости часто используются для изучения динамических явлений и для визуализации и анализа соотношений.

Выбор камеры

Ни один отдельно взятый фотоприемник не соответствует всем требованиям флуоресцентной микроскопии, поэтому, исследователь вынужден идти на компромисс. Часто критическим параметром является время экспонирования (выдержка). При наличии достаточного времени для интегрирования, ПЗС-камера с медленной разверткой будет превосходить камеру с электронно-оптическим преобразователем по всем параметрам, главным образом, за счет более высокого квантового выхода и низкого уровня шумов. Охлаждение всегда улучшает параметры цифровой камеры, хотя, при времени интегрирования в несколько секунд, или менее, и при 8-12-разрядном выходном сигнале это улучшение может быть незаметным. Для приложений, в которых применяется цифровая деконволюция, следует выбрать охлаждаемую, с медленной разверткой камеру научно-исследовательского класса, способную формировать 14-16-разрядные изображения с высоким разрешением. Размер фотодиодов имеет значение, — фотодиоды некоторых матриц ПЗС настолько малы, что время интегрирования необходимо ограничивать, во избежание насыщения ячеек накопления заряда, что может привести к ухудшению динамического диапазона и пикового соотношения С/Ш. Для изучения быстрого, но точно прогнозируемого по времени начала явления, может подойти ПЗС-камера с медленной разверткой, работающая в режиме пикового импульса (вспышки) или в высокоскоростном режиме. Однако, если явление трудно предсказуемо, и для его регистрации необходимо непрерывно наблюдать образец в световом потоке низкой интенсивности, выбор следует остановить на ПЗС-камере с электронно-оптическим усилителем яркости изображения. Именно такие камеры используются для получения флуоресцентных изображений единичных молекул.

Рис. 6. Тонкий срез кишечника мыши (Флуоресцентное/фазово-контрастное изображение)

На рисунке 6 представлена микрофотография комбинированного эпифлуоресцентного/фазово-контрастного изображения тонкого среза кишечника мыши, трижды окрашенного несколькими флуоресцентными хромофорами. Для регистрации изображения использовался микроскоп Nikon Eclipse E600, аналогичный представленному на рисунке 1, оборудованный цифровой камерой Nikon DXM 1200. Для цветной съемки обычных гистологических образцов (препаратов) предпочтение следует отдать камере с трехэлементной матрицей ПЗС, вместо дешевой камеры с одним фотоэлементом и встроенной цветоделительной маской. В области светлопольной и флуоресцентной микроскопии очень хорошо зарекомендовали себя камеры высокого разрешения, с одноэлементной матрицей ПЗС, оснащенные съемным красно-зелено-синим жидкокристаллическим светофильтром.

Дальнейшие перспективы

Достижения последних лет в области совершенствования камер на базе КМОП-структур (комплементарных структур «металл-окисел-полупроводник») сделали серьезную заявку на использование в будущем этих устройств во флуоресцентной микроскопии. КМОП-камеры оснащаются встроенными в кристалл фотоприемника усилителем и аналого-цифровым преобразователем, которые связаны с каждым фотодиодом. В результате получается недорогое, компактное, универсальное средство регистрации, сочетающее в себе преимущества кремниевого фотоприемника с отсутствием проблем переноса заряда. Интерфейс КМОП-фотоприемника с компьютером дает возможность манипулировать отдельными фотодиодами, считывать интересующие области изображения, осуществлять высокоскоростную выборку, управлять электронной обтюрацией и форматом экспозиции. До недавнего времени недостатком таких фотоприемников считался высокий уровень шума с постоянным спектром, связанным с помехами коммутации и дискретизации. Однако, сегодня эти проблемы успешно решаются. Возможно, в ближайшем будущем такие устройства заменят ПЗС-фотоприемники в цифровых камерах, предназначенных для целого ряда научных приложений.

Заключение

Цифровой метод получения изображений предоставляет пользователю множество возможностей, включая простую в использовании аппаратуру, позволяющую легко сохранять, обрабатывать и использовать полученные изображения.

Разрешающая способность, скорость пересылки изображения и точность цветовоспроизведения — хорошие отправные точки при выборе цифровой камеры, однако, не менее важны хорошее программное обеспечение и простота в использовании. Простота цифровой съемки сделала получение высококачественных изображений доступным каждому.

Для подробного ознакомления с медицинской и исследовательской техникой основных мировых производителей оптических систем и сопутствующего оборудования посетите наш каталог или свяжитесь с нашими специалистами и получите полную профессиональную консультацию по любым, имеющимся у Вас, вопросам. 

Работа цифровой камеры - блок-схема, параметры, цветовая фильтрация

О работе камеры я уже рассказывал. Там были объяснены почти все основы этого поста. А теперь расскажите подробнее о цифровой камере, ее работе, а также преимуществах.

Цифровую камеру можно рассматривать как переделку обычной аналоговой камеры. Большинство связанных компонентов также одинаковы, за исключением того, что вместо света, падающего на светочувствительную пленку, например аналоговую камеру, в цифровых камерах используются датчики изображения.Хотя аналоговые камеры в основном зависят от механических и химических процессов, цифровые камеры зависят от цифровых процессов. Это серьезный сдвиг по сравнению с его предшественником, поскольку концепция сохранения и совместного использования аудио и видео контента была упрощена.

СМОТРЕТЬ: РАБОТА АНАЛОГОВОЙ КАМЕРЫ

Основные сведения о цифровой камере

Как было сказано ранее, основные компоненты одинаковы как для аналоговых, так и для цифровых камер.Но с той лишь разницей, что изображения, полученные в аналоговую камеру, будут распечатаны на фотобумаге. Если вам нужно отправить эти фотографии по почте, вам придется преобразовать их в цифровую форму. Итак, фото нужно отсканировать в цифровом виде.

Этой трудности не видно на цифровых фотографиях. Фотографии с цифровой камеры уже находятся в цифровом формате, который компьютер может легко распознать (0 и 1). 0 и 1 в цифровой камере хранятся в виде цепочек крошечных точек, называемых пикселями.

Датчики изображения, используемые в цифровом устройстве, могут быть либо устройством с зарядовой связью (CCD), либо дополнительным металлооксидным полупроводником (CMOS). Оба этих датчика изображения были подробно объяснены ранее.

СМОТРЕТЬ: ЗАРЯДНЫЕ УСТРОЙСТВА (CCD)

СМОТРЕТЬ: CMOS ДАТЧИК АКТИВНЫХ ПИКСЕЛЕЙ (CMOS APS)

СМОТРЕТЬ: CCD V / s CMOS

Датчик изображения в основном представляет собой микрочип шириной около 10 мм.Чип состоит из множества датчиков, которые могут преобразовывать свет в электрические заряды. Хотя и CMOS, и CCD очень распространены, кристаллы CMOS, как известно, дешевле. Но для более высокого диапазона пикселей и дорогостоящих камер в основном используется технология CCD.

Цифровая камера имеет объектив / линзы, которые используются для фокусировки света, который должен проецироваться и создаваться. Этот свет фокусируется на датчике изображения, который преобразует световые сигналы в электрические. Свет падает на датчик изображения, как только фотограф нажимает кнопку спуска затвора.Как только затвор открывается, пиксели освещаются светом разной интенсивности. Таким образом генерируется электрический сигнал. Затем этот электрический сигнал преобразуется в цифровые данные и сохраняется в компьютере.

Разрешение пикселей цифровой камеры

Четкость фотографий, сделанных с цифровой камеры, зависит от ее разрешения. Это разрешение всегда измеряется в пикселях. Если количество пикселей больше, разрешение увеличивается, тем самым улучшая качество изображения.Для камер доступно множество типов разрешений. Они отличаются в основном ценой.

  • 256 × 256 - это базовое разрешение камеры. Снимки, сделанные в таком разрешении, будут выглядеть размытыми и зернистыми. Они самые дешевые и к тому же неприемлемые.
  • 640 × 480 - это камера с чуть более высоким разрешением, чем тип 256 × 256. Хотя можно получить более четкое изображение, чем первое, они часто считаются низкими. Эти камеры подходят для размещения фотографий и изображений на веб-сайтах.
  • 1216 × 912 - это разрешение обычно используется в студиях для печати изображений. Всего доступно 1 109 000 пикселей.
  • 1600 × 1200 - это тип с высоким разрешением. Снимки высокого качества и могут быть использованы для создания 4 × 5 с тем же качеством, что и в фотолаборатории.
  • 2240 × 1680 - это обычно называют 4-мегапиксельными камерами. С таким разрешением вы легко можете распечатать фотографию размером до 16 × 20 дюймов.
  • 4064 × 2704 - обычно обозначается как 11.1-мегапиксельная камера. 11,1 мегапикселя делает снимки в этом разрешении. С таким разрешением вы можете легко распечатать фотографии размером до 13,5 × 9 дюймов без потери качества изображения.
  • Существуют камеры даже с более высоким разрешением до 20 миллионов пикселей или около того.

Фильтрация цветов с использованием алгоритмов демозаики

Датчики, используемые в цифровых камерах, на самом деле не различают цвета. Все, что он знает, - это отслеживать интенсивность падающего на него света. Для получения цветного изображения на фотосайтах используются фильтры, позволяющие получить три основных цвета.После объединения этих цветов получается требуемый спектр.

