Что такое цифровая камера? Что такое цифровой фотоаппарат.
Сигнал с которых представляется, обрабатывается и хранится в самом аппарате в цифровом виде.
Fujifilm FinePix S9000
Несмотря на функциональное сходство, цифровые видеоустройства самого разного назначения, такие как камеры видеонаблюдения и веб-камеры , фотоаппаратами обычно не называются, если не позволяют сохранить снимки в самом устройстве или на вставленном в устройство носителе информации.
Классификация
В ряде случаев современная видеозаписывающая аппаратура имеет функции получения статических снимков, а значительная доля устройств, называемых цифровыми фотоаппаратами, умеет осуществлять запись видеоизображения и звука и выводить видеосигнал в телевизионном формате. Поэтому граница между видео- и фотооборудованием в цифровую эпоху в достаточной степени условна и определяется скорее тем, какие задачи ставит оператор, нежели тем, какова функциональная «начинка» камеры.
Цифровые фотоаппараты можно поделить на несколько классов:
- Фотоаппараты со встроенной оптикой:
- Компактные («мыльница » традиционных размеров). Характеризуются малыми размерами и весом. Малый физический размер матрицы означает низкую чувствительность или высокий уровень шумов. Также этот тип камер обычно отличает отсутствие или недостаточная гибкость ручных настроек экспозиции .
- Сверхкомпактные, миниатюрные. Отличаются не только размерами, но часто и отсутствием видоискателя и экрана.
- Встроенные в другие устройства. Отличаются отсутствием собственных органов управления.
- Псевдозеркальные - внешним видом напоминают зеркальную камеру, а также, как правило, помимо цифрового дисплея, оснащены видоискателем-глазком. Изображение в видоискателе такого аппарата формируется на отдельном цифровом экране, или на поворачивающемся основном экране. Как правило, имеют резьбу на объективе для присоединения насадок и светофильтров (пример - Konica Minolta серия моделей Z).
- Полузеркалка - жаргонный термин, описывающий класс аппаратов, в которых имеется наводка по матовому стеклу через съёмочный объектив, однако нет возможности объектив менять. В таких аппаратах оптическая схема содержит светоделительную призму, которая направляет от 10 до 50 % светового потока на матовое стекло, а остальное передается на матрицу. (примеры - Olympus E-10, E-20)
- Камеры со сменной оптикой:
История
Устройство цифрового фотоаппарата
Светочувствительная матрица
Носители информации
Извлечение Canon Powershot A95
Практически все цифровые фотоаппараты используют флэш-память , но есть также фотоаппараты, где используются оптические диски или дискеты в качестве носителя информации. Ряд фотоаппаратов имеют небольшой объем встроенной флеш-памяти, которой хватает для 2-30 снимков. Самые распространенные на сегодняшний день (2008) форматы:
Устаревшие носители информации:
- SM (Microdrive)
Объём флеш-карт варьируется в (на середину 2008 г) от 512 МБ до 64 ГБ.
Характеристики из сферы рекламы и маркетинга
Миниатюрная цифровая камера SiPix рядом со спичечной коробкой
Термин «полупрофессиональный цифровой фотоаппарат» («просьюмер » или «просьюмерка» - калька с англ. prosumer от англ. professional и англ. consumer ) обычно употребляется по отношению к псевдозеркальным аппаратам, полузеркалкам и ультразумам, но не является содержательным с технической и потребительской точки зрения.
Термином «профессиональные» обычно называют зеркальные или дальномерные фотоаппараты с кроп-фактором не менее K f =1,6 и обладающим рядом других отличительных особенностей.
Термин «Камера начального уровня» употребляется по отношению к относительно дешёвым моделям какой-либо серии фотоаппаратов, в какой-либо степени урезанным в функциях.
Термин «Ультразум», как правило, означает «мыльницу» с высокократным зум-объективом. Однако с течением времени кратность объектива, с которой начинается «ультра-», меняется. Так, например, называли 8x зумы при сравнении с 6x.
Вообще, многие пользователи не догадываются, что такое «Зум», считая «чем больше - тем лучше», а между тем это - всего лишь отношение максимального к минимальному фокусных расстояний объектива. И сравнивать фотоаппараты нужно как раз по фокусному расстоянию, от которого зависит «угол обзора» - то есть что войдёт в кадр.
Современные фотоаппараты все делают сами - чтобы получить снимок, пользователю достаточно лишь нажать на кнопку. Но ведь все равно интересно: по какому же волшебству картинка попадает в камеру? Мы постараемся объяснить основные принципы работы цифровых фотоаппаратов.
Ликбез: как работает цифровая камера
Основные части Борьба с искажениями
Основные части
В основном устройство цифровой камеры повторяет конструкцию аналоговой. Главное их различие - в светочувствительном элементе, на котором формируется изображение: в аналоговых фотоаппаратах это пленка, в цифровых – матрица. Свет через объектив попадает на матрицу, где формируется картинка, которая затем записывается в память. Теперь разберем эти процессы подробнее.
Состоит камера из двух основных частей – корпуса и объектива. В корпусе находятся матрица, затвор (механический или электронный, а иногда и тот и другой сразу), процессор и органы управления. Объектив, съемный или встроенный, представляет собой группу линз, размещенных в пластиковом или металлическом корпусе.
Где получается картинка
Матрица состоит из множества светочувствительных ячеек – пикселов. Каждая ячейка при попадании на нее света вырабатывает электрический сигнал, пропорциональный интенсивности светового потока. Поскольку используется информация только о яркости света, картинка получается черно-белой, а чтобы она была цветной, приходится прибегать к разным хитростям. Ячейки покрывают цветными фильтрами – в большинстве матриц каждый пиксел покрыт красным, синим или зеленым фильтром (только одним!) в соответствии с известной цветовой схемой RGB (red-green-blue). Почему именно эти цвета? Потому что они – основные, а все остальные получаются путем их смешения и уменьшения или увеличения их насыщенности.
