Цифровые фотоаппараты, как средство съема визуально - оптической информации

  • Вид работы:
    Тип работы
  • Предмет:
    Экономика отраслей
  • Язык:
    Русский
    ,
    Формат файла:
    MS Word
    169,69 kb
  • Опубликовано:
    2008-12-09
Вы можете узнать стоимость помощи в написании студенческой работы.
Помощь в написании работы, которую точно примут!

Цифровые фотоаппараты, как средство съема визуально - оптической информации

              Министерство  образования  и  науки  Украины

          Харьковский  национальный  университет  радиоэлектроники

                                   кафедра  основ  радиотехники

                                                     ЦДП



                 Пояснительная  записка 

   к  научной  работе  слушателя  НОУ

   Хмеленко  Дениса  Геннадьевича 

   на  тему:

       «Цифровые  фотоаппараты  как  средство  съёма

                визуально – оптической  информации»

 






Научный  руководитель  работы                                           Олейников.А.Н.

профессор  кафедры  ОРТ 













                                          Харьков  2004 год

 

                    Содержание

                                                                                                            Стр.

 

 1 Основные принципы и классификация цифровых  фотоаппаратов..................................................................................2

 

1.1 Общие  принципы  работы фотоаппаратов ...........................2

1.2 Классификация ........................................................................... 3

1.3Студийные  камеры..................................................................... 3

1.4Полевые  камеры...........................................................................4

1.5Профессиональные  камеры........................................................4

1.6Любительские  камеры ...............................................................5

 

 2  Оптическая  система .................................................................6

 

2.1Объективы с постоянным и переменным фокусным             расстоянием .........................................................................................6   2.2Сменная оптика. Зеркальные и незеркальные  камеры....................7 2.3Экспозиция. Диафрагма и выдержка. Светочувствительность............................................................................. 8 2.4Экспозиционное  число. Экспокоррекция .............................................9  2.5Аберрации .................................................................................................10 2.6Разрешающая   способность  оптики ................................................11

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

 – Общие  принципы

 4   Устройства  хранения  информации .............................................14

4.1 Буферная память    ..............................................................14 4.2Устройства  долговременного  хранения  ...............................15

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                               Введение

         Последнее  десятилетие XX  века  ознаменовалось появлением большого количества  устройств,  изменивших  привычный  взгляд  на  вещи.

Похоже,  что,  кроме  чайников  и  утюга,  не  осталось  техники,  в  названии

которой  не  фигурирует  слово  «цифровой». В  связи  с  этим  возникает 

некоторая  путаница,  что  же  подразумевает  данное  прилагательное  в  том

или  ином  случае. Чаще  всего  недоразумения  происходят  при  использо-

вании  словосочетания  «цифровая  камера». Вызвано  этим  тем,  что  под  этим  названием  скрываются  два  совершенно  разных  класса  устройств –

цифровые  видеокамеры  и  цифровые  фотокамеры. И  если  цифровые 

видеокамеры  представляют  собой  достаточно  привычные  устройства, пусть с улучшенным качеством и упрощённым подключением к компьютеру,

то  цифровые  фотокамеры  произвели  настоящий  переворот  в  истории

фотографии.

           Очевидно,  что  технология  съемки,  проявки  плёнки  и  печати  фо-

тографий  претерпела  незначительные  изменения  с  момента  появления 

на  свет. К  революционным  изменениям  можно  отнести  воцарение  цвета

( случившееся,  впрочем,  совсем  недавно)  и  появление  фотоаппаратов

«моментальной  съёмки»,  более  известных  по  одному  из  крупнейших

производителей – компании  Polaroid. И  если  с технической  точки  зрения

обычные  фотокамеры  последнего  поколения  представляют  собой  чудеса

инженерной  мысли,  то  химические  процессы  получения  фотографий 

сохранились  с  дедовских  времен.  При  этом  следует  вспомнить,  что

любительские киносъёмки,  появившаяся  значительно  позднее  фотосъёмки,

с  начала  80-х  годов  стала  активно вытесняться  видеосъёмки,  и  в 

результате  в наше  время  кинокамеры  в  руках  далёкого  от  кинематографа

человека – явления  довольно  редкое.

              Тем  не  менее  электроника  заменила  плёнку  в  фотокамерах сравнительно  недавно – первые  модели  цифровых  фотокамер  появились

 на   рынке  в  Украине  в  1996 году. Причину  столь  позднего старта  следует  искать  в  конструктивных  особенностях  цифровых  фотоаппаратов.

                Также  следует  отметить  появившиеся  недавно  новые  мобильные


1.1Общие  принципы  работы  фотоаппаратов    

Любой  фотоаппарат,  в  том  числе  и  цифровой,  можно  условно  разделить

на  три  части. Первая  из  них – оптическая  система,  состоящая  из  объектива  ( иногда  с  насадками )  и  затвора. Вторая  часть – это  регистратор изображения. Третья  часть  предназначена  для  хранения  отснятых

кадров. В  обычном  фотоаппарате  функции  второй  и  третьей  частей 

выполняет  плёнка,  в  цифровом  для  этого  используется  два  разных 

устройства.

Для  регистрации  изображения  используется  электронно-оптический 

преобразователь, а  для  хранения – флэш-память.

Примечание : ЭОП – прибор,  преобразующий  световой поток  в  электрический  сигнал. Характеризующийся  разрешением – количеством

точек  по  вертикали  и  горизонтали,  а  также  соотношением  сигнал/шум.              

Флеш-память  –  энергонезависимая  память,  сохраняющая  информацию

после  выключения  питания. Характеризуется  форм-фактором, емкостью

( в  мегабайтах ),  скоростью  доступа  и  напряжением  питания  ( как  правило,  3,3  либо  5 В ).

             В  качестве  ЭОП  используется  два  типа  устройств ПЗС-матрицы

( матрицы  приборов  с  зарядовой  связью)  и  КМОП-матрицы.   По  конку-

ренции  данные  устройства  примерно  похожи  на  используемые  в 

видеокамерах  матрицы,  основное  различие  заключается  в  разрешении.

Эта  же  характеристика  является  одной  из  основных  при  описании

цифровой  фотокамеры,  именно  дороговизна  ПЗС-матрицы  с  большим

количеством  элементов  сдерживала  развитие  цифровой  фотографии.  И

если  для  любительской  видеокамеры  достаточно  матрицы  из  300 тысяч

элементов,  то  для  фотографии  размером  9×12  см  необходимо  наличие

как  минимум  мегапиксела.

Мегапиксельные  ПЗС-матрицы  с  разрешением  1280×960  появились  в

цифровых  фотокамерах  в  конце  1997  года.

                               1.2Классификация

Если  попытаться  провести  классификация  цифровых фотокамер, то  полученные  категории  будут  примерно  совпадать  с  существующими  в

области  пленочной  фотографии  классами.

Изначально  все  цифровые  фотоаппараты  можно  разделить  на :

- студийные;

- полевые;

Как  видно  из  названия,  отличаются  они  друг  от  друга  « средой  обитания».

                              1.3Студийные  камеры   

Названия  фирм,  производящих  эту  технику,  не  скажут  ничего  не  только

обычному  пользователю,  но  и  профессиональному  фотографу – Leaf,

Phase  One,  Dicomed. Студийные  камеры  предназначены  для  стационарной 

съемки  в  специально  отведенном  для  этого  помещения – фотостудии.

Для  студийных  камер  не  существует  ограничений  ни  на  время  экспонирования,  ни  ( теоретически )  на  габариты  устройства.  В  связи  с

этим  данные  приборы  в  основном  представляют  собой  приставку  к

среднеформатной  или  крупноформатной  камере,  устанавливаемую  вместо

задней  стенки  аппарата.  Конструктивно  эти  устройства  можно  разделить

на  два  основных  типа – сканирующие  и  полнокадровые.  Поскольку  в 

студийной  технике  применяются  дорогостоящие  ПЗС-матрицы  высокого

разрешения,  поток  информации  в  таких  системах  очень  интенсивный.

                                        

                                 1.4Полевые  камеры

Гораздо  более  распространенной  категорией  являются  полевые  камеры.

Так  как  данные  модели  предназначены  для  эксплуатации  в  различных

условиях  освещения,  а  объекты  съемки  могут  быть  самыми  разнообразными,  крайне  необходим  широкий  диапазон  выдержки  и 

диафрагмы,  а  также  встроенная  вспышка. Фотоаппараты  этого  класса

работают  автономно,  поэтому  должны  обладать  большими  объемами  памяти  и  низким  уровнем  энергопотребления. Ввиду  того,  что  полевые

камеры  постоянно  находятся  в  руках  своих  владельцев,  в  крайнем  случае  в  сумке  на  плече,  к  этому  типу  техники  предъявляются  очень

жесткие  требования  по  массе  и  габаритами.

                 В  2002  году  появилась  технология,  которую  можно  назвать

революционной – многослойные  матрицы,  в  которых  каждый  элемент

(пиксел)  регистрирует   полную  информацию  о  цветовом  диапазоне.

Достигается  это  за  счет  того,  что  свет  с  разной  длиной  волны  проникает  в  материал  ЭОП  на  разную  глубину.   

Применение  сменной  оптики  и  цена – вот  что  разделяет  многочисленное  семейство  полевых  фотокамер  на  две  большие  категории : профес-

сиональные  и  любительские.  

 

                       1.5Профессиональные камеры

К началу 2003 года основной из критериев - цена составляет от 2000 долларов для профессиональных камер. Тому виной два  обстоятельства.

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

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

  преобразователя (ЭОП) и устрой­ства хранения кадров.

  Большинство  моделей  снабжаются  цветным  ЖК -дисплеем

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

                                           1.6Любительские камеры

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


                       

Рис. 1.4. Слева - пленочная камера   Саnоn IXUS 11, справа – цифровая       камера  Canon  Digital  IXUS

                      

  Рис. 1.5.  Слева – пленочная  камера  Olympus  ZOOM  115,  справа –  цифровая  камера    Olympus   C - 990 ZOOM 

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

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

                          2 Оптическая  система

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

 2.1Объективы с постоянным и  переменным      фокусным      расстоянием

Чем больше фокусное расстояние, тем меньше угол зрения - предметов попадает в кадр меньше, но их размер в кадре больше. И наоборот, при уменьшении фокусного расстояния объекты съемки становятся меньше, но в кадр их попадает больше. Разумеется, что это также сказывается и на перспективе кадра - степени удаленности объектов друг от друга. Углу зрения обыч­ного человека в 35-мм камерах соответствует фокусное расстоя­ние 50 мм (46°).

Часто фокусное расстояние для цифровой фотокамеры указы­вается двумя цифрами, например, 6-15 мм (28-72 мм). Это выз­вано тем, что размер ЭОП меньше кадра обычной пленки, поэтому линейные размеры оптики тоже меньше. Для удобства восприя­тия вводится вторая величина, которая обозначает фокусное рас­стояние в эквиваленте 35-мм камеры.

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

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

2.2Сменная оптика. Зеркальные и незеркальные   камеры

До определенного момента вариообъективы с кратностью боль­ше двух были сложными в производстве и капризными в эксп­луатации. Поэтому для портретной, пейзажнoй и спортивной съемки использовались разные объективы, каждый с наиболее подходящим фокусным расстоянием. Фотограф закреплял их на камере, используя резьбовое либо байонетное соединение (о ко­тором будет рассказано далее). Однако с появлением надежных и недорогих вариообъективов высокой кратности (от 3 и выше), а также повсеместным внедрением электроники, обеспечиваю­щей правильный расчет параметров съемки, широкое распространение ранение получили компактные камеры под 35-мм пленку, обо­рудованные несменными объективами с переменным фокусным расстоянием. Тем не менее сменная оптика сохранилась в так называемых зеркальных камерах.

Зеркальной (SLR - single 1еns reflех) называется камера, в которойизображение, попадающее в объектив, с помощью специальной оптической системы проецируется на поверхность экрана фоку­сировки. Это изображение пользователь наблюдает в видоиска­теле и визуально контролирует кадрирование и фокусировку. Для точного определения дистанции съемки применяются раз­нообразные оптические устройства. Одним из них является мик­рорастр, система микроскопических пирамидок, нанесенных на поверхность экрана фокусировки.

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

         видеоискатель     

                                                                

                                                              Зеркальце  в  нижнем  положении

    Рис 2.1. Зеркальная  камера  с  убирающимся  зеркалом

               Отдельного упоминания заслуживают модели, использую­щие принцип видеокамер - вместо оптического видоискателя в них установлен миниатюрный, не более 1,5 см, цветной ЖК­-дисплей с хорошим разрешением - порядка 130 тысяч элементов. При этом на дисплей выводится дополнительная информация - значения диафрагмы, выдержки, количество кадров и т. д. Такое решение обусловлено, во-первых, особенностями конструкции камеры (например, когда «зрачок» оптического видоискателя просто негде расположить), а во-вторых, тем, что при съемке в солнечную погоду блики на ЖК-дисплее делают практически невозможным использование его в качестве видоискателя.

2.3Экспозиция.   Диафрагма и выдержка.    Светочувствительность.

Важнейшим оптическим определением является экспозиция.

Экспозиция – это физическая величина, служащая количественной

мерой световой энергии, падающей на светочувствительный элемент.

В нашем случае светочувствительным элементом является ПЗС­-матрица. От экспозиции, сообщенной матрице, во многом зависит качество снимка - недостаточная экспозиция (называемая фото­графами недодержкой) приводит к плохой проработке деталей в тенях, избыточная экспозиция (передержка) - к плохой прора­ботке светлых участков. Для управления экспозицией исполь­зуются диафрагма и выдержка, для расширения их диапазона применяют материалы с более высокой светочувствитвлъностъю.

Диафрагма – это устройство, посредством которого ограничивает­ся поперечное сечение световых пучков, проходящих через объек­тив, для уменьшения

освещенности ПЗС-матрицы. Представляет

собой светонепроницаемую преграду с центральным отверстием изменяемого диаметра.

                                

         а            б             в
     
Рис. 2.3. Диафрагма: а -f/22, б-f/8, в - f/2

 Наиболее распространена ирисовая диафрагма, у которой свето­вое отверстие образуется несколькими дугообразными лепест­ками (ламелями), соединенными с подвижным кольцом-корон­кой. При повороте кольца лепестки сходятся (или расходятся), плавно уменьшая (или увеличивая) отверстие диафрагмы. Ве­личина действующего отверстия диафрагмы изменяется в зави­симости от условий съемки (освещенности фотографируемого объекта и чувствительности ПЗС-матрицы), а также выдержки (о ней будет рассказано далее). От величины отверстия диаф­рагмы зависит диапазон резко изображаемого пространства - чем меньше отверстие, тем больше глубина, резкости, и наоборот:

Количественно диафрагма может быть описана относительным отверстием объектива, равным отношению диаметра входного зрачка объектива к его фокусному расстоянию. Квадрат этого числа определяет светосилу объектива. Для обозначения диаф­рагмы тем не менее используется так называемое диафрагмен­ное число - величина, обратная относительному отверстию. Ряд численных значений диафрагменного числа выбирается так, что он образует геометрическую прогрессию со знаменателем, рав­ным корню квадратному из двух (например, 1; 1,4; 2; 2,8; 4; 5,6 и т. д.). При данной яркости объекта съемки освещенность его оптического изображения на П3С-матрице обратно пропорцио­нальна квадрату диафрагменного числа, то есть чем меньше чис­ло, тем больше света попадает на матрицу. Если минимальное значение диафрагменного числа 2,8 и ниже, то объектив счита­ется светосильным.

            Выдержка –  это  промежуток  времени,  в  течение  которого  световые

лучи  воздействуют  на  ЭОП  для  сообщения   ему  требуемой  экспозиции.

Светочувствительность - это способность какого-либо материала определенным

образом реагировать на оптическое излучение. Чем выше чувствительность, тем

меньшее количество света требуется для реакции материала.

Количественная мера указанной способности - светочувстви­тельное число. Указывается в единицах ISO (International  Standards  Organization - Международная организация стандартов). При использовании пленки с высокой чувствительностью можно вести съемку с меньшей экспозицией. Но с увеличением чувстви­тельности фотопленки растет зернистость изображения и не­однородность негатива. К сожалению, при увеличении чувстви­тельности цифровой камеры изображение тоже ухудшается.

2.4Экспозиционное число. Экспокоррекция

ПРИМЕЧАНИЕ

Экспозиционное число _ понятие, используемое для  однозначной

Характеристики  условий  фотосъемки  и  определения  экспозиции, не­

обходимой для получения качественного кадра  при  заданной светочувствительности  ПЗС-матрицы.

Ряд значений экспозиционных чисел образует шкалу - изменение экспозиционного числа на одну единицу соответствует измене­нию экспозиции в два раза. Одну и ту же экспозицию можно обес­печить при различных сочетаниях значений диафрагменного числа и выдержки, называемых экспозиционными параметрами(экспопараметрами).

2.5Аберрации

Аберрации - искажения (от лат. aberratio- уклонение) изображе­ния, формируемого оптической системой. Проявляются в пониже­нии резкости изображения, нарушении подобия между объектом и его изображением (геометрические аберрации) либо окрашива­нии контуров изображения (хроматические аберрации).

Среди большого количества геометрических аберраций наибо­лее заметны кривизна поля и дисторсия.

Кривизна поля характеризуется тем, что резкое изображение плоского предмета лежит на искривленной поверхности. Вызвано это тем, что после прохождения сквозь оптическую систему све­товые лучи, идущие из точек, расположенных вне оптической оси объектива, сходятся в фокус не в одной плоскости. На фотогра­фии кривизна поля проявляется в понижении резкости изобра­жения от центра к краям. Устраняется эта аберрация подбором линз с различной кривизной поверхностей.

Дисторсией называется аберрация, при которой нарушается геомет­рическое подобие между объектом и его изображением. Это яв­ление возникает в результате того, что линейное увеличение, да­ваемое оптической системой, изменяется по полю изображения.


                   

                                           Рис. 2.4.  Дисторсия

В вариообъективах дисторсия выражается в «подушкообразных» искажениях при длиннофокусном режиме и в «бочкообраз­ных» - при широкоугольном. Для снижения дисторсии в конст­рукцию объективов включается асферическая оптика, то есть линзы с параболическими, эллиптическими и другими поверх­ностями.

Хроматические аберрации обусловлены зависимостью показате­ля преломления оптического стекла от длины волны проходя­щего через него света. В линзовых оптических системах это при­водит к разложению луча белого света на несколько одноцветных лучей, которые после выхода из оптической системы пересека­ют оптическую ось в разных точках. Поэтому в тех случаях, ког­да освещенность объекта съемки и его фона сильно отличается, на стыке появляется цветовая окантовка, чаще синеватого или фиолетового оттенка, именуемая каймой (fringe). Хроматическую аберрацию уменьшают комбинированием положительных и от­рицательных линз, сделанных из разных сортов стекла.

                         2.6Разрешающая способность оптики

Разрешающая способность оптических систем - под этой харак­теристикой подразумевается способность данных систем созда­вать раздельные изображения двух близко расположенных точек объекта. Разрешающую способность оценивают по наименьшему расстоянию между двумя точками, при котором их изображения еще не сливаются. До недавнего момента вопрос о достаточности разрешающей спо­собности объективов не возникал. Однако с увеличением разре­шения матриц любительских камер периодически складывается  ситуация, когда один и тот же сенсор, установленный на разных фотоаппаратах, «рисует» изображение с неодинаковым каче­ством. Особенно это характерно для сверхкомпактных моделей, к которым тяжело создать объектив с высокими оптическими характеристиками.