Для этого используется механизм, называемый интерполяцией. Массив цветных фильтров помещается поверх каждого отдельного фотосайта. Таким образом, датчик разделен на красный, зеленый и синий пиксели, обеспечивая точный результат истинного цвета в определенном месте. Фильтр, наиболее часто используемый для этого процесса, называется шаблоном фильтра Байера. В этом шаблоне альтернативный ряд красных и зеленых фильтров с рядом синих и зеленых фильтров.Количество доступных зеленых пикселей будет равно количеству синего и красного вместе взятых. Он разработан в другой пропорции, поскольку человеческий глаз не одинаково чувствителен ко всем трем цветам. Наши глаза будут воспринимать истинное зрение только в том случае, если зеленых пикселей больше.

Основным преимуществом этого метода является то, что для записи всей информации о цвете требуется только один датчик. Таким образом, размер камеры, а также ее цена могут быть значительно уменьшены. Таким образом, с помощью фильтра Байера получается мозаика из всех основных цветов с различной интенсивностью.Эти различные интенсивности могут быть дополнительно упрощены до мозаики одинакового размера с помощью метода, называемого алгоритмами демозаики. Для этого три составных цвета из одного пикселя смешиваются, чтобы сформировать единственный истинный цвет, путем определения средних значений ближайших окружающих пикселей.

Взгляните на схему цифровой камеры, показанную ниже.

Схема цифровой камеры

Параметры цифровой камеры

Цифровой фотоаппарат, как и пленочный, имеет определенные параметры.Эти параметры определяют четкость изображения. Прежде всего, необходимо контролировать количество света, который проходит через линзу и попадает на датчик. Для этого параметры

  1. Диафрагма - Диафрагма - это диаметр отверстия в камере. Это можно установить в автоматическом или ручном режиме. Профессионалы предпочитают ручной режим, так как они могут внести свой вклад в изображение.

2. Выдержка - Выдержка - это скорость и количество света, проходящего через диафрагму.Это может быть только автоматическое. И диафрагма, и выдержка играют важную роль в создании хорошего изображения.

3. Фокусное расстояние - Фокусное расстояние - это коэффициент, разработанный производителем. Это расстояние между объективом и сенсором. Это также зависит от размера сенсора. Если размер сенсора небольшой, фокусное расстояние также будет пропорционально уменьшено.

4. Объектив - В основном для цифровых фотоаппаратов используются объективы четырех типов.Они различаются стоимостью камеры, а также настройкой фокусного расстояния. Их

  • Объектив с фиксированным фокусом и фиксированным зумом - они очень распространены и используются в недорогих камерах.
  • Объективы с оптическим зумом и автоматической фокусировкой - это объективы с регулировкой фокусного расстояния. У них также есть варианты «широкоугольный» и «телефото».
  • Цифровой зум - Полноразмерные изображения получаются путем снятия пикселей из центра датчика изображения. Этот метод также зависит от разрешения, а также от датчика, используемого в камере.
  • Системы сменных объективов - Некоторые цифровые камеры заменяют свои объективы на 35-миллиметровые объективы, чтобы получить лучшее изображение.

Цифровые фотоаппараты в / сек. Аналоговые фотоаппараты

  • Качество изображения, получаемого в пленочной камере, намного лучше, чем в цифровой.
  • Развитие технологий сделало съемку с помощью цифровых технологий более простой и популярной.
  • Так как цифровая копия может быть размещена на веб-сайтах, фотографии могут быть отправлены кому угодно в этом мире.

Как работают цифровые фотоаппараты?

Криса Вудфорда. Последнее изменение: 1 ноября 2020 г.

Цифровые фотоаппараты дают совершенно новый смысл идеи рисования цифрами. В отличие от пленочных фотоаппаратов старого образца, они захватывают и записывают изображения окружающий мир с помощью цифровых технологий. Другими словами, они хранят фотографии не как узоры тьмы и света, а как длинные цепочки чисел. У этого есть много преимуществ: дает нам мгновенные фотографии, позволяет редактировать наши изображения и упрощает нам обмен фотографиями с помощью мобильных телефонов (мобильных телефоны), электронную почту и веб-сайты.

Фото: типичный недорогой цифровой фотоаппарат. Круг - это линза; прямоугольник над ним - ксеноновая лампа-вспышка. Вы можете увидеть, как эта камера выглядит внутри, на фото ниже на этой странице.

Как работают обычные пленочные фотоаппараты

Фото: пленочный фотоаппарат старого образца с конца 1980-е годы. Пленка загружается в катушку справа и перематывается на другую. катушка слева, по пути проходящая перед линзой. Когда ты сделай фото, затвор позволяет свет попадает из линзы и экспонирует пленку.Это все очень похоже на XIX век по сравнению с цифровой фотографией!

Если у вас есть камера старого образца, вы поймете, что она бесполезна без одного жизненно важного оборудования: пленки . Пленка - это длинная катушка из гибкого пластика, покрытого специальными химикатами (на основе соединений серебра) чувствительные к свету. Чтобы свет не испортил пленку, ее заворачивают внутрь жесткой, светонепроницаемый пластиковый цилиндр - вещь, которую вы вставляете в фотоаппарат.

Если вы хотите сделать снимок пленочной камерой, вам нужно нажать кнопку кнопка.Это приводит в действие механизм, называемый затвором, который делает отверстие (диафрагма) на короткое время открывается в передней части камеры, позволяя свет проникает через линзу (толстый кусок стекло или пластик установлен спереди). Свет вызывает реакции в химикаты на пленке, таким образом сохраняя изображение перед вами.

Это не однако это конец процесса. Когда фильм заполнен, ты нужно отнести в аптеку (аптеку), чтобы это было развитый. Обычно это включает размещение пленки в огромном автоматическая проявочная машина.Машина открывает фильм контейнер, вытаскивает пленку и окунает ее в другие химические вещества. чтобы ваши фотографии появились. Этот процесс превращает фильм в серию "негативных" картинок - призрачных перевернутых версий то, что вы на самом деле видели. На негативе черные области выглядят светлыми и наоборот, и все цвета тоже выглядят странно, потому что негатив хранит их как противоположности. Как только машина произведет негативы, он использует их для печати (готовых версий) ваших фото.

Если вы хотите сделать только одну или две фотографии, все это может быть немного неприятность.Большинство людей теряют фотографии просто чтобы «закончить фильм». Часто приходится ждать несколько дней на проявку пленки и распечатки ( готовые фотографии) вернулся к вам. Неудивительно, что цифровая фотография стала очень популярной, потому что она решает все эти проблемы одним махом.

(Кстати, если вы хотите узнать больше о пленочных фотоаппаратах и ​​традиционной фотографии, см. нашу основную статью о том, как работают пленочные фотоаппараты.)

Как работают цифровые фотоаппараты

Фото: типичный датчик изображения.Зеленый прямоугольник в центре (размером с ноготь) - это светочувствительная часть; золотые провода, идущие от него, подключают его к цепи камеры.

Цифровые фотоаппараты очень похожи на обычные пленочные фотоаппараты, но работают в совершенно другой способ. Когда вы нажимаете кнопку, чтобы взять сфотографировать цифровым фотоаппаратом, апертура открывается в передней части камера и свет проходит через объектив. Пока что как пленочный фотоаппарат. Однако с этого момента все по-другому.Нет пленки в цифровом камера. Вместо этого есть кусок электронное оборудование, которое улавливает падающие световые лучи и превращает их в электрические сигналы. Этот световой датчик может быть одного из двух типов: с зарядовой связью. устройство (CCD) или датчик изображения CMOS .

Если вы когда-нибудь смотрели на экран телевизора, закройте вверх, вы заметите, что изображение состоит из миллионов крошечных цветные точки или квадраты называются пикселей . ЖК-экраны ноутбуков также создают изображения с помощью пикселей, хотя они часто слишком мал, чтобы увидеть.На экране телевизора или компьютера, электронное оборудование включает и выключает все эти цветные пиксели очень быстро. Свет от экрана попадает в ваши глаза и мозг обманом заставляет увидеть большую движущуюся картинку.

В цифровом фотоаппарате происходит прямо противоположное. Свет от объект, который вы фотографируете, увеличивается в объектив камеры. Этот входящий "Картинка" попадает на чип датчика изображения, который разбивает ее на миллионы пикселей. Датчик измеряет цвет и яркость каждого пикселя. и сохраняет его как число.Ваша цифровая фотография эффективно чрезвычайно длинная строка чисел, описывающая точные детали каждого содержащегося в нем пикселя. Вы можете узнать больше о том, как датчик изображения создает цифровое изображение в нашем статья о веб-камерах.

Как в цифровых камерах используются цифровые технологии

После того, как изображение сохранено в числовой форме, вы можете делать все, что угодно. с этим. Подключите цифровую камеру к компьютеру, и вы сможете скачать сделанные вами изображения и загрузить их в такие программы, как PhotoShop чтобы отредактировать их или оживить.Или вы можете загружать их на веб-сайты, отправлять по электронной почте друзьям и т. Д. на. Это возможно, потому что ваши фотографии хранятся в цифровом формате. формат и всевозможные другие цифровые гаджеты - от MP3-плееры iPod на от мобильных телефонов и компьютеров до фотопринтеров - используйте цифровые технологии тоже. Цифровой - это своего рода язык, на котором все электронные гаджеты «говорят» сегодня.

Фото: Цифровые фотоаппараты намного удобнее чем пленочные камеры. Вы можете сразу увидеть, как изображение будет выглядеть на ЖК-дисплее. экран на спине.Если с вашей картинкой не все в порядке, вы можете просто удалить ее и попробовать опять таки. Вы не можете сделать это с пленочной камерой. Цифровые камеры означают фотографы могут быть более креативными и экспериментальными.

