Евгений Сергеев - Вспомогательные (прикладные) дисциплины. Фотодело
Цифровое изображение состоит из матрицы или растрового массива (bitmap) соприкасающихся пикселей (pixels) (элементов изображения), которые обычно представляют собой условные квадраты. Пиксел, как минимальный размер элемента (ячейка сетки) изображения представляет собой один датчик, воспроизводящий световой сигнал и преобразующий в элементарный сигнал, последовательность нолей (нет) и единиц (да). Количество пикселей зависит от физического размера и концентрации элементов на сенсоре.
Сенсор является сердцем цифровой камеры, и в качестве сенсора выступает ПЗС или КМОП чип. Сенсор состоит из множества светочувствительных элементов (photosites), содержащих фотодиоды. Элементы на чипе упорядочены и образуют матрицу. Таким образом, элементы матрицы можно сопоставить с пикселями (равно как и назвать). Элементы реагируют на свет и создают электрический заряд, величина которого пропорциональна количеству попавшего света. В работе всегда участвуют минимум два пиксела, они имеют четыре основных характеристики: разрешение, геометрические размеры, битовую глубину и цветовую модель.
Разрешение в цифровом фотоаппарате базируется на количестве горизонтальных и вертикальных элементов изображения, которое он может захватить. Как и в сканере, эти элементы изображения называются пикселами. Чем больше количество пикселов по горизонтали и вертикали, тем большие разрешительные возможности фотоаппарата, и следовательно более чётким получается изображение и более мягкими цветовые переходы.
Геометрические размеры матрицы указывают по диагонали. Она указывается простой дробью, например 1/1,8 в дюймах. Размер матрицы определяет, какую площадь занимает квадратик размером 1 пиксель на ней. Максимальный размер матрицы равен 24 х 36 мм и соответствует размеру кадра стандартной фотопленки. Чем больше площадь матрицы, тем больше информации получит один сенсор, а значит, передача изображения будет более точной. Но, это без учета совместимости с объективом.
Матрица состоит из четырёх слоёв , каждый из которых выполняет свои функции. 1. Поступил поток света на ячейку – Да. Не поступил поток света на ячейку – Нет. Далее реакция на поступление заданного количества потока света и разложение по цветам установленной шкалы: 2. Синий – да/нет; 3. Жёлтый – да/нет; 4. Красный – да/нет. Информация о яркости и цвете объекта передаётся сочетанием трёх основных цветов – красного (R), зелёного (G), синего (B). Первоначально цветовые виды сигнала формируются в виде компоненты RGB сигналов. При дальнейшей обработке для обеспечения совместимости с чёрно-белым изображением переходят к набору компонентных сигналов – яркостному и двум цветоразностным, получаемым из сигналов RGB путём матрицирования. Всего 8 пикселов.
АЦП, используемые в цифровых камерах, характеризуются по уровню битового разрешения. Один пиксел равен одному биту. Из этих 8 комплексных пикселов/битов образуется один байт, который позволяет определить 256 цветов или оттенков серого. При 24 битовом восприятии света и разложении по цветам: синий, жёлтый, красный – 8 битов (1 байт) объединяются в один условный цветовой пиксел. Двоичная система цифр получила название «БИТ» (от анлийского – Binary digit). Множественное число цифр называется словом, а число битов в слове длиной слова. Число их 8 битов – 16 цифр называется байтом (byeight).
1.5.5. Шумы цифровых камер
При отсутствии достаточного количества света при съёмке в элементах ПЗС самопроизвольно, образуется небольшой фоновый заряд, именуемый как темновой ток (dark current) или шум. А где ток, там и сигнал, который интерпретируется камерой как реальная видеоинформация. Шумы появляются на снимке в виде хаотично распределённых цветовых пятен. Именно поэтому в темноте и "шумят" цифровые камеры. Чем больше пикселей размещено на матрице, тем меньше их размер и тем плотнее они расположены. Плотно «упакованные» датчики во время работы быстро нагреваются, и шумы могут появиться уже при небольшой чувствительности матрицы и при коротких выдержках. Чем больше физический размер пикселя, тем больше площадь, поглощающая свет и тем ниже уровень шумов на снимке.
