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

телефоны,  имеющие  встроенный  цифровой  фотоаппарат,  выход  в  интернет и многое  другое.



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. 

Одним  из  первых  типов  ЭОП  были  полнокадровые  ПЗС-матрицы.   После 

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



«Цифровые  фотоаппараты»  Марин  Милчев.

Учебный справочник школьника.





1