Если вы откроете цифровую фотографию в программе рисования (редактирования изображений), вы можете изменить его разными способами. Такая программа работает изменяя числа, представляющие каждый пиксель изображения. Так, если вы нажмете на элемент управления, который сделает изображение на 20 процентов ярче, программа по очереди перебирает все числа для каждого пикселя и увеличивает их на 20 процентов.Если вы зеркально отразите изображение (переверните его по горизонтали), программа меняет последовательность чисел на обратную. магазины, поэтому они работают в противоположном направлении. Что вы видите на Экран - это изображение, изменяющееся по мере того, как вы редактируете или манипулируете им. Но что вы не видите, меняет ли программа рисования все числа в фон.

Некоторые из этих методов редактирования изображений встроены в более сложные цифровые фотоаппараты. У вас может быть камера с оптическим зумом и цифровой зум. Оптический зум означает, что объектив перемещается внутрь и наружу. для увеличения или уменьшения входящего изображения при попадании на ПЗС-матрицу.А цифровой зум означает, что микрочип внутри камеры взрывает входящее изображение без фактического перемещения объектива. Таким образом, как и при приближении к телевизору, качество изображения ухудшается. Короче говоря, оптическое увеличение делает изображения больше и такими же четкими, но цифровое масштабирование делает изображения больше и более размытыми.

Почему цифровые камеры сжимают изображения

Представьте на мгновение, что вы - ПЗС- или КМОП-датчик изображения. Выгляни в окно и попробуй выяснить, как бы вы могли хранить детали вида, который вы видите.Во-первых, вам нужно разделить изображение на сетку квадратов. Итак, вам нужно будет нарисовать воображаемую сетку поверх окна. Затем вам нужно будет измерить цвет и яркость каждого пиксель в сетке. Наконец, вам придется написать все эти измерения вниз как числа. Если вы измерили цвет и яркость для шести миллионов пикселей и записал оба значения как чисел, вы получите строку из миллионов чисел - просто чтобы хранить одну фотографию! Вот почему качественные цифровые изображения часто создавать огромные файлы на вашем компьютере.Каждого может быть несколько размером в мегабайты (миллионы символов).

Чтобы обойти это, цифровые фотоаппараты, компьютеры и другие цифровые устройства используйте технику под названием сжатие . Сжатие - это математический трюк это включает сжатие цифровых фотографий поэтому их можно хранить с меньшим количеством номеров и меньшим объемом памяти. Одна из популярных форм сжатия называется JPG (произносится как J-PEG, что расшифровывается как Joint Photographic Experts Group имени ученых и математиков кто придумал идею).JPG известен как "с потерями" сжатие, потому что, когда фотографии сжимаются таким образом, некоторые информация потеряна и не может быть восстановлена. JPG высокого разрешения использовать много места в памяти и выглядеть очень четко; использование JPG низкого разрешения гораздо меньше места и выглядят более размытыми. Вы можете узнать больше о сжатие в нашей статье о MP3 игроков.

Большинство цифровых фотоаппаратов имеют настройки, позволяющие делать снимки с более высоким или более высоким разрешением. более низкие разрешения. Если вы выберете высокое разрешение, камера сможет хранить на карте памяти меньше изображений, но они намного лучшего качества.Выберите низкое разрешение, и вы получите больше изображений, но качество не будет таким хорошим. Изображения с низким разрешением сохраняются с большим сжатием.

Превращение обычных фотографий в цифровые

Есть способ превратить фотографии с обычной пленочной камеры в цифровые фотографии - путем их сканирования. Сканер - это часть компьютера оборудование, похожее на небольшой копировальный аппарат но работает как цифровая камера. Когда вы помещаете фотографии в сканер, свет сканирует поперек них, превращая их в строки пикселей и, таким образом, в цифровые изображения, которые вы можете просматривать на своем компьютере.

Что такое «беззеркальные» фотоаппараты?

Фактически существует четыре различных типа цифровых фотоаппаратов. Самый простой, известный как наведи и стреляй, , имеет объектив для захвата света (который может увеличивать или уменьшать масштаб), датчик изображения для преобразования светового рисунка в цифровую форму и ЖК-экран на задней панели для просмотра фотографий. На противоположном конце спектра камеры DSLR (Digital Single Lens Reflex) выглядят как традиционные профессиональные пленочные камеры и имеют внутри движущееся откидное зеркало, которое позволяет вам просматривать точную картинку, которую вы собираетесь снимать, через объектив ( для объяснения того, как работает SLR, смотрите нашу статью о пленочных камерах).Самая последняя инновация, беззеркальные цифровые фотоаппараты , представляет собой своего рода гибрид этих двух конструкций: они отказываются от система шарнирных зеркал в пользу ЖК-видоискателя с более высоким разрешением, установленного ближе к датчику изображения, что делает их меньше, легче, быстрее и тише. Наконец, есть камеры для смартфонов , которые напоминают модели «наведи и снимай», но не имеют таких функций, как оптический зум.

Чем цифровые фотоаппараты соотносятся с фотоаппаратами смартфонов?

Из того, что я сказал до сих пор, вы можете видеть, что цифровые камеры - замечательная вещь, если вы сравнивая их со старыми пленочными фотоаппаратами.Благодаря превосходному ультрасовременному изображению датчиков, на самом деле нет веских причин (кроме ностальгического предпочтения аналоговая технология) для использования пленки. Вас простят за то, что вы думаете, что продажи цифровых фотоаппаратов будут взрывается в результате, но вы ошибаетесь. За последние несколько лет, продажи цифровых фотоаппаратов падают одновременно с двузначным числом с массовым ростом количества смартфонов и планшетов (которые сейчас продаются более чем 1,5 миллиарда ежегодно). Посетите сайт обмена фотографиями, например Flickr, и вы обнаружите, что самые популярные «камеры» на самом деле телефоны: в сентябре 2019 г., когда я обновляю эту статью, Все пять лучших камер Flickr айфоны.Есть ли веская причина владеть автономным цифровым камеры больше или теперь можно все делать с камерой телефона?

Фото: плюсы и минусы цифровых фотоаппаратов и смартфонов резюмированы на трех фотографиях. Даже цифровые камеры типа «наведи и снимай», такие как мой старый Canon Ixus, имеют большие, лучшие телескопические линзы (вверху) и сенсоры по сравнению с таковыми в лучших камерах для смартфонов, таких как мой новый LG (в центре). Но смартфоны, несомненно, имеют хорошие возможности подключения, и их экраны больше, лучше и четче (внизу).Здесь вы можете увидеть огромный экран моего смартфона, изображенный на превью фотографии на крошечном экране Canon.

Датчики и экраны

Сделайте шаг назад на десять лет, и не будет никакого сравнения между грубые и неуклюжие снимки камер на мобильных телефонах и даже на самых посредственные компактные цифровые фотоаппараты. В то время как цифровые устройства хвастались постоянно растущее число мегапикселей, мобильные телефоны сделали грубые снимки немного лучше, чем у обычной веб-камеры (1 Мегапиксель или меньше было обычным явлением).Теперь все изменилось. Цифровая камера Canon Ixus / Powershot 10-летней давности, которую я обычно использую, имеет разрешение 7,1 мегапикселя, то есть отлично подходит почти для всего, что я когда-либо хотел делать. Мой новый смартфон LG имеет разрешение 13 мегапикселей, что (по крайней мере теоретически) звучит так, будто он должен быть вдвое лучше.

Но ждать! «Мегапиксели» - это маркетинговая уловка, вводящая в заблуждение: действительно важен размер и качество самих датчиков изображения. Как правило, чем больше датчик, тем лучше снимки.Сравнивая необработанные технические данные, Canon Ixus заявляет о ПЗС-матрицах размером 1 / 2,5 дюйма. в то время как LG имеет 1 / 3,06-дюймовую CMOS (более новый, несколько иной тип сенсорного чипа). Что на самом деле означают эти числа? Измерения сенсора основаны на бесполезной запутанной математике, которую я не собираюсь здесь объяснять, и Вы можете поверить в то, что обе эти камеры имеют крошечные сенсоры, примерно вдвое меньше мизинца (менее 5 мм в каждом направлении), хотя сенсор Canon значительно больше. Digital Ixus, хотя на восемь лет старше, чем смартфон LG, и имеет вдвое меньше «мегапикселей», имеет значительно больший сенсорный чип, который, вероятно, превзойдет LG, особенно в условиях низкой освещенности.

Canon также набирает намного лучше, телескопический объектив (технически оценено 5,8–17,4 мм, что эквивалентно 35–105 мм) - лучшего качества и телескопической при загрузке - которая может снимать все с бесконечного расстояния пейзажи и макро-снимки пауков и мух крупным планом. Но у меня есть загрузить свои фотографии в компьютер, чтобы понять, насколько они хороши или плохи потому что у Canon есть только крошечный 6-сантиметровый (2,5-дюймовый) ЖК-экран. LG более чем в два раза лучше по диагонали экрана - 14 см (5.5 дюймов) "монитор". По оценкам Canon, экран Ixus имеет 230 000 пикселей, а LG может похвастаться четырехъядерным HD (2560 × 1440 пикселей), что примерно в шестнадцать раз больше. Возможно, я не смогу делать более качественные снимки с помощью LG, но, по крайней мере, я могу мгновенно оценить и оценить их на экране, не уступающем HD-телевизору (хотя и карманного размера).