На матрице фильтры располагаются группами по четыре, так что на два зеленых приходится по одному синему и красному. Так делается потому, что человеческий глаз наиболее чувствителен именно к зеленому цвету. Световые лучи разного спектра имеют разную длину волн, поэтому фильтр пропускает в ячейку лучи лишь своего цвета. Полученная картинка состоит только из пикселов красного, синего и зеленого цвета – именно в таком виде записываются файлы формата RAW (сырой формат). Для записи файлов JPEG и TIFF процессор камеры анализирует цветовые значения соседних ячеек и рассчитывает цвет пикселов. Этот процесс обработки называется цветовой интерполяцией, и он исключительно важен для получения качественных фотографий.
Такое расположение фильтров на ячейках матрицы называется шаблоном Байера
Основных типов матриц два, и они различаются способом считывания информации с сенсора. В матрицах типа CCD (ПЗС) информация считывается с ячеек последовательно, поэтому обработка файла может занять довольно много времени. Хотя такие сенсоры «задумчивы», они относительно дешевы, и к тому же, уровень шума на полученных с их помощью снимках меньше.
Матрица типа ПЗС
В матрицах типа CMOS (КМОП) информация считывается индивидуально с каждой ячейки. Каждый пиксел обозначен координатами, что позволяет использовать матрицу для экспозамера и автофокусировки.
КМОП-матрица
Описанные типы матриц – однослойные, но есть еще и трехслойные, где каждая ячейка воспринимает одновременно три цвета, различая разноокрашенные цветовые потоки по длине волн.
Трехслойная матрица
Выше уже был упомянут процессор камеры – он отвечает за все процессы, в результате которых получается картинка. Процессор определяет параметры экспозиции, решает, какие из них нужно применить в данной ситуации. От процессора и программного обеспечения зависят качество фотографий и скорость работы камеры.
По щелчку затвора
Затвор отмеряет время, в течение которого свет воздействует на сенсор (выдержку). В подавляющем большинстве случаев это время измеряется долями секунды – что называется, и моргнуть не успеешь. В цифровых зеркальных камерах, как и в пленочных, затвор представляет собой две непрозрачные шторки, закрывающих сенсор. Из-за этих шторок в цифровых зеркалках невозможно визирование по дисплею – ведь матрица закрыта и не может передавать изображение на дисплей.
В компактных камерах матрица не закрыта затвором, и поэтому можно компоновать кадр по дисплею
Когда кнопка спуска нажата, шторки приводятся в движение пружинам или электромагнитами, открывается доступ свету, и на сенсоре формируется изображение – так работает механический затвор. Но в цифровых камерах бывают еще и электронные затворы – они используются в компактных фотоаппаратах. Электронный затвор, в отличие от механического, нельзя пощупать руками, он, в общем-то, виртуален. Матрица компактных камер всегда открыта (именно потому и можно компоновать кадр, глядя на дисплей, а не в видоискатель), когда же нажимается кнопка спуска, кадр экспонируется в течение указанного времени выдержки, а затем записывается в память. Благодаря тому что у электронных затворов нет шторок, выдержки у них могут быть ультракороткими.
Наведем фокус
Как уже говорилось выше, часто для автофокусировки используется сама матрица. Вообще же, автофокусировка бывает двух типов – активная и пассивная.
Для активной автофокусировки камере нужны передатчик и приемник, работающие в инфракрасной области или с ультразвуком. Ультразвуковая система измеряет расстояние до объекта по методу эхолокации отраженного сигнала. Пассивная фокусировка осуществляется по методу оценки контраста. В некоторых профессиональных камерах сочетаются оба типа фокусировки.
В принципе, для фокусировки может использоваться вся площадь матрицы, и это позволяет производителям размещать на ней десятки фокусировочных зон, а также использовать «плавающую» точку фокуса, которую пользователь сам может разместить где ему угодно.
Борьба с искажениями
Именно объектив формирует на матрице изображение. Объектив состоит из нескольких линз – из трех и более. Одна линза не может создать совершенное изображение – по краям оно будет искажаться (это называется аберрациями). Грубо говоря, пучок света должен идти прямо на сенсор, не рассеиваясь по пути. В какой-то мере этому способствует диафрагма – круглая пластинка с дыркой посередине, состоящая из нескольких лепестков. Но сильно закрывать диафрагму нельзя – из-за этого уменьшается количество света, попадающее на сенсор (что и используется при определении нужной экспозиции). Если же собрать последовательно несколько линз с различными характеристиками, искажения, даваемые ими вместе, будут гораздо меньше, чем аберрации каждой из них по отдельности. Чем больше линз – тем меньше аберрации и тем меньше света попадает на сенсор. Ведь стекло, каким бы прозрачным оно нам ни казалось, не пропускает весь свет – какая-то часть рассеивается, что-то отражается. Чтобы линзы пропускали как можно больше света, на них наносят специальное просветляющее напыление. Если посмотреть на объектив камеры, будет видно, что поверхность линзы переливается радугой – это и есть просветляющее напыление.
Линзы располагаются внутри объектива примерно таким образом
Одна из характеристик объектива – светосила, значение максимально открытой диафрагмы. Она указывается на объективе, например, так: 28/2, где 28 – фокусное расстояние, а 2 – светосила. Для зум-объектива маркировка выглядит так: 14-45/3,5-5,8. Два значения светосилы указываются для зумов, поскольку в широкоугольном и в телеположении у них разные минимальные значения диафрагмы. То есть на разных фокусных расстояниях светосила будет разной.
Фокусное расстояние, которое указывают на всех объективах – это расстояние от передней линзы до светоприемника (в данном случае, матрицы). От фокусного расстояния зависит угол обзора объектива и его, так сказать, дальнобойность, то есть как далеко он «видит». Широкоугольные объективы отдаляют изображение относительно нашего обычного видения, а телеобъективы – приближают, и у них маленький угол обзора.
Угол обзора объектива зависит не только от его фокусного расстояния, но и от диагонали светоприемника. Для 35 мм пленочных камер нормальным (то есть примерно соответствующим углу обзора человеческого глаза) считается объектив с фокусным расстоянием 50 мм. Объективы с меньшим фокусным расстоянием – «широкоугольники», с большим – «телевики».
Левая часть нижней надписи на объективе – фокусное расстояние зума, правая часть - светосила
Здесь и кроется проблема, из-за которой рядом с фокусным расстоянием объектива цифровика часто указывают его эквивалент для 35 мм. Диагональ матрицы меньше диагонали 35 мм кадра, и поэтому приходится «переводить» цифры в более привычный эквивалент. Из-за этого же увеличения фокусного расстояния в зеркальных камерах с «пленочными» объективами становится почти невозможна широкоугольная съемка. Объектив с фокусным расстоянием 18 мм для пленочной камеры – суперширокоугольный, но для цифрового фотоаппарата его эквивалентное фокусное расстояние будет около 30 мм, а то и больше. Что касается телеобъективов, то увеличение их «дальнобойности» только на руку фотографам, ведь обычный объектив с фокусным расстоянием, скажем, 400 мм, стоит довольно дорого.
Видоискатель
В пленочных камерах компоновать кадр можно только пользуясь видоискателем. Цифровые же позволяют вовсе забыть о нем, поскольку в большинстве моделей для этого удобнее использовать дисплей. В некоторых очень компактных камерах видоискателя вовсе нет – просто из-за того, что нет для него места.
Самое важное в видоискателе – что через него можно увидеть. Например, зеркальные камеры так называются как раз из-за особенностей конструкции видоискателя. Изображение через объектив посредством системы зеркал передается в видоискатель, и таким образом фотограф видит реальную площадь кадра. Во время съемки, когда открывается затвор, загораживающее его зеркало поднимается и пропускает свет на чувствительный сенсор. Такие конструкции, конечно, отлично справляются со своими задачами, но занимают довольно много места и потому совершенно неприменимы в компактных камерах.
Вот так изображение через систему зеркал попадает в видоискатель зеркальной камеры
В компактных камерах применяют оптические видоискатели реального видения. Это, грубо говоря, сквозное отверстие в корпусе камеры. Такой видоискатель не занимает много места, но обзор его не соответствует тому, что «видит» объектив.
Еще есть псевдозеркальные камеры с электронными видоискателями. В таких видоискателях установлен маленьких дисплей, изображение на который передается непосредственно с матрицы – точно так же, как и на внешний дисплей.
Вспышка
Вспышка, импульсный источник света, используется, как известно, для подсветки там, где основного освещения недостаточно. Встроенные вспышки обычно не очень мощные, но их импульса хватает, чтобы осветить передний план. На полупрофессиональных и профессиональных камерах есть еще контакт для подключения гораздо более мощной внешней вспышки, он называется «горячий башмак».
Это, в общем, основные элементы и принципы работы цифровой камеры. Согласитесь, когда знаешь, как устройство работает, легче добиться качественного результата.
December 30th, 2014
Сейчас цифровые фотоаппараты настолько вошли в нашу жизнь, что ни у кого уже не вызывают удивления. И мало кто задумывается о том, с чего все начиналось. Первая цифровая камера фирмы «Kodak»
Модель 1975 года.
Первая цифровая камера Eastman Kodak весила 3.6 кг. Она состояла из нескольких десятков плат и кассетного проигрывателя прикрепленного сбоку. Все это работало от 16 никель-кадмиевых батарей.
Давайте вспомним про это подробнее …
В декабре 1975 года инженер фирмы Kodak Стив Сассон (Steve Sasson) изобрел устройство, которое через несколько десятилетий приведет к революции в фотографии - первую цифровую фотокамеру.
Разрешение видеокамеры составляло всего 0.01 Мегапикселя (10 тыс пикселей, или приблизительно 125 х 80 пикселей). На создание одной черно-белой фотографии, цветные камера делать не умела, уходило 23 секунды, и они хранились на магнитной кассете.
Один из руководителей того проекта, инженер Стив Сассон (Steve Sasson) вспоминает о нем с теплотой - пускай устройство и не было доведено «до ума», оно стало интересным во многих смыслах - и вскоре благодаря нему Стив официально будет включен в «Зал славы потребительской электроники» (Consumer Electronics Hall of Fame), престижный список людей, внесших наиболее значительный вклад в эволюцию (а может - и революцию), произошедшую в последние годы в этой области.
Устройство собрано на основе элементов камеры Kodak Super 8, с использованием экспериментального прототипа ПЗС-матрицы, которой в наше время оснащаются все цифровые фотоаппараты. Носителем в нем служили, конечно, не флэш-карты, а обычные кассеты с магнитной лентой. Разумеется, ни скоростью работы, ни качеством снимков этот раритет похвастаться не мог: изображение с разверткой в 100 линий записывалось на пленку 23 секунды. Да и удобства оказалось немного - чтобы просмотреть картинку, кассету нужно было поместить в магнитофон, подключенный к компьютеру, который был, в свою очередь, подсоединен к телевизору. Неудивительно, что маркетологи Kodak, опробовавшие новинку на всевозможных фокус-группах, не решились финансировать продолжение проекта.
Для воспроизведения фотографий они считывались с пленки и выводились на обычный черно-белый телевизор.
Но это неважно, ведь даже это несовершенное устройство обладало главным преимуществом цифрового фотоаппарата - оно не нуждалось ни в фотопленке, ни в фотобумаге. Тогда даже это преимущество казалось странным. По словам Сассона, ему задавали вопросы: «Кому вообще может понадобиться смотреть фотографии в телевизоре? Где он будет их хранить? Как ты себе представляешь электронный фотоальбом? Возможно ли сделать технологию удобной и доступной массовому потребителю?»
Увы, тогда изобретатель не нашелся, что ответить скептикам. За него это сделало время.
Камера не предназначалась для продаж, да и не представляла интереса для фотографов в таком виде. Не удивительно что первые по-настоящему переносные цифровые камеры появились лишь практически 15 лет спустя в конце 80-х.
Этапы развития цифровой фотографии
- 1908 Шотландец Алан Арчибальд Кэмпбел Свинтон (Alan Archibald Campbell Swinton) печатает в журнале Nature статью, в которой описывает электронное устройство для регистрации изображения на электронно-лучевой трубке. В дальнейшем эта технология легла в основу телевидения.
- 1969 Исследователи из Bell Laboratories — Уиллард Бойл (Willard Boyle) и Джордж Смит (George Smith) сформулировали идею прибора с зарядовой связью (ПЗС) для регистрации изображений.
- 1970 Ученые из Bell Labs создали прототип электронной видеокамеры на основе ПЗС. Первый ПЗС содержал всего семь МОП-элементов.
- 1972 Компания Texas Instruments запатентовала устройство под названием «Полностью электронное устройство для записи и последующего воспроизведения неподвижных изображений». В качестве чувствительного элемента в нем использовалась ПЗС-матрица, изображения хранились на магнитной ленте, а воспроизведение происходило через телевизор. Данный патент практически полностью описывал структуру цифровой камеры, несмотря на то, что сама камера фактически была аналоговой.
- 1973 Компания Fairchild (одна из легенд полупроводниковой индустрии) начала промышленный выпуск ПЗС-матриц. Они были чёрно-белыми и имели разрешение всего 100х100 пикселей. В 1974 при помощи такой ПЗС-матрицы и телескопа была получена первая астрономическая электронная фотография. В том же году Гил Амелио (Gil Amelio), также работавший в Bell Labs, разработал техпроцесс производства ПЗС-матриц на стандартном полупроводниковом оборудовании. После этого их распространение пошло намного быстрее.
- 1975 Инженер Стив Сассон (Steve J. Sasson) работавший в компании Kodak сделал первую работающую камеру на ПЗС-матрице производства Fairchild. Камера весила почти три килограмма и позволяла записывать снимки размером 100×100 пикселей на магнитную кассету (один кадр записывался 23 секунды).
- 1976 Fairchild выпускает первую коммерческую электронную камеру MV-101, которая была использована на конвейере Procter&Gamble для контроля качества продукции. Это уже была первая, полностью цифровая камера, передававшая изображение в миникомпьютер DEC PDP-8/E по специальному параллельному интерфейсу
- 1980 Sony представила на рынок первую цветную видеокамеру на основе ПЗС-матрицы (до этого все камеры были чёрно-белыми).
- 1981 Sony выпускает камеру Mavica (сокращение от Magnetic Video Camera), с которой и принято отсчитывать историю современной цифровой фотографии. Mavica была полноценной зеркальной камерой со сменными объективами и имела разрешение 570×490 пикселей (0,28 Мп) Она записывала отдельные кадры в формате NTSC и поэтому официально она называлась «статической видеокамерой» (Still video camera). Технически, Mavica была продолжением линейки телевизионных камер Sony на основе ПЗС-матриц. Во многом, появление Mavica было переворотом, аналогичным изобретению химического фотопроцесса в начале 19-го века. На смену громоздким телекамерам с электронно-лучевыми трубками пришло компактное устройство на основе твердотельного ПЗС-сенсора. Полученные на ПЗС-матрице изображения сохранялись на специальном гибком магнитном диске в аналоговом видеоформате NTSC. Диск был похож на современную дискету, но имел размер 2 дюйма. На него можно было записать до 50 кадров, а также звуковые комментарии. Диск был перезаписываемый и назывался Video Floppy и Mavipak. Примерно в то же время в канадском университете Калгари была разработана первая полностью цифровая камера под названием All-Sky camera. Она предназначалась для научной фотосъемки, была сделана на основе ПЗС-матрицы Fairchild и выдавала данные в цифровом формате.
- 1984-1986 По примеру Sony, компании Canon, Nikon, Asahi также начали выпуск электронных видео- и фотокамер. Камеры были аналоговыми, стоили очень дорого и имели разрешение 0,3–0,5 мегапикселей. Картинки в формате видеосигнала писались на магнитные носители (как правило, дискеты). В этом же году Kodak ввёл в обиход термин «мегапиксель», создав промышленный образец CCD-сенсора с разрешением 1,4 Мп.
- 1988 Компания Fuji, которой и принадлежит право первенства в производстве полноценной цифровой видео-фотокамеры, совместно с Toshiba выпустила камеру Fuji DS-1P, основанную на ПЗС-матрице с разрешением в 0,4 Мп. DS-1P также стала первой камерой, записывавшей изображение в формате NTSC не на магнитный диск, а на сменную карту памяти статического ОЗУ (Static RAM) со встроенной для поддержания целостности данных батарейкой. В том же году Apple совместно с Kodak выпускает первую программу для обработки фотоизображений на компьютере - PhotoMac.
- 1990 Появилась уже полностью цифровая, коммерческая камера – Dycam Model 1, более известная под как Logitech FotoMan FM-1. Камера была чёрно-белая (256 градаций серого), имела разрешение 376×240 пикселов и 1 мегабайт встроенной оперативной памяти для хранения 32 снимков, встроенную вспышку и возможность подключить камеру к компьютеру.
- 1991 Kodak, совместно с Nikon, выпускает профессиональный зеркальный цифровой фотоаппарат Kodak DSC100 на основе камеры Nikon F3. Запись происходила на жесткий диск, находящийся в отдельном блоке, весившем около 5 кг.
- 1994 Apple совершает настоящий маркетинговый прорыв, выпустив Apple QuickTake 100. Фотокамера была выпущена в корпусе, напоминавшем бинокль (популярная в те годы форма для видео-фотокамер) и позволяла хранить во внутренней Flash-памяти восемь снимков размером 640×480 (0,3 Мп) или тридцать два снимка с половинным разрешением 320×200. Подключалась камера к компьютеру с помощью последовательного порта, питалась от трёх батареек формата AA и стоила меньше восьмисот долларов.
- 1994 На рынке появились первые Flash-карты форматов Compact Flash и SmartMedia, объёмом от 2 до 24 Мбайт.
- 1995 Выпущены первые потребительские фотоаппараты Apple QuickTake 150, Kodak DC40, Casio QV-11 (первая цифровая фотокамера с LCD-дисплеем и первая же - с поворотным объективом), Sony Cyber-Shot. Началась гонка за снижение цены и приближение качества цифровой фотографии к качеству плёнки.
- 1996 Приход на рынок компании Olympus, не только с новыми моделями, но и с концепцией комплексного подхода к цифровому фото, основанной на создании локальной пользовательской инфраструктуры: камера + принтер + сканер + персональное хранилище фотоинформации.
- 1996 Fuji представила первый цифровой минилаб. Технология нового устройства была гибридной – она сочетала в себе лазерные, цифровые и химические процессы. В дальнейшем к производству цифровых минилабов подключились и другие компании, в частности, Noritsu и Konica.
- 1997 Преодолён символический рубеж в 1 мегапиксель: в начале года выходит камера FujiFilm DS-300 c 1,2-мегапиксельной матрицей, в середине - зеркальная (на основе светоразделяющей призмы) однообъективная камера Olympus C-1400 XL (1,4 мегапиксела).
- 2000 Выпуск камеры Contax N Digital первой полнокадровой (24х36 мм) камеры с разрешением 6 Мп.
- 2000-2002 Цифровые камеры становятся доступными для массового потребителя.
- 2002 Sigma выпускает камеру SD9 c трехслойной матрицей Foveon.
- 2003 Начало выпуска Canon EOS 300D – первой доступной по цене широкому кругу фотографов зеркальной цифровой фотокамеры со сменными объективами. Благодаря этому факту, а также выпуску аналогичных камер другими производителями, произошло массовое вытеснение плёнки не только из среды непритязательных любителей и профессионалов, но и среди «продвинутых» любителей, до этого относившихся к цифровой фотографии довольно прохладно.
- 2003 Компаниями Olympus, Kodak и FujiFilm представлен стандарт 4:3, направленный на стандартизацию цифровых зеркальных камер и выпущена фотокамера Olympus Е-1 под этот стандарт.
- 2005 Начало выпуска Canon EOS 5D – первой доступной по цене (цена менее $3000) камеры с полнокадровым сенсором с разрешением 12.7 Мп
Вследствие совершившейся цифровой миниреволюции особенно выиграли японские компании, в отличие от осторожных «американцев». В частности, Sony и Canon сегодня считаются признанными лидерами рынка, а компания Kodak, являясь одним из ведущих разработчиков технологий для цифровой фотографии, рынок любительской цифровой фототехники практически потеряла. История эта не завершена, она активно продолжается в настоящее время.
> Как работает цифровая камера
Цифровая камера захватывает свет и фокусирует его через объектив на сенсор, сделанный из кремния. Она состоит из сетки мелких фотоэлементов, которые чувствительны к свету. Каждый фотоэлемент называется пикселем, сокращение от «элемент изображения». Миллионы этих отдельных пикселей находятся в датчике цифровой зеркальной фотокамеры.
Цифровая камера отбирает свет нашего мира, или космического пространства пространственно, тонально и по времени. Пространственная выборка означает, что изображение в камере разбивается прямоугольной сеткой пикселей. Тональная выборка означает, что постоянно меняющиеся тоны яркости в природе разбиты на отдельные дискретные шаги тона. Если есть достаточно выборок, как в пространстве, так и тонально, мы воспринимаем их в качестве верного представления исходной сцены. Время выборки означает, что мы делаем экспозицию заданной длительности.
Наши глаза также воспринимают мир на основе нескольких десятых долей секунды, когда количество света такое же, как в дневное время. В условиях низкой освещенности, экспозиция глаза, или время интегрирования может увеличиться до нескольких секунд. Вот почему мы можем увидеть более подробную информацию с помощью телескопа, если будем смотреть на слабый объект в течение долгого времени.
Глаз является относительно чувствительным детектором. Он может обнаружить один фотон, но эта информация не передается мозгу, потому что она не превышает минимального порога соотношения сигнала к шуму в схеме шумовой фильтрации в зрительной системе. Этот порог обуславливает поступление нескольких фотонов для фиксирования их мозгом. Цифровая камера почти также чувствительна, как глаза, и оба являются гораздо более чувствительными, чем фотопленка, которая требует множество фотонов для обнаружения.
Эти временные выборки с длинными экспозициями, которые действительно делают возможным волшебство цифровой астрофотографии. Истинная мощь цифрового датчика возникает от его способности интегрировать, или собирать, фотоны в течение более длительных периодов времени, чем глаза. Вот почему мы можем записать данные в длинных выдержках, которые невидимы для глаза, даже через большой телескоп.
|
Каждый светочувствительный элемент на CCD или CMOD чипе состоит из светочувствительной области из кристаллического кремния в фотодиоде, которая поглощает фотоны и высвобождает электроны посредством фотоэффекта. Электроны накапливаются в потенциальной яме в качестве электрического заряда, который накапливается в течение всей экспозиции. Заряд, который генерируется, пропорционален числу фотонов, которые попадают в датчик. Этот электрический заряд передается и преобразуется в аналоговое напряжение, которое усиливается и затем посылается в аналого-цифровой преобразователь, где оно оцифровывается (превращается в число). |
CCD и CMOD датчики работают аналогично друг другу в поглощении фотонов, генерации электронов и их хранении, но отличаются тем, как заряд переносится и где он преобразуется в напряжение. И оба имеют цифровой выход.
Весь файл цифрового изображения это набор чисел, которые представляют значения яркости и местоположения для каждого квадрата в массиве. Эти цифры хранятся в файле, с которым могут работать наши компьютеры.
Не все пиксели чувствительны к свету, только фотодиодные. Процент пикселей, которые является светочувствительными, называется коэффициентом заполнения. Для некоторых датчиков, таких как CMOD, коэффициент заполнения может быть только от 30 до 40 процентов всей площади фотоэлементов. Остальная часть области на CMOD -датчике состоит из электронных схем, таких как усилители и схемы шумоподавления.
Поскольку светочувствительная площадь мала по сравнению с размером пикселей, общая чувствительность чипа снижается. Для увеличения коэффициента заполнения, производители используют микро-линзы, чтобы направить фотоны, которые поражают не чувствительные участки и остаются незамеченными, на фотодиод.
Электроны генерируются тех пор, пока фотоны воздействуют на датчик в течение продолжительности воздействия или интеграции. Они хранятся в потенциальной яме до окончания облучения. Размер ямы называют полной емкостью, и это определяет, сколько электронов может быть собрано, прежде чем яма заполнится и зарегистрирует в полном объеме. В некоторых датчиках после заполнения одной ямы, электроны могут перекинуться на прилегающие ямы, вызывая блюминг, который виден в качестве вертикальных пиков на ярких звездах. Некоторые камеры имеют антиюлюминговые возможности для сокращения или предотвращения этого явления. Большинство DSLR-камер контролируют блюминг очень хорошо, и это не является проблемой для астрофотографии.
Количество электронов, которое может накапливаться в яме, определяет динамический диапазон сенсора и также диапазон яркости от черного до белого, где камера может записывать детали как в слабых, так и в ярких областях сцены. После коррекции шума датчик с большей емкостью обычно имеет больший динамический диапазон. Датчик с низким уровнем шума помогает улучшить динамический диапазон и улучшает детализацию в слабо освещенных местах.
Не каждый фотон, попадающий на детектор, будет зарегистрирован. Количество, которое будет зарегистрировано, определяется квантовой эффективностью датчика. Квантовая эффективность измеряется в процентах. Если датчик имеет квантовую эффективность в 40 процентов, это означает, что четыре из каждых десяти фотонов, которые попадают на датчик, будут зарегистрированы и преобразованы в электроны. Согласно Roger N. Clarke, квантовый КПД в современных цифровых зеркальных камерах составляет от 20 до 50 процентов, в зависимости от длины волны. Топовые модели астрономических CCD-камер могут иметь квантовую эффективность до 80 процентов и более, хотя это относится к изображениям в градациях серого цвета.
Число электронов, собирающихся в яме, пропорционально числу фотонов, которые зарегистрированы. Электроны в яме затем преобразуется в напряжение. Этот заряд является аналоговым сигналом (непрерывного изменения) и, как правило, очень мал, и должен быть усилен, прежде чем он может быть оцифрован. Выходной усилитель выполняет эту функцию, приводя в соответствие диапазон выходного напряжения датчика к диапазону входного напряжения АЦ преобразователя. АЦ преобразователь преобразует эти данные к виду двоичного числа.
Когда АЦ преобразователь оцифровывает динамический диапазон, он разбивает его в пошаговом режиме. Общее количество шагов задается битной глубиной преобразователя. Большинство камер DSLR работают с 12 битами (4096 шагов) тональной глубины.
Выходной сигнал датчика технически называется аналого-цифрового единицей (ADU) или цифровой номер (DN). Число электронов в ADU определяется коэффициентом усиления системы. Усиление 4 означает, что АЦ преобразователь оцифровывает сигнал так, что каждый ADU соответствует 4 электронам.
Класс экспозиции ISO соответствует классу скорости пленки. Это общая оценка чувствительности к свету. Цифровые датчики камеры имеют только одну чувствительность, но позволяют использовать различные настройки ISO путем изменения коэффициента усиления камеры. Когда усиление в два раза, то число электронов в ADU понижается в 2 раза.
При увеличении ISO в цифровой камере, меньше электронов преобразуются в один ADU. Повышение ISO уменьшает динамический диапазон. При ISO 1600 может быть использовано всего около 1/16 от полной емкости потенциальной ямы датчика. Это может быть полезно для астрономических изображений тусклых предметов, электроны от которых не могут быть собраны другим способом, чтобы заполнить потенциальную яму. Камера только преобразует небольшое количество электронов из этих редких фотонов и сопоставляет этот ограниченный динамический диапазон полной битовой глубине, при этом становится возможной большая дифференциации между шагами. Это также дает больше шагов, чтобы работать с этими слабыми данными, когда они растягиваются позже при обработке, чтобы увеличить контраст и видимость.
Для каждого пикселя в датчике, данные яркости, представленные числом от 0 до 4095 для 12-разрядного АЦ конвертера, вместе с координатами местоположения пикселя, хранятся в файле. Эти данные могут временно сохраняются во встроенной буферной памяти камеры, прежде чем записываются в съемной карте памяти камеры.
Этот файл из чисел реконструируется в образ, когда он отображается на мониторе компьютера, или распечатывается.
Это те цифры, которые производятся в процессе оцифровки, с которыми мы можем работать на наших компьютерах. Цифры представлены в виде битов, а представлении «двоичных цифр». Биты используют основание 2 в двоичной системе счисления, где есть только цифры один и ноль, а не на основе 10, где есть цифры от 0 до 9, с чем мы, как правило, работаем. Компьютеры используют двоичные числа, потому что транзисторы, из которых они сделаны, имеют только два состояния включено и выключено, которые представляются цифрами один и ноль соответственно. Все числа могут быть представлены таким образом. Это то, что делает компьютеры настолько мощными при работе с числами, транзисторы это делают очень быстро.
Пространственная выборка
Светочувствительный элемент в матрице камеры соответствуют один к одному с пикселями в цифровом изображении, когда он поступает на выход. Многие люди также называют такие элементы в матрице камеры общим термином "пиксели". Эти элементы расположены в прямоугольном массиве. В Canon 20D, массив 3504 х 2336 пикселей, что в общей сложности 8,2 миллиона пикселей. Эту сетку можно представить как шахматную доску, где каждый квадрат очень мал. Квадраты настолько малы, что, если смотреть с расстояния они заставляют глаз и мозг думать, что изображение является непрерывным. Если вы увеличите любое цифровое изображение до достаточно большого размера, вы сможете увидеть отдельные пиксели. Когда это происходит, мы называем изображение "нечетким".
Цветное изображение на самом деле состоит из трех отдельных каналов, по одному для красного, зеленого и синего цвета. Из-за способа ощущения цвета глазом и мозгом, все цвета радуги могут быть созданы из этих трех основных цветов.
Хотя цифровая камера может записывать 12 бит или 4096 шагов яркости информации, почти все выходные устройства могут отображать только 8 бит или 256 шагов в цветовой канал. Изначальные 12-битные (2 в 12 степени = 4096) входные данные должны быть преобразованы в 8 битные (2 в 8 степени = 256) данные для вывода.
В приведенном выше примере, номинальный пиксель имеет уровень яркости 252 в красном канале, 231 в зеленом канале, и 217 в канале сигнала синего цвета. Яркость каждого цвета может варьироваться от 0 до 255, при 256 общего количества шагов в каждом цветовом канале, когда он отображается на мониторе компьютера, или для вывода на настольном принтере. Ноль означает чистый черный цвет, а 255 указывает чистый белый.
256 цветов каждый из красного, зеленого и синего может показаться не много, но на самом деле это огромное количество, потому что 256 х 256 х 256 - это более 16 миллионов отдельных цветов.
Тональная выборка
Свет и тона в мире изменяются непрерывным образом. После захода Солнца в ясный день небо на западе варьируется от яркого вблизи горизонта до темно-голубого цвета над головой. Эти оттенки синего цвета постоянно меняться. Они плавно переходят от светлого к темному.
Цифровые камеры при измерении света разрывают его непрерывно изменяющиеся сигналы в дискретные шаги, которые могут быть представлены числами (цифры). Они оцифровывают изображение.
64 шага
32 шага
16 шагов
Благодаря способу, который использует наша визуальная система, если мы разделим непрерывные сигналы в достаточном количестве малых дискретных шагов мы можем обмануть глаз, думая, что это непрерывный сигнал, даже если это не так.
В приведенных выше примерах, мы можем увидеть эффект от различного числа тонов, когда мы переходим от черного цвета к белому. Мы можем четко дифференцировать небольшое количество тонов как прерывистость. Но когда число увеличивается, где-то около 128 шагов, они, кажутся непрерывными для нашего восприятия.
Компьютеры и цифры
Поскольку компьютер является очень мощным инструментом при манипулировании с цифрами, мы можем выполнять различные операции над этими цифрами быстро и легко.
Например, контраст определяется как разница в яркости между соседними пикселями. Для контрастности, должна быть разница, так чтобы один пиксель был ярче, а другой пиксель был темнее. Мы можем очень легко увеличить контрастность, просто добавив количество шагов по яркости для яркого пикселя и вычитания числа шагов из значения яркости темного пикселя.
Цвет в изображении представлен значением яркости пикселя в каждом из трех цветовых каналов - красным, зеленом и синем - которые составляют информацию о цвете. Мы можем так же легко изменить цвет пикселя, или группу пикселей, просто изменив число.
Мы можем выполнять другие трюки, такие как увеличение кажущейся резкости изображения за счет увеличения контрастности краевых границ объектов на изображении с помощью процесса, называемого нерезким маскированием.
Представление изображение в виде числа позволяет нам всецело управлять им. И, поскольку изображение является набором чисел, оно может быть дублировано любое количество раз без потери качества.
Линейные или нелинейные данные
Реакция записи цифрового датчика пропорциональна числу фотонов, которые попадают в него. Реакция является линейной. В отличие от фотопленки, цифровые датчики увеличивают записанный сигнал в два раза, когда в два раза увеличивается число фотонов попавших на датчик. Цифровые датчики также являются взаимозаместимыми, как и большинство фотопленок.
Данные, полученные с помощью датчика CMOS в цифровой зеркальной фотокамере и записанные в сыром файле, являются линейными. Линейные данные, как правило, выглядят очень темными по сравнению с нормальным фотографиями (см. рисунок ниже).
Линейная кривая
Человеческое визуальное восприятие яркости лучше описывается логарифмической кривой, чем линейной кривой. Другие человеческие чувства, такие как слух, и даже вкус, также логарифмические. Это означает, что мы лучше различаем разницу на нижнем конце шкалы восприятия, чем мы на высоком конце. Например, мы можем очень легко отличить по весу один фунт и два фунта, когда мы их поднимем. Но у нас возникают трудности при попытке отличить вес в 100 фунтов и 101 фунтов. Тем не менее, разница же, один фунт.
Логарифмическая кривая
Нормальные фотографии на пленке также записаны в нелинейной манере, которая похожа на способ человеческого восприятия. Вот почему мы можем держать слайд к свету, и это выглядит как разумное представления исходной сцены без каких-либо дополнительных модификаций.
Из-за того, что человеческая визуальная система восприятия не работает в линейном порядке, нелинейный закон должен быть применен при "растяжке" линейных данных из цифровой зеркальной фотокамеры, чтобы тональность фотографий лучше соответствовала нашему визуальному восприятию. Эти нелинейные поправки делаются с помощью программного обеспечения внутри камеры при записи изображения в файл в формате JPEG. Если сырой файл сохраняется в камере, эти нелинейные корректировки делаются в программном обеспечении позже, когда данные открыты в программе обработки изображений.
В примерах изображений, показанных выше, снимок экрана диалога Curves в Photoshop был включен в изображении, чтобы мы могли увидеть сравнение между линейными данными и теми же данными с нелинейной корректировкой. Кривая в темном изображении является линейной, то есть прямая линия. Кривая в светлом изображении показана при растяжке, которая должна быть применена к данным, чтобы сделать их ближе к нашему зрительному восприятию.
Кривая представляет входные и выходные значения яркости пикселей в изображении. Черные в левом нижнем углу, а белые в правом верхнем углу. Серые тона между ними. Когда линия прямая, входной сигнал, который проходит горизонтально вдоль дна, соответствует выходному сигналу, который проходит вертикально вдоль левой стороны.
На вставке показано, что когда прямую тянут вверх, так что ее наклон увеличивается, контрастность этой части кривой и соответствующих тонов в изображении увеличивается. В изображенном выше примере видно, что тон в указанной точке создается намного легче. Все тона в изображении ниже этой точки на кривой, и соответствующих тонов в изображении, растягиваются друг от друга и их контраст увеличился.
Вот почему важно работать с высоко битной глубиной при работе с необработанными изображениями. Из-за сильного натяжения и увеличения контраста, которые необходимы, тоны растягивают. Если у нас есть много тонов и глубина высокого тона позволяет, то их можно гладко перераспределять. Если у нас мало тонов для работы, мы рискуем получить постеризацию и полосы при растяжке данных.
Цифровая камера
Цифровая камера имеет не только лишь наружное, да и функциональное сходство с обыкновенной фотокамерой, используемой в галогенсеребряной фото, и представляет собой:
Стоит отметить, что 1-ый в мире электрический фотоаппарат «Мавика» имел матрицу ПЗС 280 тыщ пикселей, а цветное изображение при таковой низкой разрешающей возможности было низкого свойства. Середина 1990-х годов ознаменовалась новым пришествием электрической фото на галогенсеребряную фотографию. На рынке появились новые цифровые камеры, у каких разрешающая способность стала соизмеримой с цветными негативными фотоматералами.
Рассматривая конструкцию цифровой камеры нужно тормознуть на вопросе формирования цветного изображения. Более обширно всераспространенным методом получения цветного изображения в любительской и проф цифровой фото является фотосъемка камерой с одним цветным чипом ПЗС и однократной выдержкой.
Цветоделение в данном случае осуществляется мелкими аддитивными светофильтрами: красноватым, зеленоватым и голубым, нанесенными на пиксели. При этом половина всех пикселей покрыта зеленоватыми светофильтрами, а остальную часть поровну делят меж собой красноватые и голубые светофильтры, покрывая пиксели. Данным методом есть возможность проводить фотосъемку передвигающихся объектов при дневном освещении и применяя лампу-вспышку. Для фотосъемки недвижных объектов и получения высочайшего свойства цветного конечного изображения в большинстве случаев используют иной метод цветоделения. Матрица ПЗС при всем этом экспонируется трижды за зональными аддитивными светофильтрами, закрепленными во вращающейся турели.
Не считая того, есть цифровые камеры (SESP-1000), в каких при помощи призмы происходит разделение изображения на красноватую, зеленоватую и голубую со ставляющие, попадающие любая на свою матрицу ПЗС. Такие цветоделящие системы обеспечивают высочайшее качество цветовоспроизведения и избавляют помехи, которые могут появиться меж цветными составляющими.
Последующий вариант цветоделительной системы употребляется в цифровых фотокамерах с разверткой кадра строчным ПЗС. Чип ПЗС в данном случае представляет собой три ряда пикселей, соответственных одной строке изображения. Один ряд пикселей покрыт красноватым фильтром, иной - зеленоватым, 3-ий - голубым. При фотосъемке ПЭС перемещается и в каждый момент времени регистрирует только одну строчку изображения, что в конечном счете обеспечивает высочайшее качество. В дорогих любительских и проф цифровых фотокамерах используются три чипа ПЗС и цветоделительная система с дихроическими полупрозрачными зеркалами.
Любой из 3-х чипов ПЗС при фотосъемке принимает только свою часть диапазона красноватую, зеленоватую либо голубую, подобно цветной мультислойной фотопленке, состоящей из 3-х зональных слоев, сенсибилизированных к трем зонам диапазона. Такие камеры позволяют проводить фотосъемку передвигающихся объектов, обеспечивая при всем этом высочайшее качество отображения, потому что разрешающая способность детектора цифровой камеры, состоящего из 3-х чипов ПЗС умножается втрое по сопоставлению с разрешающей способностью 1-го чипа ПЗС.
1-ые цифровые камеры, которые появились на рынке в 1995 году, рассчитывались на богатых и пытливых людей. Невзирая на то что камеры были дорогими, фотоизображение, получаемое при помощи таковой цифровой камеры, было нерезким и имело недостаточную насыщенность цветов. Но за последние годы цифровая фото более напористо и достаточно удачно стала наступать на классическую галогенсеребряную фотографию. Светочувствительность матриц ПЗС достигнула 400-800 ISO, что фактически соответствует светочувствительности современных цветных негативных галогенсеребряных фотопленок. Что касается разрешающей возможности матриц ПЗС, то она соизмерима с величиной разрешения фотопленки и составляет 15-20 млн. пикселей. Но на сегодня суровой неувязкой для цифровой фото является очень высочайшая цена камер, имеющих высокоразрешающие матрицы ПЗС. Не считая того, огромную стоимость имеет и сопутствующее оснащение - компьютер, монитор, принтер и т. д. Так, проф цифровые камеры высочайшего класса имеют наименьшую стоимость от 3000-9000 долларов США. Спецы в области цифровой фото все таки считают, что в обозримом будущем, по мере совершенствования технологии производства микросхем, цена цифровой камеры и классической камеры для галогенсеребряных материалов может выровняться, тем паче, что в разработках принимают активное роль не только лишь ведущие фотографические компании, да и гиганты компьютерной технологии, такие как IBM.
Цифровая камера
Цифровая камера - это устройство для получения оптических образов снимаемых объектов на светочувствительном элементе (матрице), адаптированное для записи передвигающихся изображений. Обычно оснащается микрофоном для параллельной записи звука.
Составными частями камеры являются:
В телевидении и кинематографии, по воззрению ведущих профессионалов, доминирующей тенденцией сейчас является съемка кинофильмов в главном на кинопленке, потому что она значительно расширяет творческие способности драматических сцен с конфигурацией контраста изображения, введением теней, субтитров и т. д. Качество отображения на цветной кинопленке при всем этом еще выше, чем на магнитном носителе; невзирая на то, что качество видеоизображения за последние годы стало лучше, передачи все еще смотрятся как репортажные.
По этой причине в почти всех странах мира на телевидении большая часть маркетинговой продукции, новые шоу-программы, некие мыльные оперы и т. д. снимаются лишь на кинопленку, потому что их создание еще дешевле; не считая того, имеется отменная возможность сбыта данной продукции в другие страны.
Что касается сотворения в обозримом будущем цифровой камеры, которая по качеству изображения выпихнет обыденную кинокамеру, то это смотрится очень проблематично, потому что разработка таковой передовой технологии съемки кинофильмов востребует больших денег. Невзирая на ряд плюсов электрической фото, творческие работники кинематографии знают, что лишь на кинопленке для сотворения чувственного содержания материала есть возможность обеспечить нужный динамический диапазон, аккуратное цветовоспроизведение цветовых цветов, проработку кадра и т.д. Для разработчиков электрического оборудования для кинематографии, по воззрению компании «Kodak», мирового фаворита сотворения ведущих технологий киносъемки и выпуску ПЗС-матриц, таковой путь пока не просматривается.
Информация с веб-сайтов: