Работает цифровая камера. Цифровая электроника для начинающих. Преимущества цифрового телевидения

В этом номере я собираюсь начать "долгоиграющую" тему о том, как устроена и как работает цифровая камера, что значат всякие умные слова вроде "брэкетинг" и "экспокоррекция" и, главное, как всем этим целенаправленно пользоваться.

Вообще, цифровая камера - это аппарат, позволяющий получать изображения объектов в цифровой форме. По большому счету, разница между обычным и цифровым фотоаппаратом - только в приемнике изображения. В первом случае это фотоэмульсия, требующая затем химической обработки. Во втором - специальный электронный датчик, преобразующий падающий свет в электрический сигнал. Датчик этот называется сенсором или матрицей и действительно представляет из себя прямоугольную матрицу светочувствительных ячеек, помещенных на одном полупроводниковом кристалле.

При попадании света на элемент матрицы он вырабатывает электрический сигнал, пропорциональный количеству попавшего света. Затем сигналы (пока что это аналоговые сигналы) с элементов матрицы считываются и преобразуются в цифровую форму аналогово-цифровым (АЦП) преобразователем. Дальше цифровые данные обрабатываются процессором камеры (да, в ней тоже есть процессор) и сохраняются уже в виде, собственно, картинки.

Итак, сердцем любой цифровой камеры является сенсор. Сейчас существуют две основные технологии производства сенсоров - ПЗС (CCD, charge coupled device - устройство с зарядовой связью) и КМОП. В ПЗС-матрице во время экспозиции (то есть в момент, собственно, фотографирования) в светочувствительных элементах накапливается заряд, пропорциональный интенсивности падающего света. При считывании данных эти заряды сдвигаются из ячейки в ячейку, пока не будет считана вся матрица (фактически, чтение происходит построчно). Данный процесс в популярной литературе любят сравнивать с передачей ведер с водой по цепочке. Производятся ПЗС-матрицы по МОП-технологии и для получения качественного изображения требуют высокой однородности параметров по всей площади чипа. Соответственно, они достаточно дороги.

Альтернативой ПЗС являются CMOS (то бишь, по-русски, КМОП) матрицы. По сути своей, КМОП-сенсор достаточно похож на микросхему оперативной памяти - DRAM. Тоже прямоугольная матрица, тоже конденсаторы, тоже считывание с произвольным доступом. В качестве светочувствительных элементов в КМОП-матрицах используются фотодиоды. В общем, КМОП-матрицы намного лучше подходят для производства по хорошо разработанным нынче техпроцессам. К тому же, помимо всего прочего (большая плотность упаковки элементов, меньшее энергопотребление, более низкая цена), это позволяет интегрировать сопутствующую электронику на один кристалл с матрицей. Правда, до недавнего времени CMOS не выдерживал конкуренции с CCD в смысле качества, так что на основе CMOS-сенсоров делались, в основном, дешевые устройства вроде веб-камер. Однако в последнее время сразу несколько крупных компаний (в частности, такой монстр индустрии, как Kodak) разрабатывали технологии производства CMOS-матриц высокого разрешения и высокого качества. Первая "серьезная" (трехмегапиксельная цифровая зеркалка) камера на КМОП - Canon EOS-D30 - появилась почти два года назад. А объявленные на последней Photokina полноформатные камеры Canon EOS 1Ds и Kodak Pro DCS-14n окончательно продемонстрировали потенциал КМОП-сенсоров. Впрочем, большинство камер пока все-таки выпускаются на основе ПЗС-матриц.

Желающие более подробно познакомиться с обеими технологиями могут начать вот с этого адреса www.eecg.toronto.edu/~kphang/ece1352f/papers/ng_CCD.pdf , а мы пойдем дальше.

Следующий момент - элементы матрицы (любого из вышеописанных типов) воспринимают только интенсивность падающего света (то есть, дают черно-белое изображение). Откуда берется цвет? Для получения цветного изображения между объективом и матрицей располагается специальный светофильтр, состоящий из ячеек основных цветов (GRGB, либо CMYG), находящихся над соответствующими пикселами. Причем, для зеленого цвета используются два пиксела (в RGB, или один в CMY), поскольку глаз наиболее чувствителен именно к этому цвету. Окончательный цвет пиксела на картинке в такой системе высчитывается с учетом интенсивностей соседних элементов разных цветов, так что в результате каждому одноцветному пикселу матрицы соответствует цветной пиксел на картинке. Таким образом, окончательная картинка всегда в той или иной степени интерполирована (то есть рассчитана, а не получена непосредственным фотографированием объекта, что неминуемо сказывается на качестве мелких деталей снимка). Что касается конкретных фильтров, то в большинстве случаев используется прямоугольная матрица GRGB (фильтр Байера).

Существует еще такая штука, как SuperCCD, изобретенная Fuji Photo Film и использующаяся в камерах Fuji с 2000 года. Суть этой технологии в том, что пикселы (и элементы светофильтра - тоже GRGB) расположены в виде своеобразной диагональной матрицы.

Причем камера интерполирует не только цвета самих пикселов, но и цвета точек, расположенных между ними. Таким образом, на фотоаппаратах Fuji всегда указывается разрешение, в два раза превосходящее даже количество физических (одноцветных) пикселов, что не есть правда. Впрочем, технология Fuji все же получилась достаточно удачной - большинство людей, сравнивавших качество снимков с SuperCCD и обычных камер, сходится в том, что качество картинки с SuperCCD соответствует обычной матрице с разрешением, примерно в 1.5 раза большим, чем физическое разрешение SuperCCD. Но не в 2 раза, как это заявлено Fuji.

Заканчивая разговор о фильтрах, самое время упомянуть о третьей альтернативной технологии производства сенсоров, а именно - Foveon X3. Она разрабатывалась фирмой Foveon и была объявлена весной этого года. Суть технологии - физическое считывание всех трех цветов для каждого пиксела (по идее, разрешение такого сенсора будет эквивалентно разрешению обычного сенсора с в три раза большим количеством пикселов). При этом для деления падающего света на цветовые компоненты используется свойство кремния (из которого изготовлен сенсор) пропускать свет с разной длиной волны (то есть, цветом) на разную глубину. Фактически, каждый пиксел Foveon представляет собой трехслойную структуру, причем глубина залегания активных элементов соответствует максимуму пропускания кремнием света для основных цветов (RGB). По-моему, весьма перспективная идея. По крайней мере, в теории. Потому что на практике первая объявленная камера на основе Foveon X3 пока так и остается единственной. Да и ее поставки пока толком так и не начались. Более подробно об этой технологии мы писали в шестом номере газеты за этот год.

Однако вернемся к сенсорам. Основной характеристикой любой матрицы, с точки зрения конечного пользователя, является ее разрешение - то есть количество светочувствительных элементов. Большинство камер сейчас делается на основе матриц в 2-4 мегапиксела (миллион пикселов). Естественно, чем больше разрешение матрицы, тем более детализированный снимок можно на ней получить. Конечно, чем больше матрица, тем она дороже. Но за качество всегда приходится платить. Разрешение матрицы и размер получаемого снимка в пикселах связаны напрямую, например, на мегапиксельной камере мы получим картинку размером 1024х960 = 983040. Надо сказать, что увеличение разрешения матриц - одна из главных задач, с которой сейчас борются производители цифровых камер. Скажем, года три назад большинство камер среднего ценового диапазона снабжалось мегапиксельными матрицами. Два года назад это число увеличилось до двух мегапикселов. Год назад оно уже стало равно трем-четырем мегапикселам. Сейчас же большинство последних моделей камер комплектуется сенсорами с разрешением 4-5 мегапикселов. И уже существует несколько полупрофессиональных моделей, снабженных матрицами больше 10 мегапикселов. Видимо, где-то на этом уровне гонка и остановится, поскольку снимок с 10-мегапиксельной матрицы примерно соответствует по детализации снимку на стандартную 35-миллиметровую пленку.

Кстати, не надо путать разрешение матрицы в том виде, как мы определили его выше, и разрешающую способность. Последняя определяется как способность камеры разделить изображение двух объектов и обычно измеряется по снимку штриховой миры с известным расстоянием между штрихами. Разрешающая способность описывает свойства всей оптической системы камеры - то есть матрицы и объектива. В принципе, разрешение и разрешающая способность связаны между собой, но связь эта определяется не только параметрами матрицы, но и качеством использованной в камере оптики.

Следующая характеристика цифровой камеры, напрямую связанная с матрицей, - это чувствительность. Или, точнее, светочувствительность. Этот параметр, как и следует из названия, описывает чувствительность матрицы к падающему свету и, в принципе, полностью аналогичен светочувствительности обычных фотоматериалов. Например, вы можете купить в магазине пленку чувствительностью 100, 200 или 400 единиц. Точно так же можно выставить чувствительность матрицы, но полюс цифрового фотоаппарата в том, что чувствительность выставляется индивидуально для каждого кадра. Скажем, при ярком солнечном свете можно снимать с чувствительностью 100 или 50, а для ночной съемки можно переключиться на 400 (а в некоторых фотоаппаратах и на 1400). Большинство цифровых камер позволяет выставлять стандартные значения чувствительности - 50, 100, 200 и 400. Кроме того, система автоэкспозиции может менять чувствительность плавно. Поскольку физически регулировка чувствительности осуществляется изменением коэффициента усиления сигнала с матрицы, то в камере это реализовать достаточно просто.

Измеряется чувствительность в единицах ISO (по крайней мере, для цифровых камер они уже стали стандартом). Как они переводятся в единицы DIN и ГОСТ, вы можете посмотреть в таблице.

ГОСТ	8	11	32	65	90	180	250
ISO	9	12	35	70	100	200	300
DIN	10	11-20	16	19-20	21	24	25-26

Впрочем, у регулируемой чувствительности есть свои недостатки. Поскольку физически при этом свойства матрицы не меняются, а просто усиливается существующий сигнал, то на изображении начинают все больше и больше проявляться шумы, свойственные любому электронному устройству. Это очень сильно снижает рабочий динамический диапазон камеры, так что при высокой чувствительности вы хорошей картинки не получите. С аналогичной проблемой, кстати, можно столкнуться и при больших экспозициях - любая матрица шумит, а со временем шум накапливается. Сейчас во многих камерах реализуются специальные алгоритмы шумоподавления при больших экспозициях, однако они склонны сглаживать изображение и размывать мелкие детали. В общем, против законов физики не попрешь, но все-таки возможность регулировать чувствительность - большой плюс цифровых камер.

Константин АФАНАСЬЕВ

После перехода эфирного вещания с аналогового стандарта на цифровой появилась необходимость приобретать специальные устройства для старых телевизоров. Все современные модели ТВ-приемников оснащаются соответствующим тюнером. Однако не каждый человек готов из-за этого менять свой телевизор. Зная, как работает цифровая приставка к телевизору и особенности выбора устройства, можно купить недорогое и эффективное устройство.

Назначение девайса

Благодаря цифровой приставке к телевизору можно не только смотреть эфирное вещание в новом стандарте, но и существенно расширить возможности ТВ-приемника. В продаже находится большое количество моделей, отличающихся стоимостью и функциональными возможностями. Среди основных функций, выполняемых приставкой, можно отметить:

Воспроизведение мультимедиа-файлов с флэш-накопителя, подключаемого к порту USB.
Запись телетрансляции в формате ts на внешний накопитель.
Возможность остановки просмотра в реальном времени.
Благодаря функции TimeShift трансляцию телепрограммы можно отложить.

Некоторые бюджетные современные модели телевизоров обладают значительно меньшим функционалом, хотя и оснащены тюнером DVB-T2. В такой ситуации приставка сможет значительно расширить его возможности.

Также следует сказать еще об одном виде тюнеров - приставках Смарт ТВ. Они предоставляют пользователям еще больше возможностей.

Работать эти девайсы могут одним из двух способов:

Все файлы хранятся на встроенном носителе, для запуска необходимого софта его требуется предварительно инсталлировать.
Для хранения рабочей информации используются облачные сервисы, и устройство может функционировать только при подключении к интернету.

Главным преимуществом Смарт-приставок является возможность получения доступа к различным ресурсам в интернете и вывод информации на экран ТВ.

Такие тюнеры могут оснащаться сразу несколькими разъемами для подключения карт памяти, поддерживают большое количество мультимедиа-форматов.

Критерии выбора

Следует признать, что приставка к телевизору для просмотра цифрового телевидения не является самым сложным бытовым электронным прибором.

Но даже учитывая сравнительно невысокую стоимость этих устройств, необходимо сделать правильный выбор. Есть несколько критериев, которые необходимо обязательно иметь в виду, отправляясь в магазин.

Стандарты вещания

Именно этот вопрос является самым важным при выборе девайса. Так как в России используется стандарт DVB-T2 цифрового телевидения, приставка к телевизору должна его поддерживать . Это универсальное решение, которое подходит пользователям всех регионов страны. Кроме этого, качество изображения у DVB-T2 лучше, чем у DVB-T1.

Также нужно отметить еще два стандарта - DVB-S и DVB-S2. Они используются для трансляции спутникового телевидения. Если приставка их поддерживает, то пользователь может подсоединить ее к спутниковой антенне и транслировать полученный сигнал сразу на телевизор без использования ресивера.

Сегодня многие провайдеры кабельного ТВ используют стандарт DVB-C . Это дает им возможность кодировать сигнал. Для получения доступа к нему необходимы специальные модули. Если девайс будет использоваться для приема кабельного телевидения, то он должен поддерживать и этот стандарт.

Способы подключения

Если тюнер приобретается для работы со старым телевизором, то в нем должны быть три разъема типа «тюльпан» или RCA . Один из них используется для вывода видеосигнала, а два других передают звук в стереоформате. Большинство моделей приставок сегодня оснащены разъемом HDMI. Это современный стандарт, используемый для одновременной передачи видео- и аудиосигнала.

Наличие портов USB говорит о том, что устройство можно использовать в качестве мультимедиа-плеера. Кроме этого, к ним подключается внешний накопитель для записи телепрограмм, если такая функция поддерживается приставкой.

Также стоит обратить внимание на сквозной антенный выход, благодаря которому к приставке можно подключить сразу два ТВ-приемника без применения разветвителей.

Функциональные возможности

Так как цифровые тюнеры способны не только принимать сигнал требуемого стандарта, стоит познакомиться с их полезными функциями. Одной из них является TimeShift (отложенный просмотр). Благодаря ей трансляцию ТВ-передачи можно поставить на паузу и не пропустить интересный момент.

Также стоит обратить внимание на опцию Personal Video Recorder (PVR). С ее помощью можно записывать передачи, если нет возможности смотреть их в прямом эфире. Вполне очевидно, что для этого потребуется внешний накопитель . Многие современные модели приставок могут использоваться в качестве мультимедиа-плеера благодаря поддержке популярных форматов. Функция ТВ-гид позволяет узнать программу передач на неделю для всех доступных каналов.

Преимущества цифровой печати

Благодаря особенностям нанесения элементов на бумагу цифровыми принтерами, они способны решать две очень важные задачи: печать многостраничных материалов в рамках одного задания на печать и позволять создавать персонифицированные печатные материалы, что особенно необходимо, когда Вы хотите обратиться лично к той или иной компании, либо конкретному потребителю. Эта функция открывает большие возможности для маркетинговых шагов любого предприятия. Кроме того, цифровое оборудование позволяет печатать материалы в течение короткого времени.

Цифровая печать – как это работает?

Процесс цифровой печати начинается с создания файла документа, в который будут включены текст и изображения, воспроизводимые в документе. Независимо от того, какое программное обеспечение используется для создания файла и любого из элементов, файл с графическим изображением обязательно должен быть растровым. Растровая сетка находится на осях координат x и y, а при работе с файлом определяется, какая из них подлежит обработке.
Растровый файл изображения иногда называют битовой картой, потому что он содержит информацию, непосредственно участвующую в формировании сетки. BMP, TIFF, GIF и JPEG являются примерами растровых типов файлов изображений. Осуществление конвертации файла в файл растрового изображения называется обработкой растровых изображений. При подготовке файлов к печати все они должны быть скопированы для создания битового массива, из которого и будут браться данные для вывода изображения на печать с помощью нанесения точек в нужные места.

Цифровые печатающие устройства могут использовать различные технологии в зависимости от вещества, посредством которого изображения наносятся на бумагу (тонер или чернила). Чаще всего для принтеров используется сухой тонер.

Как работает лазерный принтер?

Для работы лазерных принтеров используются световые импульсы от лазерного луча для отображения на светочувствительной поверхности. Изображения формируются из точек в Matrix, как правило, 600х600 точек на дюйм, 750х750 точек/см или 1500х1500 точек/см.

Для работы лазерного принтера используется технология, подобная технологии копировального устройства, основанной на принципе притяжения противоположных электрических зарядов. Используя информацию битовой карты из скопированного файла, лазерный луч подает электрически заряженный фоторецептор. Частицы тонера притягиваются к нему, а затем переносятся на бумагу. Тонер закрепляется на бумаге при ее прохождении через горячие ролики (примерно 400 градусов).

Высокая температура, необходимая для закрепления тонера на бумаге, обуславливает некоторые ограничения на типы бумаги, которые могут использоваться для печати на лазерном принтере.

Тонер

Частицы тонера заряжены отрицательно, на пластиковых основах находится порошок, который нагревается под температурой. Тонер состоит из цветного или черного пигмента и полимера. Смесь нагревается и измельчается, а затем остывает. При нагревании создаются частицы тонера размером от 7 до 10 микрон.

От размера частицы тонера зависит разрешение печатаемого изображения. Количество точек должно соответствовать точкам в битовой карте. Это важно для воспроизведения изображения с нормальным разрешением.

Как работает струйный принтер?

Для работы струйного принтера используются очень мелкие капельки чернил для воспроизведения изображений на бумаге. Капли чернил контролируются цифровым сигналом, чтобы жидкая краска распылилась на бумаге. Величина капель струйных чернил составляет примерно 50-60 мкм, т.е. эти капли меньше диаметра волоса человека (70 мкм), но крупнее частиц тонера.

При печати фотографий струйный принтер воспроизводит высококачественные изображения, близкие к фотографическим. Струйные принтеры работают с бумагой и другими основами, в том числе, с рулонной бумагой. Это позволяет печатать крупноформатные материалы в высоком разрешении.

Цифровая печать и бумага

Бумага, предназначенная для цифровой печати, обладает другими свойствами по сравнению с бумагой, используемой для офсетной печати. В частности, бумага должна быть термостойкой, не меняющей своих качеств при воздействии высоких температур, давления и химических элементов, входящих в состав тонера.

Возможно, Вы сталкивались с проблемой протекания чернил сквозь лист и другими трудностями при печати материалов на струйном оборудовании. При печати тонером могут возникнуть такие проблемы, как отпечатывание частиц краски на предметы и другие бумаги, когда лист после печати еще теплый. Это значит, что для печати подобрана не подходящая для работы с цифровым оборудованием бумага.

Зачем нужно знать об особенностях работы цифровых печатных машин?

Обладать знаниями о принципах работы цифрового оборудования необходимо для того, чтобы при сотрудничестве с типографией, которая будет печатать для Вас различного рода материалы, Вы могли сориентироваться в рекомендациях и советах от ее сотрудников, правильно выбирать бумагу и другие расходные материалы для своей работы.

> 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.

В ярком изображении наклон верхней части кривой уменьшается в светлых областях изображения. Это сжимает тона и уменьшает контраст этих тонов в изображении.

Это то, что позволяет обращаться к этим данным в линейной форме в высокой битной глубине, что делает изображения с цифровых зеркальных камер и CCD такими мощными для создания астрофотографий. Это позволяет нам вычесть фон неба и светового загрязнения. Это дает нам возможность контролировать нелинейные корректировки и растягивать данные. Эти настройки позволяют выявить детали астрономических объектов, которые скрыты глубоко в том, что мы считаем теневыми участками нормальной фотографии.

Для полного контроля над процессом получения цифрового изображения необходимо хотя бы в общих чертах представлять себе устройство и принцип работы цифрового фотоаппарата.

Единственное принципиальное отличие цифровой камеры от плёночной заключается в природе используемого в них светочувствительного материала. Если в плёночной камере это плёнка, то в цифровой – светочувствительная матрица. И как традиционный фотографический процесс неотделим от свойств плёнки, так и цифровой фотопроцесс во многом зависит от того, как матрица преобразует свет, сфокусированный на неё объективом, в цифровой код.

Принцип работы фотоматрицы

Светочувствительная матрица или фотосенсор представляет собой интегральную микросхему (проще говоря, кремниевую пластину), состоящую из мельчайших светочувствительных элементов – фотодиодов.

Существует два основных типа сенсоров: ПЗС (Прибор с Зарядовой Связью, он же CCD – Charge-Coupled Device) и КМОП (Комплементарный Металл-Оксид-Полупроводник, он же CMOS – Complementary Metal-Oxide-Semiconductor). Матрицы обоих типов преобразовывают энергию фотонов в электрический сигнал, который затем подлежит оцифровке, однако если в случае с ПЗС матрицей сигнал, сгенерированный фотодиодами, поступает в процессор камеры в аналоговой форме и лишь затем централизованно оцифровывается, то у КМОП матрицы каждый фотодиод снабжён индивидуальным аналого-цифровым преобразователем (АЦП), и данные поступают в процессор уже в дискретном виде. В целом, различия между КМОП и ПЗС матрицами хоть и принципиальны для инженера, но абсолютно несущественны для фотографа. Для производителей же фотооборудования имеет значение ещё и тот факт, что КМОП матрицы, будучи сложнее и дороже ПЗС матриц в разработке, оказываются при этом выгоднее последних при массовом производстве. Так что будущее, скорее всего, за технологией КМОП в силу чисто экономических причин.

Фотодиоды, из которых состоит любая матрица, обладают способностью преобразовывать энергию светового потока в электрический заряд. Чем больше фотонов улавливает фотодиод, тем больше электронов получается на выходе. Очевидно, что чем больше совокупная площадь всех фотодиодов, тем больше света они могут воспринять и тем выше светочувствительность матрицы.

К сожалению, фотодиоды не могут быть расположены вплотную друг к другу, поскольку тогда на матрице не осталось бы места для сопутствующей фотодиодам электроники (что особенно актуально для КМОП матриц). Восприимчивая к свету поверхность сенсора составляет в среднем 25-50 % от его общей площади. Для уменьшения потерь света каждый фотодиод накрыт микролинзой, превосходящей его по площади и фактически соприкасающейся с микролинзами соседних фотодиодов. Микролинзы собирают падающий на них свет и направляют его внутрь фотодиодов, повышая таким образом светочувствительность сенсора.

По завершении экспонирования электрический заряд, сгенерированный каждым фотодиодом, считывается, усиливается и с помощью аналого-цифрового преобразователя превращается в двоичный код заданной разрядности, который затем поступает в процессор фотоаппарата для последующей обработки . Каждому фотодиоду матрицы соответствует (хоть и не всегда) один пиксель будущего изображения.

Спасибо за внимание!

Василий А.

Post scriptum

Если статья оказалась для вас полезной и познавательной, вы можете любезно поддержать проект , внеся вклад в его развитие. Если же статья вам не понравилась, но у вас есть мысли о том, как сделать её лучше, ваша критика будет принята с не меньшей благодарностью.

Не забывайте о том, что данная статья является объектом авторского права. Перепечатка и цитирование допустимы при наличии действующей ссылки на первоисточник, причём используемый текст не должен ни коим образом искажаться или модифицироваться.