Имейте в виду, что мой Canon - это всего лишь компактный компакт, так что это не совсем справедливое сравнение того, чего можно достичь с помощью действительно хорошей цифровой камеры и действительно хорошего смартфона.Мой LG лучше всех камер для смартфонов, но Ixus далеко не так хорош как лучшие цифровые фотоаппараты. Профессиональная зеркальная фотокамера будет иметь датчик , который намного больше, чем у смартфона - до 3,6 см × 2,4 см, поэтому она сможет захватывать действительно мелкие детали даже при самом низком уровне освещения. У него также был бы больший и лучший экран и лучшие (сменные) линзы.

Фото: это крупный план камеры внутри LG (со снятой крышкой).Что ты смотришь А вот и объектив: чип датчика изображения находится прямо под ним. (Если неясно, я указываю на красную ручку.)

Социальные сети

Конечно, где камеры смартфонов действительно забивают, так это в «смартфонах». отдел: по сути, это компьютеры, которые можно легко достать из кармана. портативный и всегда в сети. Так что не только у вас больше шансов делать случайные фотографии (потому что у вас всегда есть камера), но вы можете мгновенно загрузить свои снимки в Instagram с метким названием, Facebook или Twitter.И это настоящая причина, по которой смартфон камеры превзошли цифровые модели старой школы: сама фотография изменен с цифрового эквивалента дагерротипа XIX века (сам по себе возврат к портретным картинам старых) к чему-то более непринужденный, немедленный и, конечно же, социальный . Для цели Facebook или Twitter, часто просматриваемые на мобильных устройствах с маленьким экраном устройств, вам не нужно больше пары мегапикселей, самое большее. (Убедитесь в этом сами, загрузив изображение в высоком разрешении из Instagram или Flickr, и редко бывает больше пары сотен размер в килобайтах и ​​не более 1000 мегапикселей в каждом измерении, Всего меньше одного мегапикселя.) Даже лучше сайты обмена фотографиями, такие как Instagram и Flickr, большинство людей будут никогда не просматривайте свои фотографии в многомегапиксельном разрешении: они просто не поместились бы на экране. Таким образом, даже если ваш смартфон не имеет большого количества мегапикселей, он на самом деле не имеет значения: большинство людей листают ваши фотографии на своих смартфоны не заметят - или не позаботятся. Социальные сети - значит никогда не иметь сказать, что вам жаль, что вы забыли свою зеркалку и у вас был только iPhone!

Дополнения для смартфонов

Теперь совершенно верно, что фотографии, сделанные на первоклассном Canon или Nikon DSLR превзойдут, без сомнения, снимки даже с лучшие смартфоны, но часто потому, что это не равное сравнение.Часто сравниваем хорошие любительские фото снятые на смартфон, в блестящие профессиональные фотографии, снятые с Зеркалки. Сколько из того, что мы видим, - это камера ... и сколько глаз фотографа? Иногда трудно разделить два вещи

Профессионалы могут добиться потрясающих результатов со смартфонами, но и любители могут с небольшой дополнительной помощью. Одним из недостатков камер смартфонов является отсутствие ручное управление (обычно даже меньше, чем у базового компактного цифровая камера).В определенной степени это можно обойти, с помощью дополнительных приложений, которые дают вам гораздо больший контроль над неудобные старые настройки, такие как ISO, диафрагма, выдержка и баланс белого. (Найдите в своем любимом магазине приложений такие ключевые слова, как "профессиональная фотография" или "ручная фотография".) Вы также можете добавить к смартфону объективы, чтобы обойти недостатки объектив с фиксированным фокусным расстоянием (хотя тут ничего не поделаешь) о крошечном датчике изображения худшего качества). Как только ваши фотографии будут надежно закреплены, есть множество приложений для редактирования фотографий для смартфонов, в том числе уменьшенное, бесплатная версия PhotoShop, которая поможет вам ретушировать любительскую «посеять уши» в профессиональные «шелковые кошельки».«

Так зачем все же покупать цифровые?

Поскольку сейчас у многих людей есть смартфоны, реальный вопрос нужна ли вам еще и цифровая камера. Очень трудно увидеть аргумент в пользу компактности «наведи и стреляй»: для социальных сетей щелкает, большинство из нас может обойтись своими телефонами. Для этого сайта я использую много макросов фотографии - крупные планы схем и механических частей - с моим Ixus, которые я не мог захватить с LG, так что я не собираюсь прыгать с корабля в ближайшее время.

Если вы хотите делать фотографии профессионального качества, сравнивать между собой смартфоны и зеркалки.Первоклассная зеркалка дает изображение лучшего качества датчик (до 50 раз больше, чем в смартфон) и гораздо лучший объектив: эти две принципиально важные вещи делают "сырое" изображение от зеркалки намного лучше. Добавьте все эти неудобные инструкции управления у вас есть на DSLR, и вы сможете снимать далеко больший диапазон фотографий при гораздо более широком диапазоне освещения условия. Если вы действительно заботитесь о качестве своих фотографий, мгновенная загрузка на сайты обмена может быть менее важной соображение: вы хотите просматривать свои фотографии на большом мониторе, ретушируйте их и делитесь ими только тогда, когда будете счастливы.Сказав что теперь вы можете покупать гибридные цифровые камеры со встроенным Wi-Fi, которые предлагают удобство мгновенного обмена, аналогичное смартфонам. И из Конечно, ничто не мешает носить с собой смартфон и зеркалку если вы действительно хотите получить лучшее из обоих миров!

Краткая история фотографии

Artwork: Оригинальная цифровая камера, изобретенная в 1970-х годах Стивеном Сассоном, немного напоминала старый. видеокамеру и нужен был отдельный монитор воспроизведения. Сначала (вверху) вы сделали фотографии с помощью камеры (синяя), которая использовала ПЗС-матрицу для записи их на магнитную ленту (красная).Позже (внизу), когда вы вернулись домой, вы достали ленту, вставили ее в компьютер (оранжевый) и просмотрели сделанные вами снимки на мониторе компьютера или телевизоре (зеленый). Изображение из патента США 4 131919: Электронный фотоаппарат Гарета А. Ллойда, Стивена Дж. Сассона любезно предоставлено Бюро по патентам и товарным знакам США.

  • 4 век до н. Э .: Китайцы изобрели камеру-обскуру (затемненная комната с дырой в шторах, которая проецирует изображение внешнего мира на дальнюю стену).
  • Конец 1700-х: Томас Веджвуд (1771–1805) и Сэр Хэмфри Дэви (1778–1829), Двое английских ученых провели первые эксперименты, пытаясь записать изображения на светочувствительной бумаге.Их фото не было постоянный: они стали черными, если не хранились постоянно в темном месте.
  • 1827: французский Джозеф Нисефор Ньепс (1765–1833) сделал первый в мире фотографии. Его метод не годился для портретов людей, потому что затвор камеры приходилось оставлять открытым на восемь часов.
  • 1839: Французский художник сцены из оперного театра Луи Дагер (1787–1851) объявил об изобретении фотографий на серебряных пластинах, которые стали известны как дагерротипы.
  • 1839: Уильям Генри Фокс Талбот (1800–1877) изобрел фотографический негатив.
  • 1851: британский художник и фотограф Фредерик Скотт Арчер (1813–1857) изобрел способ делать резкие фотографии на влажных стеклянных пластинах.
  • 1870-е: британский врач Доктор Ричард Мэддокс (1816–1902) разработал способ фотографирования с использованием сухих пластин и желатина.
  • 1883: американский изобретатель Джордж Истман (1854–1932) изобрел современную фотопленку.
  • 1888: Джордж Истман выпустил свою простую в использовании камеру Kodak. Его девизом было: «Вы нажимаете кнопку, а мы делаем все остальное».
  • 1947: Эдвин Лэнд (1909–1991) изобрел мгновенную поляроидную камеру.
  • 1963: Эдвин Лэнд изобрел цветную поляроидную камеру.
  • 1975: Американский инженер-электрик Стивен Сассон вместе с Гаретом Ллойдом из Eastman Kodak изобрел первую электронную камеру на основе ПЗС.
  • 1990-е: Цифровые фотоаппараты начали становиться популярными, постепенно делая пленочные фотоаппараты устаревшими.
  • 2000-е: Современные мобильные телефоны со встроенными цифровыми камерами начали делать автономные цифровые камеры ненужными для повседневной фотосъемки.

Как работают цифровые фотоаппараты?

Криса Вудфорда. Последнее изменение: 1 ноября 2020 г.

Цифровые фотоаппараты дают совершенно новый смысл идеи рисования цифрами. В отличие от пленочных фотоаппаратов старого образца, они захватывают и записывают изображения окружающий мир с помощью цифровых технологий. Другими словами, они хранят фотографии не как узоры тьмы и света, а как длинные цепочки чисел.У этого есть много преимуществ: дает нам мгновенные фотографии, позволяет редактировать наши изображения и упрощает нам обмен фотографиями с помощью мобильных телефонов (мобильных телефоны), электронную почту и веб-сайты.

Фото: типичный недорогой цифровой фотоаппарат. Круг - это линза; прямоугольник над ним - ксеноновая лампа-вспышка. Вы можете увидеть, как эта камера выглядит внутри, на фото ниже на этой странице.

Как работают обычные пленочные фотоаппараты

Фото: пленочный фотоаппарат старого образца с конца 1980-е годы.Пленка загружается в катушку справа и перематывается на другую. катушка слева, по пути проходящая перед линзой. Когда ты сделай фото, затвор позволяет свет попадает из линзы и экспонирует пленку. Это все очень похоже на XIX век по сравнению с цифровой фотографией!

