В течение последних 20 лет большинство технологических усовершенствований на рынке потребительской электроники были частью одного крупного прорыва. Если разобраться, то CD, DVD, HDTV, MP3 и DVR-видеомагнитофоны, – все эти устройства основаны на одном базовом процессе: преобразовании аналоговой информации (в виде волновых колебаний) в цифровую (в виде нулей и единиц, или бит). Этот фундаментальный сдвиг в технологии полностью изменил подход к визуальной и звуковой информации – изменилось все, что только можно было изменить.
Цифровой фотоаппарат является одним из самых замечательных примеров такого сдвига, поскольку он радикальным образом отличается от своего предшественника, обычного фотоаппарата. Обычные фотоаппараты полностью зависят от химических и механических процессов – вам не нужно электричество для управления ими. В свою очередь, все цифровые фотокамеры имеют встроенный компьютер, и все они записывают изображения в электронном виде.
В этой статье мы постараемся выяснить, что именно происходит внутри этих удивительных устройств цифровой эры.
ПЗС и КМОП: беспленочные фотоаппараты
Так же, как обычные камеры, «цифровики» имеют несколько линз которые фокусируют свет для создания образа предмета. Но свет фокусируется не на куске пленки, а на датчике изображения, который записывает свет в электронном виде.
Датчик изображения, используемый в большинстве цифровых камер – это полупроводниковая светочувствительная матрица (прибор с зарядовой связью – ПЗС, CCD). Некоторые камеры используют комплементарный металло-оксидный полупроводник (КМОП-технологию, CMOS). И ПЗС и КМОП-датчики изображения превращают свет в электроны.
После того как датчик выполнит это пробразование, он считывает значение (накопленный заряд) каждой ячейки изображения. Именно на этом этапе проявляется разница между двумя типами датчиков:
— ПЗС датчики создают высококачественное изображение с низким уровнем шумов. КМОП-датчики, как правило, более чувствительны к шуму;
— Так как каждый пиксель КМОП-сенсора имеет несколько транзисторов, светочувствительность КМОП ниже;
— Датчики КМОП традиционно потребляют мало энергии. Датчики ПЗС используют более энергоемкий процесс (ПЗС потребляет в 100 раз больше энергии, чем аналогичный КМОП-датчик);
— ПЗС-датчики массово выпускались в течение более длительного периода, поэтому они лучше обкатаны в производстве. Как правило, они имеют большее количество и более высокий уровень качества пикселей.
Несмотря на многочисленные различия между двумя типами датчиков, они оба играют одинаковую роль в устройстве камеры – преобразуют свет в электричество. Для понимания общих принципов работы цифровой фотокамеры достаточно считать эти устройства почти идентичными.
Разрешение цифровых фотоаппаратов
Возможно, вы заметили, что количество пикселей и максимальное разрешение не совсем сходятся. Например, 2,1-мегапиксельной камерой можно создавать изображения с разрешением 1600x1200, или 1920000 пикселей. Но «2,1 мегапиксельный фотоаппарат» означает, что пикселей должно быть не менее 2100000.
Это ошибка округления и не трюк из области двоичного исчисления. Существует реальная разница между этими двумя цифрами, поскольку ПЗС должна включать в себя микросхемы аналогово-цифрового преобразователя (АЦП) для измерения заряда. Эти микросхемы черного цвета – они не поглощают света и не искажают изображения.
Количество деталей, которые фотокамера может захватить, называется разрешением. Оно измеряется в пикселях. Чем больше пикселей у камеры, более подробное изображение можно получить. При увеличение такие фотографии не выглядят размытыми или «зернистыми».
Наиболее распространенные характеристики разрешения цифровых фотоаппаратов:
— 1600x1200 - с общим количеством пикселей почти в два миллиона, так называемое «высокое разрешение». Отпечаток снимка размером 4 х 5 дюймов (примерно 7 на 10 см) будет такого же качества, как изображение на дисплее.
— 2240x1680 - современный стандарт для 4 мегапиксельной камеры – позволяет печатать фотографии большего размера с хорошим качеством (до 16 x 20 дюймов, 40 х 50 см).
— 4064x2704 - топовые модели линеек цифровых фотоаппаратов с 11,1 мегапикселями делает снимки в этом разрешении. При таких параметрах вы можете создать отпечаток 13.5 x 9 дюймов (23 х 35 см) без потери качества изображения.
Камеры высокого технического уровня могут захватить более 12 миллионов пикселей. Некоторые профессиональные камеры поддерживают более 16 миллионов пикселей, или 20 миллионов пикселей для широкоформатных камер.
Далее мы рассмотрим, как камера добавляет цвет в изображение.
Передача цвета
К сожалению, все светочувствительные элементы сенсора, так сказать, страдают дальтонизмом. Они могут лишь отследить общую интенсивность света, который попадает на их поверхность. Для того чтобы получить полноцветное изображение, большинство датчиков используют фильтры, разлагающие свет на три основных цвета. Зафиксировав все три цвета, камера комбинирует их для создания полного спектра.
Есть несколько способов записи трех цветов в цифровой камере. Более экономичный и практичный способ - установка фильтра на каждый элемент сенсора. Разбивая датчик на ряд красных, синих и зеленых пикселей, можно получить достаточно информации из области каждого датчика, чтобы делать весьма точные предположения об истинном цвете в конкретной точке. Этот процесс сопоставления соседних пикселей вокруг сенсора для уточнения цвета называется интерполяцией.
Наиболее распространённый стандарт палитры фильтров - шаблон Байера. В этом шаблоне чередуются ряды красных и зеленых фильтров с рядами синих и зеленых.
Количество пикселей не одинаково – зеленых пикселей столько же, сколько красных и синих вместе взятых . Дело в том, что человеческий глаз не одинаково чувствителен ко всем трем цветам. Необходимо включить дополнительную информацию от зеленых пикселей для того, чтобы создать образ, который глаз будет воспринимать в качестве «истинного цвета».
Цифровые камеры используют специализированные алгоритмы демозаики, чтобы превратить эту мозаику в мозаику из истинных цветов того же размера. Ключ метода в том, что каждый цветной пиксель может быть использован более одного раза. Истинный цвет одного пикселя может быть определён путем усреднения значений ближайших соседних пикселей.
Экспозиция и фокус в цифровом фотоаппарате
Так же как в случае с пленкой цифровая камера должна контролировать количество света, который попадает на датчик. Здесь используются (так же, как и в обычной фотографии) выдержка и диафрагма.
— Диафрагма: размер отверстия в камере. Диафрагма автоматическая в большинстве цифровых камер, но некоторые позволяют ручную регулировку, чтобы дать профессионалам и увлечённым любителям больше возможностей для создания конечного изображения.
— Скорость затвора: количество времени, в течение которого свет может проходить через отверстие. В отличие от пленки, световой датчик в цифровой камере может быть обнулен электронным путем, то есть у цифровых фотоаппаратов есть цифровой затвор.
Эти два элемента работают совместно чтобы захватить количество света, необходимое для создания качественного изображения. В фотографических терминах они устанавливают экспозицию датчика.
Помимо контроля количества света, камера должна регулировать то, каким образом свет сфокусирован на датчике. В фокусном расстоянии заключается существенное отличие между объективом цифровой фотокамеры и объективом обычной тридцатипятимиллиметровой камеры. Фокусное расстояние – это расстояние между линзой и поверхностью датчика. Датчики разных производителей отличаются друг от друга размером, но обычно они меньше, чем кусок 35-мм пленки. Для того чтобы спроецировать изображение на датчик меньшего размера, фокусное расстояние сокращается в той же пропорции.
Фокусное расстояние определяет также увеличение или уменьшение (зум), когда вы смотрите в видоискатель. В тридцатипятимиллиметровой камере фокусное расстояние 50 мм дает естественный вид предмета. Увеличение фокусного расстояния дает увеличение предметов, они кажутся ближе. Обратное происходит при уменьшении фокусного расстояния. Зум-объектив – это любой объектив, который имеет регулируемое фокусное расстояние. Цифровые камеры могут иметь оптический или цифровой зум – некоторые цифровоые фотоаппараты оснащены обоими видами. Некоторые камеры также имеют возможность макрофокусировки: это означает, что камера может снимать фотографии с очень близкого расстояния. Объективы с большим фокусным расстоянием называются широкоугольными, с маленьким - телеобъективами.
В заключение приведем полный алгоритм работы цифровой камеры
— Наводим камеру на объект и настраиваем оптическое увеличение (зум) так, чтобы объект был ближе или дальше;
— Слегка нажимаем на кнопку спуска затвора;
— Камера автоматически фокусируется на объекте и оценивает освещенность;
— Камера устанавливает выдержку и диафрагму для оптимальной экспозиции;
— Камера показывает на экране точки фокусировки и дает сигнал готовности к съемке;
— Нажимаем кпопку спуск затвора до упора;
— Камера сбрасывает предыдущие настройки ПЗС и экспонирует датчик, создавая электрический заряд до закрытия затвора;
— АЦП (аналого-цифровой преобразователь) измеряет заряд и создает цифровой сигнал, который представляет величину заряда в каждой точке (пикселе);
— Процессор интерполирует данные разных пикселей для создания естественного цвета. У многих цифровых фотокамер есть функция вывода изображения на этом этапе на жидкокристаллический дисплей;
— Процессор выполняет сжатие данных до заданного уровня и в определенном формате (JPEG или RAW);
— Информация сохраняется на карте памяти
По материалам сайта: How Stuff Works
Переводчик: Надежда Пахмутова
