Читайте данную работу прямо на сайте или скачайте
Цифровые фотоппараты, как средство съема визуально - оптической информации
Министерство образования и науки Украины
Харьковский национальный ниверситета радиоэлектроники
кафедр основа радиотехники
ЦДП
Пояснительная записк
к научнойа работе слушателя НОУ
Хмеленко Денис Геннадьевич
н тему:
Цифровые фотоппараты кака средство съёма
визуально - оптической информации
Научный руководитель работы Олейников.А.Н.
профессора кафедры ОТа
Харькова 2004 год
Содержание
Стр.
1 Основные принципы и классификация цифровых афотоппаратов..................................................................................2
1.1 Общиеа принципы работы фотоппаратов ...........................2
1.2 Классификация ........................................................................... 3
1.Студийныеа камеры..................................................................... 3
1.Полевыеа камеры...........................................................................4
1.Профессиональныеа камеры........................................................4
1.Любительскиеа камеры...............................................................5
2 Оптическая система.................................................................6
2.Объективы с постоянным и переменным фокусным расстоянием .........................................................................................6 2.Сменная оптика. Зеркальные и незеркальные камеры....................7 2.Экспозиция. Диафрагма и выдержка. Светочувствительность............................................................................. 8 2.Экспозиционное число. Экспокоррекция.............................................9а 2.Аберрации .................................................................................................10 2.Разрешающая способность оптики ................................................11
3 Электронно - оптические преобразователи................................11
Ц Общиеа принципы
4а стройств хранения информации.............................................14
4.1 Буферная память..............................................................14 4.Устройств долговременного хранения ...............................15
Введение
Последнее десятилетие XXа век ознаменовалось появлением большого количеств стройств, изменившиха привычный взгляда н вещи.
Похоже, что, кроме чайникова иа утюга, не осталось техники, ва названии
которой неа фигурируета слово цифровой. Ва связи са этима возникаета
некоторая путаница, что же подразумеваета данное прилагательное ва том
или инома случае. Чаще всего недоразумения происходята при использо-
вании словосочетания цифровая камера. Вызвано этима тем, что пода этима названиема скрываются дв совершенно разныха класс устройств -
цифровые видеокамеры и цифровые фотокамеры. Иа если цифровые
видеокамеры представляюта собой достаточно привычныеа устройства, пусть с лучшенным качеством и прощённым подключением к компьютеру,
то цифровыеа фотокамеры произвели настоящийа переворота ва истории
фотографии.
Очевидно, что технология съемки, проявкиа плёнки и печатиа фо-
тографий претерпел незначительные изменения c момент появления
н свет. к революционныма измененияма можно отнести воцарение цвета
( случившееся, впрочем, совсема недавно)а иа появление фотоппаратов
лмоментальной съёмки, более известныха по одному иза крупнейших
производителей - компании Polaroid. Иа если с техническойа точки зрения
обычные фотокамеры последнего поколения представляюта собой чудеса
инженерной мысли, то химические процессы получения фотографий
сохранились c дедовскиха времен. Приа этома следуета вспомнить, что
любительские киносъёмки, появившаяся значительно позднее фотосъёмки,
са начал 80-ха годова стал активно вытесняться видеосъёмки, и ва
результате в нашеа время кинокамеры ва рукаха далёкого ота кинематографа
человека - явления довольно редкое.
Тема неа менее электроник заменил плёнку ва фотокамерах сравнительно недавно - первые моделиа цифровыха фотокамера появились
н рынке ва Украинеа ва 1996 году. Причину столь позднего старт следуета искать ва конструктивныха особенностяха цифровыха фотоппаратов.
Также следуета отметить появившиеся недавно новые мобильные
телефоны, имеющие австроенныйа цифровой фотоппарат, выхода ва интернет и многое другое.
1.Общиеа принципы работы фотоппаратов
Любой фотоппарат, ва тома числеа и цифровой, можно условно разделить
н триа части. Первая иза них - оптическая система, состоящая иза объектив ( иногд са насадками )а и затвора. Вторая часть - это регистратор изображения. Третья часть предназначен для хранения отснятых
кадров. Ва обычнома фотоппарате функции второйа и третьей частейа
выполняета плёнка, ва цифровома для этого используется дв разныха
устройства.
Для регистрацииа изображения используется электронно-оптический
преобразователь, для хранения - флэш-память.
Примечание : ЭОП - прибор, преобразующий световой потока ва электрический сигнал. Характеризующийся разрешением - количеством
точека по вертикали и горизонтали, также соотношениема сигнал/шум.
Флеш-память Ца энергонезависимая память, сохраняющая информацию
после выключения питания. Характеризуется форм-фактором, емкостью
( ва мегабайтах ), скоростью доступ иа напряжениема питания ( кака правило, 3,3а либо 5 В ).
Ва качестве ЭПа используется дв тип стройств - ПЗС-матрицы
( матрицы приборова са зарядовой связью)а и КМОП-матрицы. По конку-
ренции данныеа устройств примерно похожиа н используемые ва
видеокамераха матрицы, основное различие заключается ва разрешении.
Эт жеа характеристик является однойа иза основныха приа описании
цифровой фотокамеры, именно дороговизн ПЗС-матрицы са большим
количествома элементова сдерживал развитие цифровойа фотографии. И
если для любительской видеокамеры достаточно матрицы иза 300 тысяч
элементов, то для фотографии размерома 9×12а сма необходимо аналичие
кака минимума мегапиксела.
Мегапиксельные ПЗС-матрицы са разрешениема 1280×960а появились в
цифровыха фотокамераха ва конце 1997а года.
1.Классификация
Если попытаться провести классификация цифровых фотокамер, то полученныеа категории будута примерно совпадать са существующимиа в
области пленочнойа фотографии классами.
Изначально всеа цифровые фотоппараты можно разделить на :
- студийные;
- полевые;
Кака видно иза названия, отличаются они друга ота друг л средой обитания.
1.Студийные камеры
Названия фирм, производящиха эту технику, не скажута ничего не только
обычному пользователю, но и профессиональному фотографу - Leaf,
Phaseа One, Dicomed. Студийные камеры предназначены для стационарнойа
съемки ава специально отведеннома для этого помещения - фотостудии.
Для студийныха камера не существуета ограничений ни н время экспонирования, ни ( теоретически )а н габариты устройства. Ва связиа с
этима данныеа приборы ва основнома представляюта собой приставкуа к
среднеформатной илиа крупноформатной камере, станавливаемую вместо
задней стенкиа аппарата. Конструктивно этиа устройств можно разделить
н дв основныха типа - сканирующие иа полнокадровые. Поскольку ва
студийной техникеа применяются дорогостоящие ПЗС-матрицы высокого
разрешения, потока информации ва такиха системаха очень интенсивный.
1.Полевыеа камеры
Гораздо болееа распространенной категорией являются полевые камеры.
Така кака данные модели предназначены для эксплуатации ва различных
условияха освещения, объекты съемкиа могута быть самымиа разнообразными, крайне необходима широкий диапазона выдержкиа и
диафрагмы, также встроенная вспышка. Фотоппараты этого класса
работаюта автономно, поэтому должны обладать большими объемами памятиа и низкима ровнема энергопотребления. Ввиду того, что полевые
камеры постоянно находятся ва рукаха своиха владельцев, ва крайнема случае ва сумке н плече, ка этому типуа техники предъявляются очень
жесткие требования по массе иа габаритами.
Ва 2002а году появилась технология, которую можно назвать
революционной - многослойные матрицы, ва которыха каждый элемент
(пиксел)а регистрирует полную информацию о цветовома диапазоне.
Достигается это з счета того, что света c разной длиной волны проникаета ва материала ЭПа н разнуюа глубину.
Применение сменнойа оптики и цена - вота что разделяета многочисленное семейство полевыха фотокамера н две большие категории : профес-
сиональные иа любительские.
1.Профессиональные камеры
К началу 2003 года основной из критериев - цена составляет от 2 долларов для профессиональных камер. Тому виной дв обстоятельства.
Во-первых, категория покупателей профессиональной техники относительно немногочисленна и согласна с высокой ценой за хорошее качество. Кроме того, сменные объективы, используенмые в камерах этого класса, зачастую стоят не намного дешевле самиха фотоппаратов.
Вторая причина повышенной стоимости - конструкция этих стройств. Фактически профессиональная камера представляет собой корпус зеркального пленочного фотоппарата высокого класса (и высокой стоимости), доработанного с учетом становнки электронно-оптического
преобразователя (ЭОП) и стройнства хранения кадров.
Большинство моделей снабжаются цветныма ЖК -дисплеем
расположенным на задней панели, - он используется для пронсмотра и даления отснятых кадров, настройкиа камеры и т. д. Главное же аконструктивное отличие данной категории - вали: чие байонетногоразьема для асменной оптики, причем стоимость качественного объектива может в анесколько раз превосходить стоимость камеры. Использование стандартной аоптики накладынвает также ограничение на минимальный размер ЭОП, по габаринтам аон должен быть максимально приближен к размерам кадра 35-мм пленки. Так как ав качестве ЭОП в основном используются дорогостоящие крупногабаритные ПЗС-матрицы, общую цену камеры низкой назвать нельзя. Однако в последнее авремя наментилась тенденция использовать в качестве базы фотоппараты среднего класса: Возможно, в недалеком будущем стоимость цифровой зеркалки опустится ниже планки в 2 долларов.
1.Любительские камеры
Поскольку фотолюбителей, готовых купить камеру за 2 долнларов и выше (это без чета стоимости оптики), не так ж и много, вскоре после профессиональных моделей появились и любительские, которым и будет делено основное внимание на страницах данной книги. В англоязычной литературе часто встречаются определения consumerа camera (буквальный перенвод - потребительские камеры), а также prosumerа camers - этот термин появился сравнительно недавно и образован за счет слиняния слов ргоfеввiопа1 и сопвитег. Им обозначаются недавно понявившиеся модели с высоким разрешением, большим количенством ручных настроек и сервисных функций, с возможностью становки оптических насадок и подключения внешней вспышнки - в общем, со всем тем, что до недавнего времени встречалось только в профессиональных моделях.~Любительская цифровая камера в отличие от профессиональной разрабатывается, что нанзывается, с нуля, без использования корпуса и оптики пленочнных камер. Есть, правда, модели, внешним видом напоминающие широко известные 35-мм любительские камеры.
Рис. 1.4. Слева - пленочная камер Саnоn IXUS 11, справа - цифровая камер Canonа Digitalа IXUS
Рис. 1.5. Слева - пленочная камер Olympusа ZOOMа 115, справа Ца цифровая камер Olympus C - 990 ZOOMа
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 цифронвой модели. Дело в том, что используемые в любительских цифнровых фотоппаратах ПЗС-матрицы значительно меньше тех, что применяются в профессиональных. Их размер не превышает 2/3 дюйма по диагонали, наиболее часто встречаются матрицы с диагональю 1/2 дюйма. При этом оптика, перенесенная один в один с 35-мм камеры, дает изображение, значительно превосхондящее по размерам ПЗС-матрицу. Кроме того, ЭОП обладают
меньшей по сравнению с пленкой светочувствительностью, с другой стороны, продолжительное воздействие яркого света гунбительно для них, что накладывает дополнительные ограниченния на конструкцию затвора и светосильные характеристики оптики. ?Как ни прискорбно, до сих пор встречаются конструкнции камер, оптика которых вызывает нехорошие воспоминания о дешевых китайских лмыльницах с пластмассовыми линзами. Естественно, что никакие лмегапикселы не помогут сформиронвать качественное изображение при эксплуатации таких моденлей. В то же время появившиеся в 1998 году камеры с ЭОП на полтора миллиона элементов и хорошей светосильной оптикой до сих пор с спехом используются в достаточно сложных для съемки словиях, например при съемке в помещениях с плохой освещенностью.
2 Оптическая система
Как же было сказано, одной из основных составляющих фотонаппарата является его объектив. Поэтому необходимо помянуть основные термины, касающиеся оптической подсистемы фотонаппарата.
2.Объективы с постоянным и апеременным фокусным расстоянием
Чем больше фокусное расстояние, тем меньше гол зрения - предметов попадает в кадр меньше, но их размер в кадре больше. И наоборот, при меньшении фокусного расстояния объекты съемки становятся меньше, но в кадр их попадает больше. Разумеется, что это также сказывается и на перспективе кадра - степени даленности объектов друг от друга. глу зрения обычнного человека в 35-мм камерах соответствует фокусное расстоянние 50 мм (46
Часто фокусное расстояние для цифровой фотокамеры казынвается двумя цифрами, например, 6-15 мм (28-72 мм). Это вызнвано тем, что размер ЭОП меньше кадра обычной пленки, поэтому линейные размеры оптики тоже меньше. Для добства восприянтия вводится вторая величина, которая обозначает фокусное раснстояние в эквиваленте 35-мм камеры.
Для обозначения объективов с переменным фокусным расстояннием в англоязычной литературе применяется термин zoom, часто он калькируется в русских переводах словом зум. Это непранвильно, для объективов такого типа давно существует название вариообьектив. Под кратностъяю объектива подразумевают отнношение амаксимального афокусного арасстояния ак аминимальному, например,
105/35 = 3 - кратность объектива равна 3. Объективы, фокусное расстояние которых не изменяется, в ангнлоязычной литературе называются fixedа focus. В отечественной литературе такой тип оптики обозначается как объектив с понстоянным фокусным расстоянием. Постоянное фокусное расстоняние несколько ограничивает возможности фотографа, в то же время конструкция таких стройств предельно проста. Поэтому такие объективы чаще всего встречаются в недорогих компактнных камерах.
2.Сменная оптика. Зеркальные и незеркальные акамеры
До определенного момента вариообъективы с кратностью больнше двух были сложными в производстве и капризными в экспнлуатации. 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 контором будет рассказано далее). Однако с появлением надежных и недорогих вариообъективов высокой кратности (от 3 и выше), также повсеместным внедрением электроники, обеспечиваюнщей правильный расчет параметров съемки, широкое распространение ранение получили компактные камеры под 35-мм пленку, обонрудованные 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 фокунсировки. Это изображение пользователь наблюдает в видоискантеле и визуально контролирует кадрирование и фокусировку. Для точного определения дистанции съемки применяются разннообразные оптические стройства. Одним из них является микнрорастр, система микроскопических пирамидок, нанесенных на поверхность экрана фокусировки.
Чтобы изображение попало на видоискатель, используется либо зеркальце, бирающееся в момент съемки, либо полупрозрачная призма.
видеоискатель
Зеркальце ва нижнема положении
Рис 2.1. Зеркальная камер c бирающимся зеркалом
Отдельного поминания заслуживают модели, используюнщие принцип видеокамер - вместо оптического видоискателя в них становлен миниатюрный, не более 1,5 см, цветной Кн-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), во-вторых, тем, что при съемке в солнечную погоду блики на ЖК-дисплее делают практически невозможным использование его в качестве видоискателя.
2.Экспозиция. 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 ПСн-матрица. От экспозиции, сообщенной матрице, во многом зависит качество снимка - недостаточная экспозиция
(называемая фотонграфами недодержкой)
приводит к плохой проработке деталей в тенях, избыточная экспозиция
(передержка) - к плохой проранботке светлых частков. Для правления экспозицией испольнзуются диафрагма и выдержка, для расширения их диапазона применяют материалы с более высокой светочувствитвлъностъю.
Диафрагма - это стройство, посредством которого ограничиваетнся поперечное сечение световых пучков, проходящих через объекнтив, для меньшения
освещенности ПЗС-матрицы. Представляет
собой светонепроницаемую преграду с центральным отверстием изменяемого диаметра.
а
б в
Рис. 2.3. Диафрагма: -f/22, б-f/8, в - f/2
Наиболее распространена ирисовая диафрагма, у которой светонвое отверстие образуется несколькими дугообразными лепестнками (ламелями), соединенными с подвижным кольцом-короннкой. При повороте кольца лепестки сходятся (или расходятся), плавно уменьшая (или величивая) отверстие диафрагмы. Венличина действующего отверстия диафрагмы изменяется в завинсимости от условий съемки (освещенности фотографируемого объекта и чувствительности ПЗС-матрицы), также выдержки (о ней будет рассказано далее). От величины отверстия диафнрагмы 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 диафнрагмы тем не менее используется так называемое диафрагмеое число - величина, обратная относительному отверстию. Ряд численных значений диафрагменного числа выбирается так, что он образует геометрическую прогрессию со знаменателем, равнным 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 ПС-матрице обратно пропорционнальна квадрату диафрагменного числа, то есть чем меньше чиснло, тем больше света попадает на матрицу. Если минимальное значение диафрагменного числа 2,8 и ниже, то объектив считанется светосильным.
Выдержка - аэто промежутока времени, ва течение которого световые
лучи воздействуюта н ЭПа для сообщения ему требуемойа 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 казанной способности - светочувствинтельное число. казывается в единицах ISO (Internationalа Standardsа Organization - Международная организация стандартов). При использовании пленки с высокой чувствительностью можно вести съемку с меньшей экспозицией. Но с величением чувствинтельности фотопленки растет зернистость изображения и неноднородность негатива. К сожалению, при увеличении чувствинтельности цифровой камеры изображение тоже худшается.
2.Экспозиционное число. Экспокоррекция
ПРИМЕЧАНИЕ
Экспозиционное число _ понятие, используемое для аоднозначной
Характеристики аусловий афотосъемки аи аопределения аэкспозиции, нен
обходимой для получения качественного кадра апри азаданной светочувствительности ПЗС-матрицы.
Ряд значений экспозиционных чисел образует шкалу - изменение экспозиционного числа на одну единицу соответствует измененнию экспозиции в два раза. Одну и ту же экспозицию можно обеснпечить при различных сочетаниях значений диафрагменного числа и выдержки, называемых экспозиционными параметрами(экспопараметрами).
2.Аберрации
беррации - искажения (от лат. aberratio- клонение) изображенния, формируемого оптической системой. Проявляются в пониженнии резкости изображения, нарушении подобия между объектом и его изображением (геометрические аберрации) либо окрашиваннии контуров изображения (хроматические аберрации).
Среди большого количества геометрических аберраций наибонлее 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 свентовые лучи, идущие из точек, расположенных вне оптической оси объектива, сходятся в фокус не в одной плоскости. На фотогранфии кривизна поля проявляется в понижении резкости изобранжения от центра к краям. Устраняется эта аберрация подбором линз с различной кривизной поверхностей.
Дисторсией называется аберрация, при которой нарушается геометнрическое подобие между объектом и его изображением. Это явнление возникает в результате того, что линейное величение, данваемое оптической системой, изменяется по полю изображения.
Рис. 2.4. Дисторсия
В вариообъективах дисторсия выражается в подушкообразных искажениях при длиннофокусном режиме и в бочкообразнных - при широкоугольном. Для снижения дисторсии в констнрукцию объективов включается асферическая оптика, то есть линзы с параболическими, эллиптическими и другими поверхнностями.
Хроматические аберрации обусловлены зависимостью показатенля преломления оптического стекла от длины волны проходянщего через него света. В линзовых оптических системах это принводит к разложению луча белого света на несколько одноцветных лучей, которые после выхода из оптической системы пересеканют оптическую ось в разных точках. Поэтому в тех случаях, когнда освещенность объекта съемки и его фона сильно отличается, на стыке появляется цветовая окантовка, чаще синеватого или фиолетового оттенка, именуемая каймой (fringe). Хроматическую аберрацию меньшают комбинированием положительных и отнрицательных линз, сделанных из разных сортов стекла.
2.Разрешающая способность оптики
Разрешающая способность оптических систем - под этой харакнтеристикой подразумевается способность данных систем созданвать 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 спонсобности объективов не возникал. Однако с величением разреншения матриц любительских камер периодически складывается ситуация, когда один и тот же сенсор, становленный на разных фотоппаратах, лрисует изображение с неодинаковым каченством. Особенно это характерно для сверхкомпактных моделей, к которым тяжело создать объектив с высокими оптическими характеристиками.
З Электроннон - оптические
апреобразователи
После прохождения оптики световой поток попадает на регистнрирующий элемент - электронно-оптический преобразователь (ЭОП). Как же поминалось, в основном в этих целях испольнзуются матрицы ПЗС - приборов с зарядовой связью. Несмотря на то что ЭОП на КМОП-элементах в последнее время появлянются даже на профессиональных моделях, подавляющее больншинство любительских фотоппаратов оснащены именно Снматрицами. Рассмотрим подробнее конструкцию этих стройств.
Общие принципы
Для того чтобы досконально понять, каким образом свет преобранзовывается в электрический заряд, необходимо вспомнить раздел Полупроводниковые приборы школьного курса физики, точннее -р-n-переход. Однако тема эта слишком объемна, чтобы раснсматривать ее в рамках данной работы. Вкратце принцип стройнства и функционирования ПС-матриц сводится к следующему.
В кремниевой подложке р-типа создаются каналы из полупронводника n-типа. Сверку наносится изолирующий слой окиси кремния. Над каналами размещаются электроды из поликриснталлического 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 потенцинальной яме. Чем больше фотонов попадает на поверхность, тема выше накапливаемый заряд. Чем больше электронов может нанкопить потенциальная яма, тем больший диапазон освещенноснти 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 занряда и силить его.
Рис 3.1. Элемента ПЗС - матриц.
Для считывания заряда используются стройства, называемые регистрами сдвига, преобразующие строку зарядов на входе в последовательность импульсов на выходе. Полученный сигнал затем поступает на силитель. Таким стройством можно счинтать значение строки ПЗС-элементов.
В нашем же случае требуется определить заряд каждого из эленментов матрицы. При этом используется способность ПЗС к пенремещению потенциальной ямы. Для этого достаточно подать больший потенциал на соседний электрод, под который должна переместиться потенциальная яма. При этом яма из-под соседннего электрода, в свою очередь, смещается под слёдующий элекнтрод 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 стройства: во-пернвых, правляющая
микросхема, обеспечивающая подачу импульнсов на электроды матрицы, и во-
вторых, тактовый генератор.
Однима иза первыха типова ЭПа были полнокадровые ПЗС-матрицы. После
того кака отработала затвора фотоппарат и все пикселы накопили заряд,
эквивалентный световомуа потоку, павшему н них, происходита процесса
считывания зарядов.
Рис. 3.2. Полнокадровая матрица.
4 стройств 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 фотоппаратов использует схему с чередованием элементов, конторая требует дополнительной обработки встроенным программнным 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 стройнство долговременного хранения информации, какого бы типа оно ни было. Для промежуточного хранения и обработки изображенния используется буферная память.
4.Буферная память
Этот тип памяти аналогичен ОЗУ, используемому в персональнных компьютерах. Основное отличие в том, что при выборе тек или иных микросхем основное внимание деляется не столько быстродействию (хотя и оно немаловажно), сколько надежноснти и малому энергопотреблению. До недавнего времени размеры буфера были сравнительно невелики, пока кому-то из произвондителей не пришла в голову мысль величить 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 доступнным 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 записынваются в долговременную память. Если АЦП матрицы обеспенчивает 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, продолнжительность до 30 секунд.
После того как программное обеспечение камеры создало на осннове данных с ПЗС-матрицы полноцветное изображение, вознинкает 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 отвенчает за яркость, U и V - за цветовой оттенок. Подобная схема применяется в телевещании - как же было сказано, человечеснкий глаз больше реагирует на яркостные характеристики изобнражения, чем на цветовые.
На втором шаге следует разбиение изображения на отдельные частки размером 8х8 пикселов, затем над каждым частком пронизводится математическая операция - дискретное косинус-пренобразование. В результате изображение представляется в виде гармонических колебаний разной частоты и амплитуды.
на третьем шаге происходит то, из-за чего компрессия JРЕС называется сжатием с потерями качества - частотно-амплинтудные характеристики каждого блока анализируются с четом повторяемости цветов в изображении и особенностей человеческонго зрения, в частности меньшей чувствительности глаза к верхнней части спектра. При этом дается 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, восстанонвить изображение с точностью до пиксела невозможно (а, в общемнто, 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 долговренменную память записывается отпечаток ПЗС-матрицы. При этом размер изображения в десятки раз больше кадра JPEG, и для его просмотра требуется специальная программа, поставлянемая фирмой-производителем камеры. Не всегда эти програмнмы обладают достаточным количеством операций по обработке изображения, иногда у них неудобный интерфейс. Данные обнстоятельства 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 происхондит. Но даже с минимальным сжатием файл JPEG в несколько раз меньше файла TIFF.
4.Устройства долговременного хранения
К стройствам долговременного хранения предъявляется ряд жестких требований. Во-первых, необходима возможность прондолжительного хранения без источников питания. Во-вторых, требуется минимальное энергопотребление при операциях запинси/считывания/стирания. В-третьих, время записи/считыванния/стирания должно быть как можно меньше. В-четвертых, габариты должны быть минимальными. И наконец, самое главнное - стройство обязано быть стопроцентно надежным. Перенчисленным требованиям в наиболее полной мере довлетворяют конструкции, использующие так называемую флэш-память.
Флэш-память
Этот тип памяти является промежуточным между ПЗУ (постонянное запоминающее стройство, в англоязычной литературе - АОМ, read-оn1у memory), которое хранит информацию без иснточников питания, но не позволяет ее модифицировать, и ОЗУ, которое допускает информацию модифицировать, но хранить ее не может. Флэш-память использует питание только при считынвании данных и их модификации, причем для считывания необнходимо менее высокое напряжение, для записи Ца повышенное.
Существуюта следующие виды хранения информации :
Ц Карты PCMCIA
Ц CompactFlash
Ц SmartMedia
Ц M ultiMedia Card
Ц Memory Stick
Ц xD - Pictureа Card
Другие виды носителей
Среди альтернативных методов хранения информации преобландают разнообразные стройства с магнитными методами запинси. словно их можно разделить на две группы. В первой группе используются различные сменнъсе носители - от обычного гибнкого 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 (лвинчестеры). Сравнительно высокая цена этих стройств частично оправдывается большой емкостью и высонкими скоростями записи.
Заключение
С началом XX столетия начинается интенсивноеа развитие науки иа техники.
Часы са калькулятором, фонарь са радиоприемником, пылесоса са ионизатором
воздуха - все эти вещиа давно стали привычными. Иа сама этота факта столь широкого развития говорита о том, что это направление прошло периода начального развития иа уже сейчаса представляета собой мощную базуа со
сложившимся рынком. Модельный ряда обновляется са достойнойа восхищения
скоростью. Тема важнееа для пользователя неа ошибиться при выбореа фотоппарат и неа разочароваться при его эксплуатации - это и есть основной
целью моей работы.а
Перечень ссылок
1. Цифровые фотоппараты Марина Милчев.
2. Учебный справочник школьника.