Если у вас есть камера старого образца, вы поймете, что она бесполезна без одного жизненно важного оборудования: пленки . Пленка - это длинная катушка из гибкого пластика, покрытого специальными химикатами (на основе соединений серебра) чувствительные к свету.Чтобы свет не испортил пленку, ее заворачивают внутрь жесткой, светонепроницаемый пластиковый цилиндр - вещь, которую вы вставляете в фотоаппарат.

Если вы хотите сделать снимок пленочной камерой, вам нужно нажать кнопку кнопка. Это приводит в действие механизм, называемый затвором, который делает отверстие (диафрагма) на короткое время открывается в передней части камеры, позволяя свет проникает через линзу (толстый кусок стекло или пластик установлен спереди). Свет вызывает реакции в химикаты на пленке, таким образом сохраняя изображение перед вами.

Это не однако это конец процесса. Когда фильм заполнен, ты нужно отнести в аптеку (аптеку), чтобы это было развитый. Обычно это включает размещение пленки в огромном автоматическая проявочная машина. Машина открывает фильм контейнер, вытаскивает пленку и окунает ее в другие химические вещества. чтобы ваши фотографии появились. Этот процесс превращает фильм в серию "негативных" картинок - призрачных перевернутых версий то, что вы на самом деле видели. На негативе черные области выглядят светлыми и наоборот, и все цвета тоже выглядят странно, потому что негатив хранит их как противоположности.Как только машина произведет негативы, он использует их для печати (готовых версий) ваших фото.

Если вы хотите сделать только одну или две фотографии, все это может быть немного неприятность. Большинство людей теряют фотографии просто чтобы «закончить фильм». Часто приходится ждать несколько дней на проявку пленки и распечатки ( готовые фотографии) вернулся к вам. Неудивительно, что цифровая фотография стала очень популярной, потому что она решает все эти проблемы одним махом.

(Кстати, если вы хотите узнать больше о пленочных фотоаппаратах и ​​традиционной фотографии, см. нашу основную статью о том, как работают пленочные фотоаппараты.)

Как работают цифровые фотоаппараты

Фото: типичный датчик изображения. Зеленый прямоугольник в центре (размером с ноготь) - это светочувствительная часть; золотые провода, идущие от него, подключают его к цепи камеры.

Цифровые фотоаппараты очень похожи на обычные пленочные фотоаппараты, но работают в совершенно другой способ.Когда вы нажимаете кнопку, чтобы взять сфотографировать цифровым фотоаппаратом, апертура открывается в передней части камера и свет проходит через объектив. Пока что как пленочный фотоаппарат. Однако с этого момента все по-другому. Нет пленки в цифровом камера. Вместо этого есть кусок электронное оборудование, которое улавливает падающие световые лучи и превращает их в электрические сигналы. Этот световой датчик может быть одного из двух типов: с зарядовой связью. устройство (CCD) или датчик изображения CMOS .

Если вы когда-нибудь смотрели на экран телевизора, закройте вверх, вы заметите, что изображение состоит из миллионов крошечных цветные точки или квадраты называются пикселей . ЖК-экраны ноутбуков также создают изображения с помощью пикселей, хотя они часто слишком мал, чтобы увидеть. На экране телевизора или компьютера, электронное оборудование включает и выключает все эти цветные пиксели очень быстро. Свет от экрана попадает в ваши глаза и мозг обманом заставляет увидеть большую движущуюся картинку.

В цифровом фотоаппарате происходит прямо противоположное. Свет от объект, который вы фотографируете, увеличивается в объектив камеры. Этот входящий "Картинка" попадает на чип датчика изображения, который разбивает ее на миллионы пикселей. Датчик измеряет цвет и яркость каждого пикселя. и сохраняет его как число. Ваша цифровая фотография эффективно чрезвычайно длинная строка чисел, описывающая точные детали каждого содержащегося в нем пикселя. Вы можете узнать больше о том, как датчик изображения создает цифровое изображение в нашем статья о веб-камерах.

Как в цифровых камерах используются цифровые технологии

После того, как изображение сохранено в числовой форме, вы можете делать все, что угодно. с этим. Подключите цифровую камеру к компьютеру, и вы сможете скачать сделанные вами изображения и загрузить их в такие программы, как PhotoShop чтобы отредактировать их или оживить. Или вы можете загружать их на веб-сайты, отправлять по электронной почте друзьям и т. Д. на. Это возможно, потому что ваши фотографии хранятся в цифровом формате. формат и всевозможные другие цифровые гаджеты - от MP3-плееры iPod на от мобильных телефонов и компьютеров до фотопринтеров - используйте цифровые технологии тоже.Цифровой - это своего рода язык, на котором все электронные гаджеты «говорят» сегодня.

Фото: Цифровые фотоаппараты намного удобнее чем пленочные камеры. Вы можете сразу увидеть, как изображение будет выглядеть на ЖК-дисплее. экран на спине. Если с вашей картинкой не все в порядке, вы можете просто удалить ее и попробовать опять таки. Вы не можете сделать это с пленочной камерой. Цифровые камеры означают фотографы могут быть более креативными и экспериментальными.

Если вы откроете цифровую фотографию в программе рисования (редактирования изображений), вы можете изменить его разными способами.Такая программа работает изменяя числа, представляющие каждый пиксель изображения. Так, если вы нажмете на элемент управления, который сделает изображение на 20 процентов ярче, программа по очереди перебирает все числа для каждого пикселя и увеличивает их на 20 процентов. Если вы зеркально отразите изображение (переверните его по горизонтали), программа меняет последовательность чисел на обратную. магазины, поэтому они работают в противоположном направлении. Что вы видите на Экран - это изображение, изменяющееся по мере того, как вы редактируете или манипулируете им. Но что вы не видите, меняет ли программа рисования все числа в фон.

Некоторые из этих методов редактирования изображений встроены в более сложные цифровые фотоаппараты. У вас может быть камера с оптическим зумом и цифровой зум. Оптический зум означает, что объектив перемещается внутрь и наружу. для увеличения или уменьшения входящего изображения при попадании на ПЗС-матрицу. А цифровой зум означает, что микрочип внутри камеры взрывает входящее изображение без фактического перемещения объектива. Таким образом, как и при приближении к телевизору, качество изображения ухудшается. Короче говоря, оптическое увеличение делает изображения больше и такими же четкими, но цифровое масштабирование делает изображения больше и более размытыми.

Почему цифровые камеры сжимают изображения

Представьте на мгновение, что вы - ПЗС- или КМОП-датчик изображения. Выгляни в окно и попробуй выяснить, как бы вы могли хранить детали вида, который вы видите. Во-первых, вам нужно разделить изображение на сетку квадратов. Итак, вам нужно будет нарисовать воображаемую сетку поверх окна. Затем вам нужно будет измерить цвет и яркость каждого пиксель в сетке. Наконец, вам придется написать все эти измерения вниз как числа.Если вы измерили цвет и яркость для шести миллионов пикселей и записал оба значения как чисел, вы получите строку из миллионов чисел - просто чтобы хранить одну фотографию! Вот почему качественные цифровые изображения часто создавать огромные файлы на вашем компьютере. Каждого может быть несколько размером в мегабайты (миллионы символов).

Чтобы обойти это, цифровые фотоаппараты, компьютеры и другие цифровые устройства используйте технику под названием сжатие . Сжатие - это математический трюк это включает сжатие цифровых фотографий поэтому их можно хранить с меньшим количеством номеров и меньшим объемом памяти.Одна из популярных форм сжатия называется JPG (произносится как J-PEG, что расшифровывается как Joint Photographic Experts Group имени ученых и математиков кто придумал идею). JPG известен как "с потерями" сжатие, потому что, когда фотографии сжимаются таким образом, некоторые информация потеряна и не может быть восстановлена. JPG высокого разрешения использовать много места в памяти и выглядеть очень четко; использование JPG низкого разрешения гораздо меньше места и выглядят более размытыми. Вы можете узнать больше о сжатие в нашей статье о MP3 игроков.

Большинство цифровых фотоаппаратов имеют настройки, позволяющие делать снимки с более высоким или более высоким разрешением. более низкие разрешения. Если вы выберете высокое разрешение, камера сможет хранить на карте памяти меньше изображений, но они намного лучшего качества. Выберите низкое разрешение, и вы получите больше изображений, но качество не будет таким хорошим. Изображения с низким разрешением сохраняются с большим сжатием.

Превращение обычных фотографий в цифровые

Есть способ превратить фотографии с обычной пленочной камеры в цифровые фотографии - путем их сканирования.Сканер - это часть компьютера оборудование, похожее на небольшой копировальный аппарат но работает как цифровая камера. Когда вы помещаете фотографии в сканер, свет сканирует поперек них, превращая их в строки пикселей и, таким образом, в цифровые изображения, которые вы можете просматривать на своем компьютере.

Что такое «беззеркальные» фотоаппараты?