При просмотре видеозаписей, сделанных в условиях низкой освещенности, кажется, что изображение дрожит. На экране монитора появляется множество точек на изображении, цвет и яркость которых резко отличается от усреднённого значения на данном участке. Чем меньше размеры матрицы, тем больше она "шумит". Цветовой шум более заметен на однородных по цвету и яркости снимках. Поэтому при подготовке к съёмке необходимо учитывать приемлемое отношение "сигнал/помеха" (signal-to-noise ratio). Размер пиксела, его микроминиатюризация из-за чувствительности сенсоров к инфракрасному свету совершенно четко ограничена снизу длиной волны около 1000 нм.
1.5.6. Взаимосвязанные параметры матрицы и объектива
Скорость работы любого цифрового фотоаппарата складывается из различных характеристик: времени готовности к работе после включения, скорости срабатывания автоматического фокуса, скорости записи снимков на карту памяти, производительности модели в режиме непрерывной съёмки. Все модели цифровых камер условно можно разделить на несколько основных групп. Модели начального уровня, ультра компактные модели, влагозащитные модели, модели любительского класса, модели с большим зумом. А также модели полупрофессионального класса, и «серьёзные» цифровые зеркальные модели.
Цифровые камеры начального уровня предназначены для повседневно-бытовой съёмки. Они имеют полностью автоматизированный один режим съёмки. Модели, в основном оснащены матрицей с разрешением 3,2 Мегапиксела (МП), что достаточно для получения отпечатка среднего качества форматом 10х15 см.
Модели начального уровня
К классу зеркальных цифровых камер D-SLR относятся самые «серьёзные» цифровые фотоаппараты, обладающие благодаря сменной оптике большими техническими возможностями. Это связано с большим размером матрицы, а также более высоким оптическим разрешением объектива. Зеркальная конструкция видоискателя, позволяет оценить правильность компоновки кадра и глубину резкости.Зеркальные цифровые камеры D-SL
В действительности термином « увеличение фокусного расстояния » (focal length magnification) обозначают изменение угла зрения, а не фокусное расстояние. Иногда его называют коэффициентом сопряжения объектива (lens coupling factor). Большинство крупноформатных аппаратов, снабженных матричным массивом, имеют большое увеличение фокусного расстояния.
1.5.7. Принципы создания качественного изображения
Качество цифрового изображения – результат согласованной работы основных узлов камеры: – оптическая система; приемник изображения; – аналого-цифровой преобразователь; блоки памяти; предварительной обработки. Чтобы создать цифровое изображение для использования в компьютерных системах, самые разнообразные аналоговые заряды, генерируемые ПЗС, должны быть преобразованы в конечную серию ступеней. Этот процесс, выполняемый аналого-цифровым преобразователем «АЦП», и называется квантованием (quantization). Каждой ступени присваивается двоичный номер, который характеризует тон или уровень серого. Уровень серого для каждого пикселя в монохромном или полутоновом изображении обычно описывается одним 8 битовым числом. Пиксели в ПЗС изображении требуют 8 битовое число для каждого цветового канала, предлагая гамму из более, чем 16 миллионов цветов (256 х 256 х 256). Результирующий 24 битовый файл занимает в три раза больше места в блоке памяти по сравнению с монохромным изображением. Если черно-белый клин тональности разбить на очень большое количество ступеней, переходы между тонами становятся различимы, происходит потеря информации о тональности, приводящая к делению на полосы или градационные ступени (posterization).
Вывод количества мегабайт примерно соответствует площади флеш карте памяти, то есть с увеличением площади флеш карты увеличивается количество мегабайт. К примеру, при размере 72 точки на дюйм (2,54мм.) получается, что размер точки равен 00352 дюйма.
Максимальное число уровней серого, поддерживаемых большинством программ для обработки изображений на компьютере, составляет 256. Для нумерации 256 уровней серого потребуются восемь двоичных цифр (битов). Большинство АЦП, встроенных в цифровые аппараты, имеют большую по сравнению с этой битовую глубину (bit depth). Они делят аналоговую информацию на 1024 (10 битов), 4096 (12 битов) или ровно 16384 (14 битов) уровней серого. Этот начальный процесс представления дискретных данных (superimposing) может улучшить качество изображения даже в том случае, если количество уровней серого придется уменьшить до 256. Восприятие глазом человека разной интенсивности освещения не соответствует линейной характеристике ПЗС. Глаз человека более чувствителен к тональным изменениям. Изменение контраста или освещенности применительно к 8 битовой глубине приводит к потере информации за счет ограничения некоторых из имеющихся 256 уровней серого до черного или белого.