            З Электронно­ – оптические

                   преобразователи

После прохождения оптики световой поток попадает на регист­рирующий элемент - электронно-оптический преобразователь (ЭОП). Как уже упоминалось, в основном в этих целях исполь­зуются матрицы ПЗС - приборов с зарядовой связью. Несмотря на то что ЭОП на КМОП-элементах в последнее время появля­ются даже на профессиональных моделях, подавляющее боль­шинство любительских фотоаппаратов оснащены именно П3С­матрицами. Рассмотрим подробнее конструкцию этих устройств.

Общие принципы

Для того чтобы досконально понять, каким образом свет преобра­зовывается в электрический заряд, необходимо вспомнить раздел «Полупроводниковые приборы» школьного курса физики, точ­нее -р-n-переход. Однако тема эта слишком объемна, чтобы рас­сматривать ее в рамках данной работы. Вкратце принцип устрой­ства и функционирования П3С-матриц сводится к следующему.

В кремниевой подложке р-типа создаются каналы из полупро­водника n-типа. Сверку наносится изолирующий слой окиси кремния. Над каналами размещаются электроды из поликрис­таллического кремния. При подаче электрического потенциала на электрод в обедненной зоне под каналом n-типа образуется так называемая потенциальная яма, которая способна хранить электроны. После попадания фотона на поверхность n-канала

последний генерирует электрон, который хранится в потенци­альной яме. Чем больше фотонов попадает на поверхность, тем  выше накапливаемый заряд. Чем больше электронов может на­копить потенциальная яма, тем больший диапазон освещеннос­ти можно зафиксировать, и от этого, в конечном итоге, зависим динамический диапазон (о нем более подробно будет рассказано ниже). Все, что требуется сделать, - считать значение этого за­ряда и усилить его.

                           

                    Рис 3.1. Элемент  ПЗС – матриц.

 Для считывания заряда используются устройства, называемые регистрами сдвига, преобразующие строку зарядов на входе в последовательность импульсов на выходе. Полученный сигнал затем поступает на усилитель. Таким устройством можно счи­тать значение строки ПЗС-элементов.

В нашем же случае требуется определить заряд каждого из эле­ментов матрицы. При этом используется способность ПЗС к пе­ремещению потенциальной ямы. Для этого достаточно подать больший потенциал на соседний электрод, под который должна переместиться потенциальная яма. При этом яма из-под сосед­него электрода, в свою очередь, смещается под слёдующий элек­трод и так далее до регистра сдвига. Таким образом, необходимо согласовать по времени импульсы, подаваемые на электроды, а также работу регистров сдвига.

Поэтому используются два дополнительных устройства: во-пер­вых, управляющая

микросхема, обеспечивающая подачу импуль­сов на электроды матрицы, и во-

вторых, тактовый генератор.

того  как  отработал  затвор  фотоаппарата  и  все  пикселы  накопили  заряд, 

эквивалентный  световому  потоку,  упавшему  на  них,  происходит  процесс 

считывания  зарядов.   

 

                                  Рис. 3.2.  Полнокадровая  матрица. 

                                








 

4 Устройства  хранения  информации

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

4.1Буферная память

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

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

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

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

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

4.2Устройства долговременного хранения

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

Флэш-память

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

Существуют  следующие  виды  хранения  информации :

– Карты  PCMCIA

– CompactFlash

– SmartMedia

– M ultiMedia Card

– Memory Stick

– xD – Picture  Card

 Другие виды носителей

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

                           Заключение

С началом XX столетия  начинается  интенсивное  развитие  науки  и  техники.

Часы  с  калькулятором,  фонарь  с  радиоприемником,  пылесос  с  ионизатором

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

сложившимся  рынком. Модельный  ряд  обновляется  с  достойной  восхищения

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

целью  моей  работы. 













                                      Перечень  ссылок

1. «Цифровые  фотоаппараты»  Марин  Милчев.

2. Учебный справочник школьника.

Похожие работы на - Цифровые фотоаппараты, как средство съема визуально - оптической информации

 

Не нашел материал для своей работы?
Поможем написать качественную работу
Без плагиата!