Фактически существует четыре различных типа цифровых фотоаппаратов. Самый простой, известный как наведи и стреляй, , имеет объектив для захвата света (который может увеличивать или уменьшать масштаб), датчик изображения для преобразования светового рисунка в цифровую форму и ЖК-экран на задней панели для просмотра фотографий.На противоположном конце спектра камеры DSLR (Digital Single Lens Reflex) выглядят как традиционные профессиональные пленочные камеры и имеют внутри движущееся откидное зеркало, которое позволяет вам просматривать точную картинку, которую вы собираетесь снимать, через объектив ( для объяснения того, как работает SLR, смотрите нашу статью о пленочных камерах). Самая последняя инновация, беззеркальные цифровые фотоаппараты , представляет собой своего рода гибрид этих двух конструкций: они отказываются от система шарнирных зеркал в пользу ЖК-видоискателя с более высоким разрешением, установленного ближе к датчику изображения, что делает их меньше, легче, быстрее и тише.Наконец, есть камеры для смартфонов , которые напоминают модели «наведи и снимай», но не имеют таких функций, как оптический зум.

Чем цифровые фотоаппараты соотносятся с фотоаппаратами смартфонов?

Из того, что я сказал до сих пор, вы можете видеть, что цифровые камеры - замечательная вещь, если вы сравнивая их со старыми пленочными фотоаппаратами. Благодаря превосходному ультрасовременному изображению датчиков, на самом деле нет веских причин (кроме ностальгического предпочтения аналоговая технология) для использования пленки.Вас простят за то, что вы думаете, что продажи цифровых фотоаппаратов будут взрывается в результате, но вы ошибаетесь. За последние несколько лет, продажи цифровых фотоаппаратов падают одновременно с двузначным числом с массовым ростом количества смартфонов и планшетов (которые сейчас продаются более чем 1,5 миллиарда ежегодно). Посетите сайт обмена фотографиями, например Flickr, и вы обнаружите, что самые популярные «камеры» на самом деле телефоны: в сентябре 2019 г., когда я обновляю эту статью, Все пять лучших камер Flickr айфоны.Есть ли веская причина владеть автономным цифровым камеры больше или теперь можно все делать с камерой телефона?

Фото: плюсы и минусы цифровых фотоаппаратов и смартфонов резюмированы на трех фотографиях. Даже цифровые камеры типа «наведи и снимай», такие как мой старый Canon Ixus, имеют большие, лучшие телескопические линзы (вверху) и сенсоры по сравнению с таковыми в лучших камерах для смартфонов, таких как мой новый LG (в центре). Но смартфоны, несомненно, имеют хорошие возможности подключения, и их экраны больше, лучше и четче (внизу).Здесь вы можете увидеть огромный экран моего смартфона, изображенный на превью фотографии на крошечном экране Canon.

Датчики и экраны

Сделайте шаг назад на десять лет, и не будет никакого сравнения между грубые и неуклюжие снимки камер на мобильных телефонах и даже на самых посредственные компактные цифровые фотоаппараты. В то время как цифровые устройства хвастались постоянно растущее число мегапикселей, мобильные телефоны сделали грубые снимки немного лучше, чем у обычной веб-камеры (1 Мегапиксель или меньше было обычным явлением).Теперь все изменилось. Цифровая камера Canon Ixus / Powershot 10-летней давности, которую я обычно использую, имеет разрешение 7,1 мегапикселя, то есть отлично подходит почти для всего, что я когда-либо хотел делать. Мой новый смартфон LG имеет разрешение 13 мегапикселей, что (по крайней мере теоретически) звучит так, будто он должен быть вдвое лучше.

Но ждать! «Мегапиксели» - это маркетинговая уловка, вводящая в заблуждение: действительно важен размер и качество самих датчиков изображения. Как правило, чем больше датчик, тем лучше снимки.Сравнивая необработанные технические данные, Canon Ixus заявляет о ПЗС-матрицах размером 1 / 2,5 дюйма. в то время как LG имеет 1 / 3,06-дюймовую CMOS (более новый, несколько иной тип сенсорного чипа). Что на самом деле означают эти числа? Измерения сенсора основаны на бесполезной запутанной математике, которую я не собираюсь здесь объяснять, и Вы можете поверить в то, что обе эти камеры имеют крошечные сенсоры, примерно вдвое меньше мизинца (менее 5 мм в каждом направлении), хотя сенсор Canon значительно больше. Digital Ixus, хотя на восемь лет старше, чем смартфон LG, и имеет вдвое меньше «мегапикселей», имеет значительно больший сенсорный чип, который, вероятно, превзойдет LG, особенно в условиях низкой освещенности.

Canon также набирает намного лучше, телескопический объектив (технически оценено 5,8–17,4 мм, что эквивалентно 35–105 мм) - лучшего качества и телескопической при загрузке - которая может снимать все с бесконечного расстояния пейзажи и макро-снимки пауков и мух крупным планом. Но у меня есть загрузить свои фотографии в компьютер, чтобы понять, насколько они хороши или плохи потому что у Canon есть только крошечный 6-сантиметровый (2,5-дюймовый) ЖК-экран. LG более чем в два раза лучше по диагонали экрана - 14 см (5.5 дюймов) "монитор". По оценкам Canon, экран Ixus имеет 230 000 пикселей, а LG может похвастаться четырехъядерным HD (2560 × 1440 пикселей), что примерно в шестнадцать раз больше. Возможно, я не смогу делать более качественные снимки с помощью LG, но, по крайней мере, я могу мгновенно оценить и оценить их на экране, не уступающем HD-телевизору (хотя и карманного размера).

Имейте в виду, что мой Canon - это всего лишь компактный компакт, так что это не совсем справедливое сравнение того, чего можно достичь с помощью действительно хорошей цифровой камеры и действительно хорошего смартфона.Мой LG лучше всех камер для смартфонов, но Ixus далеко не так хорош как лучшие цифровые фотоаппараты. Профессиональная зеркальная фотокамера будет иметь датчик , который намного больше, чем у смартфона - до 3,6 см × 2,4 см, поэтому она сможет захватывать действительно мелкие детали даже при самом низком уровне освещения. У него также был бы больший и лучший экран и лучшие (сменные) линзы.

Фото: это крупный план камеры внутри LG (со снятой крышкой).Что ты смотришь А вот и объектив: чип датчика изображения находится прямо под ним. (Если неясно, я указываю на красную ручку.)

Социальные сети

Конечно, где камеры смартфонов действительно забивают, так это в «смартфонах». отдел: по сути, это компьютеры, которые можно легко достать из кармана. портативный и всегда в сети. Так что не только у вас больше шансов делать случайные фотографии (потому что у вас всегда есть камера), но вы можете мгновенно загрузить свои снимки в Instagram с метким названием, Facebook или Twitter.И это настоящая причина, по которой смартфон камеры превзошли цифровые модели старой школы: сама фотография изменен с цифрового эквивалента дагерротипа XIX века (сам по себе возврат к портретным картинам старых) к чему-то более непринужденный, немедленный и, конечно же, социальный . Для цели Facebook или Twitter, часто просматриваемые на мобильных устройствах с маленьким экраном устройств, вам не нужно больше пары мегапикселей, самое большее. (Убедитесь в этом сами, загрузив изображение в высоком разрешении из Instagram или Flickr, и редко бывает больше пары сотен размер в килобайтах и ​​не более 1000 мегапикселей в каждом измерении, Всего меньше одного мегапикселя.) Даже лучше сайты обмена фотографиями, такие как Instagram и Flickr, большинство людей будут никогда не просматривайте свои фотографии в многомегапиксельном разрешении: они просто не поместились бы на экране. Таким образом, даже если ваш смартфон не имеет большого количества мегапикселей, он на самом деле не имеет значения: большинство людей листают ваши фотографии на своих смартфоны не заметят - или не позаботятся. Социальные сети - значит никогда не иметь сказать, что вам жаль, что вы забыли свою зеркалку и у вас был только iPhone!

Дополнения для смартфонов

Теперь совершенно верно, что фотографии, сделанные на первоклассном Canon или Nikon DSLR превзойдут, без сомнения, снимки даже с лучшие смартфоны, но часто потому, что это не равное сравнение.Часто сравниваем хорошие любительские фото снятые на смартфон, в блестящие профессиональные фотографии, снятые с Зеркалки. Сколько из того, что мы видим, - это камера ... и сколько глаз фотографа? Иногда трудно разделить два вещи

Профессионалы могут добиться потрясающих результатов со смартфонами, но и любители могут с небольшой дополнительной помощью. Одним из недостатков камер смартфонов является отсутствие ручное управление (обычно даже меньше, чем у базового компактного цифровая камера).В определенной степени это можно обойти, с помощью дополнительных приложений, которые дают вам гораздо больший контроль над неудобные старые настройки, такие как ISO, диафрагма, выдержка и баланс белого. (Найдите в своем любимом магазине приложений такие ключевые слова, как "профессиональная фотография" или "ручная фотография".) Вы также можете добавить к смартфону объективы, чтобы обойти недостатки объектив с фиксированным фокусным расстоянием (хотя тут ничего не поделаешь) о крошечном датчике изображения худшего качества). Как только ваши фотографии будут надежно закреплены, есть множество приложений для редактирования фотографий для смартфонов, в том числе уменьшенное, бесплатная версия PhotoShop, которая поможет вам ретушировать любительскую «посеять уши» в профессиональные «шелковые кошельки».«

Так зачем все же покупать цифровые?

Поскольку сейчас у многих людей есть смартфоны, реальный вопрос нужна ли вам еще и цифровая камера. Очень трудно увидеть аргумент в пользу компактности «наведи и стреляй»: для социальных сетей щелкает, большинство из нас может обойтись своими телефонами. Для этого сайта я использую много макросов фотографии - крупные планы схем и механических частей - с моим Ixus, которые я не мог захватить с LG, так что я не собираюсь прыгать с корабля в ближайшее время.

