Преобразование оптического сигнала в цифровых фотокамерах

Федеральное агентство по образованию

Санкт-Петербургский государственный  научно-исследовательский университет  информационных технологий, механики и оптики

Факультет  точной механики и технологий

 

 

 

 

 

 

Реферат на тему

«Преобразование оптического сигнала в цифровых фотокамерах»

по предмету Теория информационных процессов и систем

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнила: Белкина С.М. группа 4641

 

 

 

Санкт-Петербург

2012

 

Содержание

 

Введение. История  цифровой фотографии 3

Устройство  цифровой камеры 4

Принципы  работы цифровой фотокамеры 5

Сенсоры цифровых фотоаппаратов 7

Формат RAW 13

Виды матриц 15

ПЗС - матрица 16

КМОП - матрица 17

Типоразмер  матрицы и кроп-фактор 19

Пропорции в  цифровой фотографии 22

Компакты 24

Кропнутые зеркальные камеры 24

Зеркальные  камеры  полнокадровые 36x24 мм 24

Литература 25

 

 

 

Введение. История  цифровой фотографии

В 1952 году для записи ТВ программ использовались первые пленочные видеомагнитофоны. До этого, большая часть телевидения  транслировалась вживую, либо на катушках. С по-мощью видеопленки изображение записывалось не в виде картинки как таковой, а в виде закодированного сигнала на пленке. Затем, закодированная пленка прогонялась через машину-декодер (то есть, видеомагнитофон), которая декодировала сигнал обратно в изоб-ражения.

Это важный шаг в истории  цифровой фотографии. Видео отличалось от пленки, которая использовалась до этого, так как она записывала реальное изображение, кадр за кадром.

Следующим важным шагом на пути развития цифровой фотографии стало  появление устройств сканирования изображения (сканеров). На самом деле они не делали фотографий, но создавали  копию уже существующего изображения.

В 1957 Раселом Киршем был  разработан “барабанный сканер”. Сканер собирал светлые и темные участки  разной интенсивности на изображении  и сохранял их в двоичном виде, то есть в виде цифрового сигнала.

От данной технологии получили распространение копировальные  устройства. Первое из них было сделано  компанией Xerox в 1959 году. Получилось огромное, медленное и довольно дорогое  устройство, но несмотря на все это, оно пользовалось большой популярностью.

Космические гонки играли большую роль в истории цифровой фотографии.В период холодной войны политики и с той, и с другой стороны, понимали, что если удастся запустить в космос спутник, то можно к нему прикрепить камеру, которая могла бы следить за врагом сверху.

Но здесь возникала  следующая проблема – в космосе  не было проявочных лабораторий! Отснятый на пленку материал нужно было возвращать на Землю, а если бы возвратить не удалось, то вообще никаких фотографий нельзя было бы увидеть! Поэтому была изобретена новая система, которая не нуждалась  в пленке.

Ответом на проблему стали  цифровые фотокамеры. Они могли записывать фотографии и «направлять» цифровой сигнал обратно на Землю. Затем сигнал нужно было расшифровать, чтобы можно было просмотреть изображение. Это поистине большая разработка в истории цифровой фотографии.

Следом за подвигами цифровых камер в космосе, концепция фотографии без использования пленки вернулась на Землю в 1973 году. Инженер Стивен Сэссон, работавший на компанию Kodak, использовал CCD для получения цифрового изображения.

Эта камера была довольно тяжелой  и весила около 4-х килограммов. А  ее разрешение было всего 0.1 мегапикселя  – не очень то привлекательно для  рядового пользователя!

Если быть до конца честными, это был больше экспериментальный  экземпляр, чем коммерческий. Но более  важно то, что это была настоящая  цифровая фотокамера, потому что она  записывала изображения на микрочип (CCD), а не на пленку.

Очевиден тот факт, что  требовалось дальнейшее развитие технологии. В это время люди осознали, что  цифровые камеры могут использоваться и на Земле. Но на данном этапе истории  никто и не ожидал, что цифровые камеры полностью вытеснят пленку.

Устройство цифровой камеры

Цифровой фотоаппарат — это фото камера, в которой объектив видоискателя и объектив для захвата изображения один и тот же, также в фотоаппарате используется цифровая матрица для записи изображения. В не зеркальном фотоаппарата в видоискатель попадает изображение из отдельного маленького объектива, чаще всего находящийся над основным. Отличие также имеется и от обычного устройства фотоаппарата (мыльницы), где отображается на экране изображение, попадающее непосредственно на матрицу.

В обычном устройстве зеркального цифрового фотоаппарата свет проходит через объектив (цифра 1). Затем он достигает диафрагмы, которая регулирует его количество (цифра 2), затем свет доходит до зеркала в устройстве зеркального цифрового фотоаппарата, отражается и проходит через призму (цифра 4), чтобы перенаправить его в видоискатель (цифра 5). Информационный экран добавляет к изображению дополнительную информацию о кадре и экспозиции (зависит от модели фотокамеры).

В момент, когда происходит фотографирование, зеркало устройства фотоаппарата (цифра 6) поднимается, открывается  затвор фотоаппарата (цифра 7). В этот момент свет попадает прямо на матрицу  фотоаппарата и происходит экспонирование кадра — фотографирование. Затем  закрывается затвор, обратно опускается зеркало, и фото камера готова к следующему снимку. Необходимо понимать, что весь этот сложный процесс внутри происходит за доли секунды. Это и есть устройство зеркального цифрового фотоаппарата.

C самого создания первого устройство фотоаппарата, основная схема работы его почти не изменилась. Свет проходит через отверстие, масштабируется и попадает на светочувствительный элемент внутри устройства фотоаппарата. Будь это пленочной камерой или зеркальной цифровой фотокамерой.

 Принципы работы цифровой фотокамеры

Плёночные и цифровые камеры имеют похожий дизайн. Основное различие в том, как фиксируется изображение, которое проходит через объектив: на плёнку или на карту памяти (в  цифровом виде).

Простое превращение аналогового  изображения, записанного на матрицу, в цифровые данные не создаёт цифрового  изображения. Только после того как  устройство обработки данных сделает  ряд вычислений на основе данных цифрового  изображения, мы увидим законченное  цветное изображение. Но этот процесс  напрямую связан с точностью передачи цветов, детальностью изображения и  процессом съёмки.

 

Схема обработки  сигнала в цифровой камере

Устройство обработки  изображения — это сердце камеры. Оно преобразует информацию об изображении  из аналоговой формы в цифровую и  выполняет различные виды обработки  данных для создания цветного изображения.

Качество цифрового изображения  определяется тремя факторами: действием  объектива, разрешающей  способностью матрицы, а также мощностью устройства обработки данных:

Таким образом, сам процесс  фотографирования выглядит следующим  образом:

• 01 — линза объектива;
• 02 — мозаичный светофильтр;
• 03 — матрица;
• 04 — обработка процессором.

Сенсоры цифровых фотоаппаратов

Матрица светочувствительных  элементов - основной узел цифрового  фотоаппарата. Понять принцип его  работы - понять принцип самой цифровой фотографии. В этой маленькой по физическим размерам микросхеме средоточие современных высоких технологий.

Качественный уровень  современного цифрового фотоаппарата определяется, прежде всего, техническим  совершенством установленного в  нем сенсора - матрицы светочувствительных  элементов. Это самая дорогая  и наиболее значимая деталь цифровой камеры.

При открытом затворе фотографируемая  сцена посредством системы линз фокусируется на матрицу. Какие-то сенсоры  фиксируют очень яркие фрагменты  сцены, а какие-то – тени, все же остальные запоминают полутона. Каждый элемент матрицы преобразует  падающий свет в электрический сигнал. Когда же затвор закрывается и  выдержка полностью отработана, матрица  «вспоминает» первоначальную картину  распределения света. Сенсоры в  более светлой области имеют  более высокий заряд, чем сенсоры  в мало освещенной области. Затем  эти различные по силе заряды преобразуются  в цифровые выражения, которые, в  свою очередь, служат для воссоздания  первоначального изображения .

В обычной фотопленке на пластиковую  основу наносятся галоиды серебра - именно они реагируют на любой  свет, падающий под любым углом. В  отличие них, кремниевые пиксели  реагируют на свет только в том  случае, когда он падает под прямым углом (или близким к прямому). Это требуется для того, чтобы  пиксели получали больший электрический  заряд. Для обеспечения требуемого угла над каждым пикселем сенсора  помещается специальная выпуклая микролинза. Именно таким образом корректируется угол падения света и увеличивается  светочувствительность сенсора.

Обычно микролинзы создаются  путем нанесения резистного материала  на сенсор. Затем относительно пикселей в этом материале протравливается  сетка. При нагревании остатки оплавляются  и принимают куполообразную форму.

Матрицу фотоэлементов можно  представить в виде обычной матрицы, где каждое численное значение соответствует  количеству поглощенного света. Темным участкам соответствуют минимальные  значения, а светлым – максимальные.

Каждый пиксель несет  информацию о яркости: чем больше фотонов попало, тем выше яркость  и наоборот.

На рисунке, каждому пикселю  соответствует числовое значение, равное количеству принятых фотонов.

3 - три фотона = низкая степень яркости;7 - семь фотонов = средняя степень яркости;10 - десять фотонов = максимальная степень яркости пикселя, на данном рисунке.

Трехмерное представление  матрицы численных значений, находящихся  в памяти фотоаппарата, дает полное представление об уровне светового  сигнала, полученного от каждой точки  изображения. Благодаря этому впоследствии можно достаточно точно (в зависимости  от разрядности аналого-цифрового  преобразователя) воспроизвести оригинальное изображение. Чем выше разрядность  аналого-цифрового преобразователя, тем больше различных оттенков яркости  может воспроизвести цифровой фотоаппарат.

Формирование  цветного изображения

Матрица состоит из множества  светочувствительных ячеек –  пикселов. Каждая ячейка при попадании  на нее света вырабатывает электрический  сигнал, пропорциональный интенсивности  светового потока.

  

Все эти элементы, или  ячейки матрицы, одинаковы с точки  зрения спектральной чувствительности. Иначе говоря, они различают только уровень яркости падающего на них света, но не цвет. Чем большее  количество света попадает на светочувствительные  элемент матрицы, тем больший  электрический заряд на нем формируется.

Количество различаемых  матрицей уровней, или градаций, яркости, у простых цифровых аппаратов  составляет 256, и тогда матрица  называется 8-разрядной, или 8-битовой.

  

На этом рисунке градаций всего 16, и если бы нас устраивало такое грубое разбиение яркости  на уровни, то было бы достаточно иметь  всего лишь 4-разрядную матрицу.

В камерах продвинутого уровня матрицы 10- или 12-разрядные, то есть они  различают 1024 и 4096 уровней яркости  соответственно, а самые дорогие  аппараты могут иметь 14- и 16-разрядную  матрицу.

После того, как сделан кадр, сформированное на матрице изображение  считывается, то есть разные уровни электрических  зарядов преобразуются в соответствующие  числовые значения.

Даже самые современные технологии не позволяют создать светочувствительные  элементы, которые бы реагировали  на количество цвета, а не света. Поэтому матрица формирует только монохромную (черно-белую) картинку. Чтобы получить цветное изображение, применяется технология, предложенная в далеком 1976 году инженером фирмы «Кодак» Брюсом Байером. На кремний накладывается массив цветных фильтров, которые помещаются между микролинзами и пикселями. Для того чтобы каждому пикселю соответствовал свой основной цвет, над ним помещается фильтр соответствующего цвета. Фотоны, прежде чем попасть на пиксель, сначала проходят через фильтр, который пропускает только волны своего цвета. Волны другой длины (другого цвета) будет просто поглощаться фильтром. В результате каждая из ячеек матрицы начинает воспринимать только тот свет, который проходит через соответствующий фильтр. Таким образом, одни ячейки различают только уровни яркости красного света, другие - только синего, третьи - зеленого. В этой системе фильтры расположены вперемешку, в шахматном порядке, а количество зеленых фильтров в два раза больше, чем красных или синих. Порядок расположения таков, что красные и синие фильтры расположены между зелеными.

Такое количественное соотношение  объясняется строением человеческого  глаза - он более чувствителен к зеленому свету. А шахматный порядок обеспечивает одинаковые по цвету изображения  независимо от того, как вы держите  камеру (вертикально или горизонтально). При чтении информации с такого сенсора, цвета записываются последовательно  в строчках. Первая строчка должна быть RGRGRG, следующая - GBGBGB (где R - red, G - green, B - blue) и т.д. Такая технология называется последовательной RGB (sequential RGB или sRGB).

Эта технология получила название «решетки Байера» (Bayer pattern). Таким образом, на каждый пиксель на фотографии приходится четыре светочувствительных элемента. Например, в камере с матрицей 8 Мп будет 32 миллиона элементов, 16 миллионов из них будут выдавать информацию о зеленом цвете, и по 8 миллионов — о красном и синем.

Почему именно эти цвета? Потому что эти цвета – основные, а все остальные получаются путем  их смешения и уменьшения или увеличения их насыщенности.

Все многообразие цветовых оттенков, которые способен различать  человек, можно получить путем суммирования нескольких базовых цветов, комбинируя их в различных пропорциях. Систем разложения цвета на базовые составляющие существует несколько (в принципе, их может быть сколь угодно много), но в большинстве случаев применяется  разделение на RGB-составляющие, то есть за базовые цвета принимаются  три цвета: красный, зеленый и  синий, в соответствии с типами цветочувствительных  элементов наших глаз.