АРХИВ СТАТЕЙ ЖУРНАЛА «МОЙ КОМПЬЮТЕР» ЗА 2002 ГОД

Анатомия и физиология цифровых камер

• Все журналы \ Номер 17/188 `2002 от 22.04.2002 \ Анатомия и физиология цифровых камер

Максим НИКОЛЕНКО

Цены на цифровые камеры продолжают снижаться, в то же время качество их изображения становится все выше. Некоторые обозреватели утверждают, что такие устройства станут популярнее обыкновенных пленочных фотоаппаратов где-то году в 2005-м. В этой статье мне речь пойдет об основных принципах работы цифровых камер.

Images of broken light which dance before me like a million eyes

The Beatles

Введение в цифровую съемку

Многим, наверное, хотелось бы поподробнее узнать о принципах работы цифровых камер. Ну что ж, приоткроем завесу тайны — вы узнаете, что это за удивительные устройства! И если вы никогда ранее цифровыми фотоаппаратами не пользовались, то повнимательнее присмотритесь к возможностям их применения. А если вы задумываетесь о покупке подобного девайса — оцените потенциальные возможности будущего приобретения.

Представьте, что вам необходимо сделать снимок и быстро переслать его другу на большое расстояние. Первым делом следует создать электронную копию изображения, поскольку бумажные фотокарточки через Интернет переправлять еще не научились :-). С такой задачей легко справится компьютер. Тут есть два доступных метода. Один из них состоит в фотографировании объекта обыкновенной камерой, формировании химическим способом твердой копии и окончательном преобразовании ее в цифровой вид при помощи сканера. Другой метод предполагает использование цифровой, беспленочной камеры для непосредственной трансформации нужного изображения в цифровую форму. Применение цифровой камеры — более легкий и быстрый путь, особенно при работе с большим количеством изображений.

Сенсоры бывают разные…

Пусть пока цифровые камеры еще не настолько популярны, как пленочные, но все к этому идет. Цены на такие устройства продолжают снижаться, и их популярность растет у все большего числа людей. Ключевое различие между цифровой и пленочной камерой состоит в полном отсутствии в первой пленки как таковой. Вместо нее применяется сенсор, преобразующий падающий на него свет в электрический заряд. Давайте подробнее рассмотрим оптический сенсор как именно ту часть цифровых камер, которая отвечает за непосредственное восприятие аппаратом изображения.

В современных цифровых камерах применяются сенсоры двух типов: приборы с зарядовой связью (ПЗС или CCD) и металлоксидные (CMOS). Большинство камер работают с сенсорами первого вида. Металлоксидные матрицы используются лишь в камерах «очень начального» уровня.

CCD-матрица состоит из множества чувствительных к свету элементов, которые называют фотоэлементами. Каждый из них преобразует фотоны (свет) в электроны (электрический заряд). Следующим шагом на пути к получению цельного изображения является считывание значение заряда со всех фотоэлементов. В CCD-матрице преобразование заряда в каждом пикселе в цифровую форму происходит при помощи аналогово-цифрового преобразователя (АЦП). CMOS-устройства используют для передачи сигнала более подходящую для обработки форму. В них возможно непосредственное определение цифрового значения освещенности от каждого отдельного пикселя.

Есть несколько весьма заметных различий между двумя описанными основными типами матриц. CCD-матрицы формируют высококачественные, мало зашумленные изображения. CMOS-устройства, наоборот, более склонны к цветовому шуму. Особенности используемой в них технологии требуют наличия в непосредственной близости от пикселя нескольких транзисторов. В результате часть света теряется на площади транзисторов, чем и можно объяснить несколько меньшую светочувствительность CMOS-матриц. Однако энергопотребление CMOS-устройств почти в 100 раз меньше, чем у конкурирующей технологии.

CCD-матрицы производятся и используются сравнительно давно, они позволяют получать высококачественные изображения с большим разрешением при выдающейся светочувствительности. CMOS-устройства почти всегда имеют меньшее разрешение, меньшую чувствительность и, в целом, выдают снимки гораздо худшего качества. Безусловно, потенциал этой технологии скоро даст о себе знать. Возможно, он позволит достичь некоторого паритета между двумя технологиями производства матриц. Но это дело будущего, хоть и недалекого.

Как разделяют свет

Теперь коснемся проблемы определения цвета. К сожалению, фотоэлементы сами по себе являются нечувствительными к цвету. Они позволяют только различать разные уровни освещенности своей поверхности. Для того чтобы добиться полноцветного изображения, в большинстве случаев применяют метод разделения поступающего в объектив камеры света на три основных цвета. Соединенные воедино образы первоначального изображения в трех базовых цветах позволяют получить в дальнейшем, например на экране монитора, полноцветную картинку.

Есть несколько способов сохранения отдельных образов изображения в трех цветах. Самые качественные камеры посредством специального разделителя проецируют картинку в разных частях спектра на три различные ПЗС-матрицы. Свет, словно вода, разделяется на несколько струй, потоков. Благодаря примененным светофильтрам, идентичное, но хроматически различное изображение формируется на всех трех матрицах. Достоинством данного метода работы с цветом является возможность сохранить пропорции любого из основных цветов в каждом пикселе изображения (рис. 1). К сожалению, камеры, использующие такой метод, и дороги, и габаритны.

Еще один метод учета разных цветов состоит в поочередном помещении красного, синего и зеленого фильтров перед одной матрицей. Три отдельных изображения сохраняются последовательно. Такой способ позволяет также независимо рассматривать все три основных цвета для каждого пикселя. Однако вследствие неодновременности формирования всех трех изображений объект съемки на протяжении довольно длительного времени должен быть неподвижен перед объективом. Таким образом, данная схема не применима для съемок движущихся объектов и не используется в камерах, удерживаемых руками.

Более практичный и экономичный способ определения цвета пикселей состоит в размещении светофильтров в некоторой последовательности непосредственно перед фотоэлементами. Заполнив сенсор множеством красных, синих и зеленых пикселей вполне возможно получить достаточную информацию о цветности конкретного участка изображения. Качество распознавания повышается, если дополнительно учитывать информацию от соседних пикселей, применяя интерполяцию. О пикселях поговорим попозже, пока для простоты считайте одним пикселем каждый фотоэлемент.

Наиболее распространенной схемой размещения пикселей разных цветов является чередование рядов, состоящих из красных и зеленых пикселей, с рядами из синих и зеленых элементов (рис. 2). Возможно, для вас будет сюрпризом тот факт, что количество пикселей разных цветов неодинаково. Например, зеленых на матрице в два раза больше, чем синих и красных, число которых равно. Это имеет свою причину. Дело в том, что глаз человека неодинаково чувствителен к разным цветам. Ему требуется больше информации о зеленом цвете в изображении, иначе полученный цифровой снимок не будет воспринят глазом как нормальный, естественный.

Достоинством последнего описанного метода является потребность только в одной CCD-матрице, в то время, как в один и тот же момент записывается информация о трех основных цветах. Такой подход позволит удешевить цифровые камеры, уменьшить их размеры, упростить применение цифровой техники в самых различных ситуациях. Другими словами, описанная схема цветоделения дает возможность создавать широкодоступные портативные цифровые камеры, снимать которыми можно, просто держа камеру в руках, и не волноваться о качестве снимка. На выходе сенсора подобной камеры можно получить мозаику из красных, синих и зеленых пикселей различной интенсивности.

Вероятно, вызовет удивление способность цифровых камер сохранять цветные изображения довольно большого разрешения без потери информации о цвете. Все просто: цифровые камеры используют специальные алгоритмы для конвертирования мозаики пикселей трех базовых цветов в изображение с определенным разрешением, состоящее из пикселей «реальных» цветов. Каждый пиксель матрицы при работе подобных алгоритмов обрабатывается не один раз, плюс учитываются цвета всех окружающих его элементов.

Существует также и другие способы распознавания цвета, которые кое-чем отличаются от рассмотренных моделей. Хотя по популярности, безусловно, лидирует трехцветный метод, некоторые камеры анализируют изображение в варианте двух- или четырехцветной модели.

Мы рассмотрели почти весь процесс предварительного преобразования исходного изображения с постепенным превращением его в цифровую форму. Однако перед оцифровкой снимок проходит еще и обработку во встроенном в камеру микропроцессоре. И вот почему...

Пикселей должно быть много

Количественной мерой оценки освещенности конкретного пикселя является величина заряда фотоэлемента, который отвечает за формирование этого пикселя. Но совпадает ли количество фотоэлементов матрицы с числом пикселей предельного цифрового разрешения камеры? Нет. Если вам приходилось внимательно читать руководства по эксплуатации для цифровых камер, вы могли бы заметить, что это не совсем адекватные понятия. Например, есть 2.1-мегапиксельная камера, для которой заявлена возможность делать снимки в разрешении 1600х1200. Давайте произведем простые математические подсчеты. Картинка при таком разрешении состоит из 1 920 000 пикселей. Но «2.1-мегапиксельная» означает, что в матрице камеры должно быть не менее чем 2 100 000 пикселей. Нет, здесь нет никакой ошибки или маркетинговых трюков. Просто есть реальное несоответствие между различными понятиями. Если камера 2.1-мегапиксельная, то ее матрица действительно состоит из 2 100 000 фотоэлементов. Но давайте вспомним, что CCD-матрица — аналоговое устройство. Некоторые ее пиксели, по причине различного типа изображения, могут просто не использоваться. Алгоритмы распознавания цвета, которые применяются в камерах, требуют для качественных результатов съемки некоторой пиксельной избыточности на точку разрешения камеры. Следует учитывать, что промежутки между пикселями просто поглощают падающий свет. Как правило, несоответствие между реальным разрешением матрицы и количеством пикселей тем больше, чем больше размеры самой матрицы.

Размеры современных сенсоров меньше, чем пленки традиционных фотокамер. Типичным форматом кадра для пленочных камер является значение 36х24 мм. Но если вы посмотрите на спецификацию типичной 1.3-мегапиксельной камеры, то увидите, что размеры ее сенсора составляют всего 4.4х6.6 мм.

Как будет показано позже, меньшие размеры сенсора означают меньшее значение фокусного расстояния объектива и меньший его размер. И сейчас уже существуют 6-мегапиксельные сенсоры, размером почти в стандартный кадр пленочных камер. Но в этой области все так быстро меняется, что появление еще больших сенсоров не за горами.

(Продолжение следует)

Идёт загрузка...

Данную страницу никто не комментировал. Вы можете стать первым.

Ваше имя:
Ваша почта:
Комментарий:
Введите символы или вычислите пример: * Обновить