Если вы хотите делать фотографии профессионального качества, сравнивать между собой смартфоны и зеркалки.Первоклассная зеркалка дает изображение лучшего качества датчик (до 50 раз больше, чем в смартфон) и гораздо лучший объектив: эти две принципиально важные вещи делают "сырое" изображение от зеркалки намного лучше. Добавьте все эти неудобные инструкции управления у вас есть на DSLR, и вы сможете снимать далеко больший диапазон фотографий при гораздо более широком диапазоне освещения условия. Если вы действительно заботитесь о качестве своих фотографий, мгновенная загрузка на сайты обмена может быть менее важной соображение: вы хотите просматривать свои фотографии на большом мониторе, ретушируйте их и делитесь ими только тогда, когда будете счастливы.Сказав что теперь вы можете покупать гибридные цифровые камеры со встроенным Wi-Fi, которые предлагают удобство мгновенного обмена, аналогичное смартфонам. И из Конечно, ничто не мешает носить с собой смартфон и зеркалку если вы действительно хотите получить лучшее из обоих миров!

Краткая история фотографии

Artwork: Оригинальная цифровая камера, изобретенная в 1970-х годах Стивеном Сассоном, немного напоминала старый. видеокамеру и нужен был отдельный монитор воспроизведения. Сначала (вверху) вы сделали фотографии с помощью камеры (синяя), которая использовала ПЗС-матрицу для записи их на магнитную ленту (красная).Позже (внизу), когда вы вернулись домой, вы достали ленту, вставили ее в компьютер (оранжевый) и просмотрели сделанные вами снимки на мониторе компьютера или телевизоре (зеленый). Изображение из патента США 4 131919: Электронный фотоаппарат Гарета А. Ллойда, Стивена Дж. Сассона любезно предоставлено Бюро по патентам и товарным знакам США.

  • 4 век до н. Э .: Китайцы изобрели камеру-обскуру (затемненная комната с дырой в шторах, которая проецирует изображение внешнего мира на дальнюю стену).
  • Конец 1700-х: Томас Веджвуд (1771–1805) и Сэр Хэмфри Дэви (1778–1829), Двое английских ученых провели первые эксперименты, пытаясь записать изображения на светочувствительной бумаге.Их фото не было постоянный: они стали черными, если не хранились постоянно в темном месте.
  • 1827: французский Джозеф Нисефор Ньепс (1765–1833) сделал первый в мире фотографии. Его метод не годился для портретов людей, потому что затвор камеры приходилось оставлять открытым на восемь часов.
  • 1839: Французский художник сцены из оперного театра Луи Дагер (1787–1851) объявил об изобретении фотографий на серебряных пластинах, которые стали известны как дагерротипы.
  • 1839: Уильям Генри Фокс Талбот (1800–1877) изобрел фотографический негатив.
  • 1851: британский художник и фотограф Фредерик Скотт Арчер (1813–1857) изобрел способ делать резкие фотографии на влажных стеклянных пластинах.
  • 1870-е: британский врач Доктор Ричард Мэддокс (1816–1902) разработал способ фотографирования с использованием сухих пластин и желатина.
  • 1883: американский изобретатель Джордж Истман (1854–1932) изобрел современную фотопленку.
  • 1888: Джордж Истман выпустил свою простую в использовании камеру Kodak. Его девизом было: «Вы нажимаете кнопку, а мы делаем все остальное».
  • 1947: Эдвин Лэнд (1909–1991) изобрел мгновенную поляроидную камеру.
  • 1963: Эдвин Лэнд изобрел цветную поляроидную камеру.
  • 1975: Американский инженер-электрик Стивен Сассон вместе с Гаретом Ллойдом из Eastman Kodak изобрел первую электронную камеру на основе ПЗС.
  • 1990-е: Цифровые фотоаппараты начали становиться популярными, постепенно делая пленочные фотоаппараты устаревшими.
  • 2000-е: Современные мобильные телефоны со встроенными цифровыми камерами начали делать автономные цифровые камеры ненужными для повседневной фотосъемки.

Как работает цифровая камера?

У вас могут возникнуть вопросы о лучшей цифровой камере, если пришло время ее покупать.

Ответить на вопрос «как работает цифровая камера» не так сложно, как может показаться. Будь то лучшая камера для путешествий или простая камера для съемки, у нас есть информация ниже.

На самом деле принципы, лежащие в основе цифровой камеры, не так уж и отличаются от принципов пленочной камеры.

Тем не менее, если вы относитесь к тем людям, которые не чувствуют себя комфортно при использовании технологий, если вы не понимаете, что заставляет их работать, продолжайте читать, чтобы узнать, как цифровая камера снимает фотографии, каковы ее основные компоненты и многое другое в этом руководстве по фотографии. .

Содержание:

Основы работы цифровой камеры

Базовый процесс работы камеры, независимо от того, является ли она лучшей цифровой камерой или камерой любого другого типа, например компактной камерой, не так уж и отличается: свет от сцены проходит через объектив и попадает в какой-то светочувствительной поверхности внутри корпуса камеры.Но тип поверхности, которая измеряет свет, и метод, с помощью которого камера использует эту поверхность для создания фотографии, отделяют цифровые камеры от других типов камер.

Компоненты цифровой камеры Базовая компоновка цифровой камеры и ее компонентов.

В каждом типе фотоаппарата используются похожие компоненты, такие как объектив и затвор. Когда затвор закрыт, свет не проходит через линзу. Но когда вы нажимаете кнопку спуска затвора, чтобы открыть затвор, свет может проходить через линзу и попадать на светочувствительный материал внутри камеры.На этом сходство заканчивается, поскольку цифровая камера использует множество компонентов, уникальных для цифровой фотографии. А они следующие:

  • Датчик изображения: Датчик изображения в цифровой камере, который представляет собой полупроводниковый чип, содержит миллионы светочувствительных пикселей, также называемых массивами, которые индивидуально измеряют свет, падающий на каждый из них. Цветовой фильтр расположен над датчиком изображения, который позволяет только определенным пикселям измерять определенные цвета световых волн.Для пленочной камеры светочувствительная пластиковая полоса с покрытием будет записывать сцену.
  • Цифровой преобразователь: Данные, собранные в каждом пикселе, должны быть преобразованы в цифровой сигнал, который обрабатывает этот преобразователь.
  • Монтажная плата: Цифровая камера имеет монтажную плату, на которой находятся все компьютерные микросхемы, которые камера использует для записи данных. Схема на плате передает данные с датчика изображения и других микросхем на карту памяти.Для пленочной камеры не нужны ни печатная плата, ни цифровой преобразователь.
  • Экран дисплея: Экран дисплея цифровой камеры используется для изменения настроек камеры, а также для компоновки фотографий и просмотра фотографий после их съемки. Пленочные камеры не имеют экрана, поэтому для кадрирования сцен используются видоискатель, а для изменения настроек - кнопки и регуляторы. Некоторые цифровые камеры по-прежнему используют видоискатель для композиции сцены, предлагая экран дисплея в качестве второго варианта композиции.

Как работает цифровая камера: пошаговые инструкции Цифровая камера Fujifilm X100T имеет ретро-вид, как пленочная камера, с многочисленными кнопками и дисками.

Независимо от того, используете ли вы простую водонепроницаемую цифровую камеру или усовершенствованную цифровую зеркальную камеру, процесс записи цифрового изображения и сохранения данных на карте памяти одинаков. Пошаговый процесс записи фотографии цифровой камерой:

  1. Измерительный свет: Нажмите кнопку спуска затвора, чтобы открыть затвор, который позволяет свету проходить через объектив и попадать на датчик изображения.Затем отдельные пиксели на датчике изображения измеряют интенсивность света в миллионах различных точек датчика изображения, обеспечивая точные измерения.
  2. Фокусирующий свет: Поскольку свет от сцены проходит через объектив, он должен точно фокусироваться на датчике изображения. Различные стеклянные элементы в объективе будут вращаться, обеспечивая резкий фокус. Неточно сфокусированный свет приведет к размытой сцене. Цифровые камеры могут использовать автоматическую фокусировку, когда камера автоматически регулирует стеклянные элементы, или ручную фокусировку, когда фотограф вращает кольцо, чтобы вручную настроить стеклянные элементы.
  3. Преобразование света: Каждый пиксель преобразует измеренный свет в электроны. Пиксель, который измеряет более яркий свет, будет содержать больше электронов, что приведет к большему накопленному заряду. Затем микросхема АЦП (аналого-цифровой преобразователь) преобразует световой сигнал в каждом пикселе в цифровое значение.
  4. Сохранение данных: Теперь, когда свет от сцены преобразован в цифровое значение, камера может перемещать данные так же, как их перемещает любой компьютерный чип, перемещая цифровые двоичные биты через схему на печатной плате.Когда биты достигают карты памяти, камера использует прошивку для записи данных на карту.

Поскольку цифровая камера хранит изображения в виде цифровых битов данных, такие изображения легко передавать другим устройствам и другим людям. После того, как фотография сохранена в цифровом формате, вы можете обращаться с ней как с любым компьютерным файлом. Также легко вносить изменения в цифровые биты с помощью программного обеспечения для редактирования изображений, что позволяет исправить незначительные проблемы или добавить к изображениям потрясающие спецэффекты. То же самое и с лучшими видеокамерами.

Независимо от того, есть ли у вас одна из лучших цифровых фотоаппаратов на рынке или просто хороший фотоаппарат наведи и снимай, понимание того, как работает цифровая камера, позволяет легче понять, что вы хотите делать со своими изображениями, когда они созданный. И наличие такого количества возможностей для обработки ваших цифровых фотографий объясняет, почему цифровая фотография стала такой популярной в последнее десятилетие.

Статьи по теме:

Электроника-Как работает цифровая камера - Howthingswork.org

Вы когда-нибудь задумывались, что находится внутри цифровой камеры? Как делается и хранится фотография? Как работает вспышка? И как все эти биты соединяются вместе? Когда вы на самом деле разбираете цифровую камеру и смотрите в нее, физический механизм может быть заслонен всеми компонентами, которые вы видите. Конечно, смотреть в свои цифровые гаджеты было бы весело. Но если вы просто хотите узнать, как это работает, несколько минут чтения могут быть намного эффективнее.

Фотографирование с помощью фотоаппарата.Камеры , цифровые или пленочные, имеют схожие компоненты и конструкции и работают по одинаковому принципу. Однако, поскольку цифровые фотоаппараты хранят фотографии не как образцы темноты и света, а используют длинные цепочки чисел, у них есть много преимуществ: они мгновенно дают нам фотографии на мониторе, позволяют редактировать наши изображения и упрощают обмен фотографии.

Рис. 1. Типичная зеркальная камера (слева) и различные компоненты (важные) цифровой камеры.

Принцип работы цифровой однообъективной зеркальной камеры (DSLR) (такой же, как и у пленочной) схематично показан на рисунке 1 (b). Свет, исходящий от объекта, проходит через линзу, формируя изображение. Регулируемое отверстие (называемое диафрагмой) в линзе используется для управления общим количеством проходящего света. Перед тем как нажать кнопку, чтобы сделать снимок, зеркало направило свет на систему просмотра. В момент съемки зеркало переворачивается, позволяя свету от объекта попадать на цифровой датчик изображения (датчики CCD или CMOS) или пленку (для пленочной камеры).Время экспозиции регулируется затвором (выдержкой), который обычно размещается перед датчиком изображения. Этот процесс схематически показан на рисунке 2.

Рис. 2. Перед съемкой зеркало отражает изображение в систему обзора. В момент съемки зеркало переворачивается и изображение фиксируется датчиком изображения. Как долго зеркало остается поднятым - это выдержка.

Для достижения правильной экспозиции сцены необходимо соответствующим образом отрегулировать выдержку камеры, диафрагму объектива (также называемую диафрагмой) и чувствительность пленки или датчика изображения (выраженную в «ISO»).После того, как чувствительность к свету записывающей поверхности (пленки или датчика) установлена ​​в числах, выраженных в «ISO» (например: 200 ISO, 400 ISO), свет, излучаемый фотографируемой сценой, можно контролировать с помощью диафрагмы и выдержки. чтобы соответствовать чувствительности пленки или датчика к свету. Это позволит получить хорошую экспозицию, когда на фотографии будут видны все детали сцены. Слишком много света, попадающего в камеру, приводит к чрезмерно бледному изображению (или «переэкспонированию»), а слишком мало света приводит к слишком темному изображению (или «недоэкспонированию»).

В цифровой камере датчик изображения записывает фотографию, используя цепочки чисел. Каждый пиксель на датчике изображения генерирует свои собственные числа, и все они хранятся на карте памяти. Хотя в цифровых камерах используются различные типы карт памяти, включая Secure Digital (SD), Compact Flash (CF) и т. Д., Все они работают с одной и той же технологией флэш-памяти.

Полный перечень компонентов цифровой камеры

  1. Батарея : Обычно используются перезаряжаемые ионно-литиевые батареи.
  2. Вспышка : Конденсатор заряжается в течение нескольких секунд, чтобы накопить достаточно энергии для включения вспышки, которая обычно является ксеноновой лампой.
  3. LED : Маленький светодиод (LED) показывает, когда работает автоспуск, так что вам будет проще фотографировать себя.
  4. Объектив : Объектив улавливает свет от объекта, который вы фотографируете, и фокусирует его на ПЗС-матрице.
  5. Датчик изображения : это светочувствительный микрочип в цифровой камере, в котором для записи изображения используется либо устройство с зарядовой связью (CCD), либо технология комплементарного металлооксидного полупроводника (CMOS).
  6. Память : В цифровых фотоаппаратах обычно используются карты флэш-памяти другой формы, например Secure Digital (SD), Compact Flash (CF) для хранения фотографий.
  7. Микросхема процессора : основной цифровой «мозг» камеры. Это контролирует все функции камеры. Это пример интегральной схемы.
  8. ЖК-дисплей : Большинство цифровых фотоаппаратов оснащены жидкокристаллическим дисплеем (ЖК-дисплей ) , на котором отображаются сделанные вами фотографии. Он установлен на задней панели камеры.

Как работают цифровые фотоаппараты?

Не так давно цифровая камера была плохим родственником по сравнению с пленкой на химической основе. Но в последние годы с развитием технологий и снижением цен цифровые камеры стали повсеместными. У большого числа людей есть фотоаппараты, куда бы они ни пошли, либо в составе своего телефона, либо в карманных устройствах для съемки. Цифровые зеркальные фотоаппараты высокого класса вытеснили пленочные в профессиональной фотографии, а пленочные камеры для фотографий становятся устаревшими.

В основе всех цифровых фотоаппаратов лежит датчик изображения, который преобразует световую информацию, передаваемую через объектив, в электрический сигнал, который затем может быть сохранен и вызван позже компьютером, который отображает его как фотографию. В датчиках изображения используются различные технологии, но наиболее популярной из них является устройство с зарядовой связью (ПЗС). ПЗС-матрица - это набор конденсаторов, чувствительных к свету - когда вы слышите объявления о камерах по их разрешению, имеется в виду количество этих конденсаторов.Когда частицы света (фотоны) ударяются о конденсаторы, они генерируют электроны. Это создает общий заряд, который затем можно считать показателем интенсивности света.

ПЗС-матрицы не считывают цвет света, только его интенсивность, поэтому для получения цветных фотографий должен быть способ различать интенсивность различных цветов падающего света. Эти цвета известны как дополнительные основные цвета: зеленый, синий и красный. Все цвета, которые вы видите на цифровой фотографии, состоят из этих цветов.Один из самых дорогих способов сделать это - установить три ПЗС-матрицы в каждой камере и использовать призму для разделения света перед направлением каждого цвета на другой датчик. Менее затратный метод - использовать цветную решетку, называемую мозаикой байесовского фильтра, которая похожа на трехцветную шахматную доску. Каждая секция решетки 2 x 2 состоит из пары зеленых квадратов, расположенных по диагонали друг напротив друга, а также красного и синего квадратов. Есть два зеленых квадрата из-за того, как работает человеческий глаз; он определяет интенсивность, используя в основном зеленый свет.Фильтр пропускает свет только этих цветов на ПЗС-матрицу, поэтому каждый конденсатор измеряет интенсивность одного цвета. Камера - или компьютер, на который загружены изображения - затем должна использовать алгоритм демозаики, чтобы заполнить недостающую информацию. По иронии судьбы, фильтр Байеса был разработан в лабораториях компании Kodak Eastman, которая недавно объявила о банкротстве, потому что ее основной бизнес по производству пленки больше не является жизнеспособным.

На качество изображения цифровой камеры влияет не только разрешение сенсора.Размер сенсора тоже имеет значение. Меньшие по размеру камеры, такие как в телефонах и камерах с функцией «наведи и снимай», поставляются с меньшими сенсорами, обычно около 6 мм, что приводит к плохой работе при слабом освещении. Цифровые зеркальные камеры имеют датчики гораздо большего размера, до 36 мм, которые создают изображения, более подходящие для профессиональной фотографии, с меньшим кадрированием и меньшей глубиной резкости.

По мере развития цифровой фотографии маркетинговая битва сместится с сосредоточения внимания на разрешении - человеческий глаз может различать только то, что может различать, а более высокое разрешение принесет все меньшую отдачу.Вместо этого они сосредоточатся на различных аспектах конструкции камеры, например, на беззеркальной камере со сменным объективом, которая предлагает такое же качество, как и зеркальная фотокамера, но в гораздо более тонком корпусе.

Как работает сенсор цифровой камеры? | Коннор Гиллмор | Техническое обновление

Более сложный ответ заключается в том, что датчик состоит из миллионов полостей, называемых «фотосайтами», и эти фотосайты открываются при открытии затвора и закрываются после завершения экспозиции (количество фотосайтов равно количеству пикселей. ваша камера есть).Фотоны, попадающие в каждый фотосайт, интерпретируются как электрический сигнал, сила которого зависит от того, сколько фотонов было фактически захвачено в полости. Насколько точен этот процесс, зависит от разрядности вашей камеры.

Если бы мы посмотрели на изображение, которое было снято только с этими электрическими данными, упомянутыми ранее с датчика, то изображения фактически были бы в оттенках серого. Мы получаем цветные изображения с помощью так называемого «массива фильтров Байера». Фильтр Байера - это цветной фильтр, помещаемый поверх каждого фотосайта и используемый для определения цвета изображения на основе измерения электрических сигналов от соседних фотосайтов.Цвета фильтров - стандартные красный, зеленый и синий, с соотношением один красный, один синий и два зеленых в каждой секции четырех фотосайтов.

Изображение света, попадающего на фотосайты с наложенными фильтрами Байера. (рисунок / Кембридж в цвете)

Красный фильтр позволяет улавливать красный свет, синий пропускает синий свет, а зеленый пропускает зеленый свет.

alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *