Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
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, используе мые 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 установ ки электронно-оптического
преобразователя (ЭОП) и устрой ства хранения кадров.
Большинство моделей снабжаются цветным ЖК -дисплеем
расположенным на задней панели, - он используется для про смотра 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 наклады вает также ограничение на минимальный размер ЭОП, по габари там 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 наме тилась 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 дол ларов 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 пере вод - потребительские камеры), а также prosumer camers - этот термин появился сравнительно недавно и образован за счет сли яния слов ргоfеввiопа1 и сопвитег. Им обозначаются недавно по явившиеся модели с высоким разрешением, большим количе ством ручных настроек и сервисных функций, с возможностью установки оптических насадок и подключения внешней вспыш ки - в общем, со всем тем, что до недавнего времени встречалось только в профессиональных моделях.~Любительская цифровая камера в отличие от профессиональной разрабатывается, что на зывается, «с нуля», без использования корпуса и оптики пленоч ных 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 цифро вой модели. Дело в том, что используемые в любительских циф ровых 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 превосхо дящее по размерам ПЗС-матрицу. Кроме того, ЭОП обладают
меньшей по сравнению с пленкой светочувствительностью, а с другой стороны, продолжительное воздействие яркого света гу бительно для них, что накладывает дополнительные ограниче ния на конструкцию затвора и светосильные характеристики оптики. ?Как ни прискорбно, до сих пор встречаются конструк ции камер, оптика которых вызывает нехорошие воспоминания о дешевых китайских «мыльницах» с пластмассовыми линзами. Естественно, что никакие «мегапикселы» не помогут сформиро вать качественное изображение при эксплуатации таких моде лей. 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 фото аппарата является его объектив. Поэтому необходимо упомянуть основные термины, касающиеся оптической подсистемы фото аппарата.
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 обыч ного человека в 35-мм камерах соответствует фокусное расстоя ние 50 мм (46°).
Часто фокусное расстояние для цифровой фотокамеры указы вается двумя цифрами, например, 6-15 мм (28-72 мм). Это выз вано тем, что размер ЭОП меньше кадра обычной пленки, поэтому линейные размеры оптики тоже меньше. Для удобства восприя тия вводится вторая величина, которая обозначает фокусное рас стояние в эквиваленте 35-мм камеры.
Для обозначения объективов с переменным фокусным расстоя нием в англоязычной литературе применяется термин zoom, часто он калькируется в русских переводах словом «зум». Это непра вильно, для объективов такого типа давно существует название вариообьектив. Под кратностъяю объектива подразумевают от ношение максимального фокусного расстояния к минимальному, например,
105/35 = 3 – кратность объектива равна 3. Объективы, фокусное расстояние которых не изменяется, в анг лоязычной литературе называются fixed focus. В отечественной литературе такой тип оптики обозначается как объектив с по стоянным фокусным расстоянием. Постоянное фокусное рассто яние несколько ограничивает возможности фотографа, в то же время конструкция таких устройств предельно проста. Поэтому такие объективы чаще всего встречаются в недорогих компакт ных камерах.
2.2Сменная оптика. Зеркальные и незеркальные камеры
До определенного момента вариообъективы с кратностью боль ше двух были сложными в производстве и капризными в эксп луатации. 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 ко тором будет рассказано далее). Однако с появлением надежных и недорогих вариообъективов высокой кратности (от 3 и выше), а также повсеместным внедрением электроники, обеспечиваю щей правильный расчет параметров съемки, широкое распространение ранение получили компактные камеры под 35-мм пленку, обо рудованные 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 фоку сировки. Это изображение пользователь наблюдает в видоиска теле и визуально контролирует кадрирование и фокусировку. Для точного определения дистанции съемки применяются раз нообразные оптические устройства. Одним из них является мик рорастр, 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, использую щие 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 фото графами недодержкой) приводит к плохой проработке деталей в тенях, избыточная экспозиция (передержка) - к плохой прора ботке светлых участков. Для управления экспозицией исполь зуются диафрагма и выдержка, для расширения их диапазона применяют материалы с более высокой светочувствитвлъностъю.
Диафрагма – это устройство, посредством которого ограничивает ся поперечное сечение световых пучков, проходящих через объек тив, 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 свето вое отверстие образуется несколькими дугообразными лепест ками (ламелями), соединенными с подвижным кольцом-корон кой. При повороте кольца лепестки сходятся (или расходятся), плавно уменьшая (или увеличивая) отверстие диафрагмы. Ве личина действующего отверстия диафрагмы изменяется в зави симости от условий съемки (освещенности фотографируемого объекта и чувствительности ПЗС-матрицы), а также выдержки (о ней будет рассказано далее). От величины отверстия диаф рагмы 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 диаф рагмы тем не менее используется так называемое диафрагмен ное число - величина, обратная относительному отверстию. Ряд численных значений диафрагменного числа выбирается так, что он образует геометрическую прогрессию со знаменателем, рав ным 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 пропорцио нальна квадрату диафрагменного числа, то есть чем меньше чис ло, тем больше света попадает на матрицу. Если минимальное значение диафрагменного числа 2,8 и ниже, то объектив счита ется 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 - светочувстви тельное 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 чувстви тельности фотопленки растет зернистость изображения и не однородность негатива. К сожалению, при увеличении чувстви тельности 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 измене нию экспозиции в два раза. Одну и ту же экспозицию можно обес печить при различных сочетаниях значений диафрагменного числа и выдержки, называемых экспозиционными параметрами(экспопараметрами).
2.5Аберрации
Аберрации - искажения (от лат. aberratio- уклонение) изображе ния, формируемого оптической системой. Проявляются в пониже нии резкости изображения, нарушении подобия между объектом и его изображением (геометрические аберрации) либо окрашива нии контуров изображения (хроматические аберрации).
Среди большого количества геометрических аберраций наибо лее 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 све товые лучи, идущие из точек, расположенных вне оптической оси объектива, сходятся в фокус не в одной плоскости. На фотогра фии кривизна поля проявляется в понижении резкости изобра жения от центра к краям. Устраняется эта аберрация подбором линз с различной кривизной поверхностей.
Дисторсией называется аберрация, при которой нарушается геомет рическое подобие между объектом и его изображением. Это яв ление возникает в результате того, что линейное увеличение, да ваемое оптической системой, изменяется по полю изображения.
Рис. 2.4. Дисторсия
В вариообъективах дисторсия выражается в «подушкообразных» искажениях при длиннофокусном режиме и в «бочкообраз ных» - при широкоугольном. Для снижения дисторсии в конст рукцию объективов включается асферическая оптика, то есть линзы с параболическими, эллиптическими и другими поверх ностями.
Хроматические аберрации обусловлены зависимостью показате ля преломления оптического стекла от длины волны проходя щего через него света. В линзовых оптических системах это при водит к разложению луча белого света на несколько одноцветных лучей, которые после выхода из оптической системы пересека ют оптическую ось в разных точках. Поэтому в тех случаях, ког да 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 от рицательных линз, сделанных из разных сортов стекла.
2.6Разрешающая способность оптики
Разрешающая способность оптических систем - под этой харак теристикой подразумевается способность данных систем созда вать 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 спо собности объективов не возникал. Однако с увеличением разре шения матриц любительских камер периодически складывается ситуация, когда один и тот же сенсор, установленный на разных фотоаппаратах, «рисует» изображение с неодинаковым каче ством. 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 регист рирующий элемент - электронно-оптический преобразователь (ЭОП). Как уже упоминалось, в основном в этих целях исполь зуются матрицы ПЗС - приборов с зарядовой связью. Несмотря на то что ЭОП на КМОП-элементах в последнее время появля ются даже на профессиональных моделях, подавляющее боль шинство любительских фотоаппаратов оснащены именно П3С матрицами. Рассмотрим подробнее конструкцию этих устройств.
Общие принципы
Для того чтобы досконально понять, каким образом свет преобра зовывается в электрический заряд, необходимо вспомнить раздел «Полупроводниковые приборы» школьного курса физики, точ нее -р-n-переход. Однако тема эта слишком объемна, чтобы рас сматривать ее в рамках данной работы. Вкратце принцип устрой ства и функционирования П3С-матриц сводится к следующему.
В кремниевой подложке р-типа создаются каналы из полупро водника n-типа. Сверку наносится изолирующий слой окиси кремния. Над каналами размещаются электроды из поликрис таллического 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 потенци альной яме. Чем больше фотонов попадает на поверхность, тем выше накапливаемый заряд. Чем больше электронов может на копить потенциальная яма, тем больший диапазон освещеннос ти 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 за ряда 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 счи тать значение строки ПЗС-элементов.
В нашем же случае требуется определить заряд каждого из эле ментов матрицы. При этом используется способность ПЗС к пе ремещению потенциальной ямы. Для этого достаточно подать больший потенциал на соседний электрод, под который должна переместиться потенциальная яма. При этом яма из-под сосед него электрода, в свою очередь, смещается под слёдующий элек трод 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-пер вых, управляющая
микросхема, обеспечивающая подачу импуль сов 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, ко торая требует дополнительной обработки встроенным программ ным 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 устрой ство долговременного хранения информации, какого бы типа оно ни было. Для промежуточного хранения и обработки изображе ния используется буферная память.
4.1Буферная память
Этот тип памяти аналогичен ОЗУ, используемому в персональ ных компьютерах. Основное отличие в том, что при выборе тек или иных микросхем основное внимание уделяется не столько быстродействию (хотя и оно немаловажно), сколько надежнос ти и малому энергопотреблению. До недавнего времени размеры буфера были сравнительно невелики, пока кому-то из произво дителей 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 доступ ным 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 записы ваются в долговременную память. Если АЦП матрицы обеспе чивает 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, продол жительность до 30 секунд.
После того как программное обеспечение камеры создало на ос нове данных с ПЗС-матрицы полноцветное изображение, возни кает 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 отве чает за яркость, а U и V - за цветовой оттенок. Подобная схема применяется в телевещании - как уже было сказано, человечес кий глаз больше реагирует на яркостные характеристики изоб ражения, чем на цветовые.
На втором шаге следует разбиение изображения на отдельные участки размером 8х8 пикселов, затем над каждым участком про изводится математическая операция - дискретное косинус-пре образование. 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-ампли тудные характеристики каждого блока анализируются с учетом повторяемости цветов в изображении и особенностей человеческо го зрения, в частности меньшей чувствительности глаза к верх ней 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, восстано вить изображение с точностью до пиксела невозможно (а, в общем то, 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 долговре менную память записывается отпечаток» ПЗС-матрицы. При этом размер изображения в десятки раз больше кадра JPEG, и для его просмотра требуется специальная программа, поставля емая фирмой-производителем камеры. Не всегда эти програм мы обладают достаточным количеством операций по обработке изображения, иногда у них неудобный интерфейс. Данные об стоятельства 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 происхо дит. 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 про должительного хранения без источников питания. Во-вторых, требуется минимальное энергопотребление при операциях запи си/считывания/стирания. В-третьих, время записи/считыва ния/стирания должно быть как можно меньше. В-четвертых, габариты должны быть минимальными. И наконец, самое глав ное - устройство обязано быть стопроцентно надежным. Пере численным требованиям в наиболее полной мере удовлетворяют конструкции, использующие так называемую флэш-память.
Флэш-память
Этот тип памяти является промежуточным между ПЗУ (посто янное запоминающее устройство, в англоязычной литературе - АОМ, read-оn1у memory), которое хранит информацию без ис точников питания, но не позволяет ее модифицировать, и ОЗУ, которое допускает информацию модифицировать, но хранить ее не может. Флэш-память использует питание только при считы вании данных и их модификации, причем для считывания необ ходимо менее высокое напряжение, а для записи – повышенное.
Существуют следующие виды хранения информации :
Другие виды носителей
Среди альтернативных методов хранения информации преобла дают разнообразные устройства с магнитными методами запи си. Условно их можно разделить на две группы. В первой группе используются различные сменнъсе носители - от обычного гиб кого 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 высо кими 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