7.04.2022 р.

Тема: Принцип роботи цифрового фотоапарату

Принцип дії цифрової фотокамери

Фотографія насамперед пов'язана зі світлом. Розглянемо малюнок. Світло від сонця або штучного джерела (1) спочатку відбивається від сцени, яка знаходиться перед об'єктивом фотокамери, а потім проходить через об'єктив (2) і, якщо він є, затвор (7) (про затвори ви дізнаєтеся трохи пізніше в цій темі) до задньої стінки корпусу камери - на матрицю (сенсор) (8). У дзеркальній фотокамері (DSLR), до натискання на кнопку спуску затвора, світло, яке відбиває дзеркало (3), проходить через призму (4) і потрапляє в видошукач (5). При зйомці дзеркало піднімається і світло потрапляє на матрицю, як в компактній камері. У деяких дзеркальних камерах Sony дзеркало нерухоме, напівпрозоре (SLT камери).

Цей процес аналогічний проходженню світла через кришталик ока до колбочок і паличок, розташованих на задній стінці ока, а також до зорових нервів. Коли ж світло досягає задньої стінки корпусу фотокамери, він потрапляє на чутливий елемент (датчик зображення), який перетворює світло в електричну напругу. Потім отримана таким чином інформація обробляється процесором для виключення перешкод, розрахунку значень кольору, формування файлу даних зображення і запису цього файлу на носій інформації (карту для зберігання цифрових зображень). Після цього фотокамера готується до експонування наступного зображення.

Весь цей процес, протягом якого величезна кількість інформації обробляється і записується на носій, відбувається досить швидко.

Основні елементи, з яких складається цифрова фотокамера

• 

  Об'єктив

  Об'єктив фотокамери є дуже складною конструкцію. Як правило, він складається з цілого ряду скляних лінз, які заломлюють і фокусують світло, що надходить в об'єктив. Завдяки цьому збільшується зображення сцени, яка знімається, і здійснюється фокусування на конкретній точці.

• Видошукач і екран рідкокристалічного зображення (РКЗ)

  Видошукач дозволяє бачити зображення в момент його зйомки і деякі з параметрів зйомки, і має вигляд невеликого вікна, в яке спостерігається сцена зйомки. З його допомогою уточнюється композиція безпосередньо перед зйомкою.

  

  Екран РКЗ забезпечує попередній перегляд знімків перед їх отриманням, а також подальший перегляд і аналіз щойно зроблених кадрів щодо правильності встановленої експозиції і композиції або для показу їх оточуючим. Крім того, на екрані РКЗ можуть бути переглянуті будь-які зроблені раніше знімки.

  У цифрових фотокамерах екран РКЗ також може виконувати функцію видошукача. Замість того, щоб підносити фотокамеру до ока для створення композиції сцени, що знімається, підготувати її до зйомки можна в будь-якому положенні, спостерігаючи на екрані РКЗ зображення ще до того, як воно буде зафіксоване. Один з недоліків екранів РКЗ полягає у високому споживанні енергії від батареї живлення фотокамери. Крім того, переглядати зображення на екрані РКЗ в сонячний день на вулиці практично неможливо.

  Незважаючи на всі перераховані вище переваги екрану РКЗ, в цифровому фотоапараті іноді корисним виявляється і видошукач. Зокрема, коли заряд батареї живлення майже вичерпано і недоцільно витрачати дорогоцінну енергію на живлення екрану РКЗ. У будь-якому разі, видошукач як і раніше служить зручною альтернативою екрану РКЗ при створенні композиції фотографії. Що стосується дзеркальних цифрових фотокамер, то видошукач і екран РКЗ показують одне і те саме зображення, оскільки в цьому випадку для проеціювання зображення з об'єктива в видошукач використовуються дзеркала. У компактних цифрових фотокамерах видошукач служить в якості простого вікна, в яке видно сцену зйомки, а не зображення, яке відбивається через об'єктив для попереднього перегляду. Але, оскільки видошукач знаходиться не в тому місці де й об'єктив, перспектива, яка спостерігається в нього, виявляється дещо іншою.

• Затвор

  Затвор являє собою складний механізм, який точно керує тривалістю проходження світла через об'єктив до плівки або цифрового чутливого елемента, розташованого на задній стінці корпусу фотокамери.

  У цифровому фотоапараті затвор в традиційному сенсі може і не знадобитися, це залежить від типу використовуваного датчика зображення. Так як датчик зображення цифрової фотокамери є електронним приладом, а не світлочутливою хімічною речовиною, він може вмикатися або вимикатися електронними засобами. Отже, необхідність наявності механічного затвору, який керує надходженням світла в фотокамеру, відпадає. Проте, для деяких типів фотокамер затвор все ж таки потрібен, хоча в багатьох моделях цифрових фотокамер механічний затвор не застосовується.

  Незалежно від наявності або відсутності механічного затвору, в цифровому фотоапараті, як і раніше, необхідний механізм для керування експонуванням зображення, а також кнопка спуску затвора. При натисканні кнопки спуску затвора активізується цілий ряд дій, які приводять у результаті до отримання остаточного зображення. Перш за все, необхідно зарядити датчик зображення, щоб підготувати його до сприйняття світла з об'єктиву.

• Кнопки для настроювання фотокамери

  

  На корпусі камери є декілька кнопок, важелів, дисків, призначення яких найкраще описано в інструкції до фотокамери. Більшість з них служать для підготовки фотокамери до зйомки, її налаштування і, безпосередньо, зйомки.

  До них відносяться: установка режиму автоматичного фокусування, вибір відповідного балансу білого для забезпечення правильної передачі кольорів сцени зйомки в залежності від виду освітлення, яке використовується, вибір режиму експозиції і т.д.

• Датчик зображення

  

  Датчик зображення складається з мільйонів окремих світлочутливих пікселів. У цих пікселях, по суті, виконується перетворення світла в електричну напругу.

  Незважаючи на те, що цифрові фотокамери дозволяють робити багатобарвні знімки, їх датчики зображення не сприймають колір. Вони здатні реагувати тільки на відносну яскравість сцени. Для обмеження спектра світла, на який реагує кожен піксель датчика зображення, застосовуються спеціальні кольорові світлофільтри. Таким чином, в кожному пікселі може бути зареєстрований тільки один з трьох основних кольорів (червоний, зелений або синій), які необхідні для визначення остаточного кольору пікселя. А для визначення значень двох інших основних кольорів кожного пікселя застосовується інтерполяція кольору.

• Вбудований спалах

  

  Вбудований спалах є в більшості моделей цифрових фотокамер. Безумовно, це дуже зручно, оскільки світла в навколишніх умовах часто не вистачає. З іншого боку, спалахи, вбудовані в більшість фотокамер, далеко не завжди виявляються практичними. Почасти це пов'язано з відсутністю контролю вбудованого спалаху. Адже в більшості моделей цифрових фотокамер не можна регулювати потужність вбудованого спалаху, і тому, при оцінці рівня освітлення, доводиться повністю покладатися на фотокамеру.

  Неможливість регулювати потужність і положення вбудованого спалаху перетворюється на серйозну перешкоду при зйомці об'єктів, розташованих близько до фотокамери. В цьому випадку спалах занадто сильно висвітлює сцену, а зображення виходить надмірно контрастним. Через те, що вбудований спалах знаходиться дуже близько до об'єктиву, на знімках часто виникає ефект "червоних очей". Для установки на фотокамеру зовнішнього спалаху та іншого необхідного обладнання (видошукача при його відсутності в камері, мікрофону і т.д.) служить роз'єм "гарячий башмак".

• 

  Носії цифрової інформації

  У цифровому фотоапараті кожне зафіксоване зображення записується на карту-носій цифрової інформації. В певній мірі ця карта замінює плівку (і тому іноді називається цифровою плівкою), однак у неї є свої особливості.

  Носії цифрової інформації бувають найрізноматнініших форм і розмірів: від формату книги до величини пластинки жувальної гумки і навіть менше. А в деяких пристроях навіть є можливість використання декількох типів носіїв, яка надає додаткові зручності.

• Живлення цифрового фотоапарату

  

  

  Як джерело живлення в цифрових фотоапаратах найбільш часто застосовуються акумуляторні елементи - акумулятори. За розмірами корпусу елементи поділяються на кілька типів. У цифровій знімальній техніці застосовуються елементи формату ААА і АА (кажучи простіше "найтонші" і "тонкі батарейки") або є фірмовий, не сумісний з камерами інших виробників, конструктив. Розміщуються елементи живлення в спеціальному відсіку камери.

  У дзеркальних і деяких фотокамерах зі змінною оптикою застосовуються батарейні блоки, де розміщені кілька акумуляторів, використання яких значно збільшує час автономної роботи фотоапарата.

Класифікація цифрових фотоапаратів

Дзеркальні фотоапарати.
Дзеркальними вони називаються через те, що візування в них здійснюється через оптичний видошукач, який має в своїй конструкції дзеркало. Така конструкція зумовила відносно великі габарити і високу вартість камер даного типу. Однак тут є і очевидні плюси - це змінні об'єктиви і велика матриця, як правило, порівнянна за розмірами зі стандартним плівковим кадром 24х36 мм, або вдвічі менше в камерах формату APS-C. Велика матриця дозволяє знімати з високою чутливістю (вона вимірюється в одиницях ISO), тому дзеркальний фотоапарат може стати оптимальним варіантом для зйомки при недостатньому освітленні. Крім того, дзеркальні камери є найбільш функціонально насиченими і найчастіше саме їх називають "професійними".

Псевдодзеркальні фотоапарати.
За розмірами псевдодзеркальні камери схожі на дзеркальні початкового рівня, але поєднують у собі простоту викотристання компактного фотоапарата і досить високе технічне оснащення. Псевдодзеркальні фотоаарати, як правило, оснащуються об'єктивом з великою кратністю зума й повністю ручними налаштуваннями. Більшість псевдодзеркальних камер дозволяють використовувати додаткове обладнання, наприклад, зовнішні фотоспалахи, різні фільтри й насадки на об'єктив.

Гібридні фотоапарати (бездзеркальний фотоапарат зі змінним об'єктивом).
Гібридні камери з'явилися в продажу зовсім недавно і є чимось середнім між дзеркальними фотоапаратами і компактними "мильницями". Від перших вони успадкували велику матрицю, змінну оптику, а також багатий функціонал, однак їм не дісталося головного - оптичного видошукача і дзеркала. Як і в компактах, візування в гібридних камерах здійснюється з допомогою дисплея або через електронний видошукач. Як наслідок, гібридні моделі мають порівняно невеликі габарити і забезпечують високу якість зображення.

Компактні фотоапарати.
Компактні фотоапарати орієнтовані на не дуже досвідчених і вимогливих покупців. Завдяки застосуванню маленьких матриць, виробникам вдалося в рази знизити вартість таких моделей в порівнянні з дзеркальними. Компакти завжди оснащені незмінним об'єктивом. Втім, сьогодні можна знайти моделі з об'єктивами на будь-який смак - від ширококутних світлосильних фіксів до суперзумів з кратністю 26х. На жаль, компакти значно програють дзеркальним фотоапаратам в якості зображення (особливо при зйомці з високою чутливістю), що пояснюється малими розмірами матриць і застосуванням дешевої оптики.

Основні етапи створення цифрового фото

Зйомка

Професійна фотографія починається з приблизного сценарію або плану зйомки. Такий план може містити перелік запланованих сцен та попутні нотатки щодо умов зйомки. Важливу подію завжди слід знімати з різних точок зйомки. Пізніше, при редагуванні, можна буде вибрати найкращі точки зйомки або з'єднати їх.

При будь-якій зйомці фотокамеру бажано стабілізувати. Можна отримати стабільну картинку без використання триноги. Для цього потрібно правильно тримати камеру під час руху. Тримайте її двома руками. Це зменшить тряску, на відміну від утримування однією рукою. Використовуйте свої ноги для поглинання коливань. Зігніть коліна трохи більше звичайного і зменште центр тяжіння.

Одна з грубих помилок зйомки полягає в занадто частому використанні збільшення (зуму). Для крупного плану краще просто підійти ближче до об'єкту. Друга поширена помилка полягає у відмові від РК-дисплея під час зйомки. Цифрова камера - це пристрій WYSIWYG (що бачиш на екрані, то отримаєш на плівці). Якщо ви бачите потрібний об'єкт на РК-дисплеї або видошукачі, він буде і на плівці.

Передача даних на комп'ютер

Після закінчення зйомки необхідно завантажити ваші знімки на комп'ютер для їх редагування. Для цього ви можете скористатися USB-інтерфейсом та програмними можливостями ОС Windows. З'єднайте вашу камеру та комп'ютер кабелем USB – операційна система виявить ваш накопичувач інформації та дозволить вам скинути дані з фотоапарата в ПК також як зі звичайного диска. Потрібен незначний час, щоб весь графічний матеріал був перенесений на ваш вінчестер.

Редагування

Наступний крок вашої роботи – редагування фотозображень. Редагування передбачає вмілу корекцію дефектів відзнятого вами матеріалу. Шлюб видаляють, а вдалі знімки доводять до досконалості.

Програмне забезпечення з редагування знятого матеріалу дозволяє не тільки переглянути, повернути та обрізати фотографії, але й додати у ваші знімки рамки, спецефекти та текст. Найкраща програма для редагування цифрових фотографій – Adobe Photoshop. Ви можете також спробувати кілька різних програм, наприклад, Paint Shop Pro або CorelPHOTO-PAINT, а потім вибирати те, що підійде вам найкраще.

Монтаж

У процесі редагування знімків ви можете зробити їх фотомонтаж (колаж). Наприклад, вашу фотографію з невдалої риболовлі ви можете змінити, додавши у свій знімок величезну щуку, взяту з Інтернету.

Ефекти

У процесі редагування фотографій до них можна додати різні комп'ютерні ефекти, що змінюють ваше зображення за спеціальним алгоритмом (дим, спалахи, стилізація, краплі води тощо).

Написи

Нанесення тексту на фотографії можна виконати за допомогою будь-якого графічного редактора, наприклад, Adobe Photoshop. Якщо вам потрібно щось особливе, наприклад тривимірні шрифти або літери, що горять вогнем, можна застосувати спеціальні плагіни (plugins) або особливі програми, наприклад, Xara 3D . Написи повинні бути естетичними, смисловим чином виправдані і викликати інтерес людини, яка їх дивиться.

Звук

При створенні фотографій слайд-шоу, а також галерей, до них можна додати і звук. Звук має відповідати фотоматеріалу. Вибирайте відповідну музику – правильна музика додасть якості вашому слайд-фільму та посилить його ідею.

Виведення та зберігання фотозображень

Ви можете вивести готові роботи на компакт-диск, створивши фото слайд шоу (VCD). Про способи створення VideoCD за допомогою програми Nero

Фотографія як джерело зображень у цифровій формі може бути оцифрована за допомогою сканера та в подальшому оброблена за допомогою редактора зображень на зразок Photoshop. Тут ми зупинимося на цифрових фотокамерах.

Безплівкові (цифрові) камери дуже схожі на традиційні фотокамери: у камерах обох типів є об'єктив, затвор та діафрагма. Фактично, у деяких професійних безплівкових камерах використовуються готові корпуси від 35 мм апаратів Nikon, Minolta або Canon. Відмінність полягає у внутрішньому пристрої або способі збереження зображення.

У традиційних фотокамерах зображення фокусується на плівці, покритій світлочутливим шаром кристалів галоїдного срібла. Потім плівка послідовно занурюється в розчини хімічних реактивів для прояву та фіксації відзнятого зображення.

У цифрових камерах зображення фокусується на фоточутливому кристалі напівпровідника, званому приладом із зарядним зв'язком (ПЗЗ). Прилад із зарядним зв'язком застосовуються також у сканерах, факсимільних апаратах і відеокамерах, хоча зазвичай якість більшості приладів із зарядним зв'язком для безплівкових камер вища і такі прилади, безумовно, дорожчі.

Мультимедійні програми та обладнання

Мультимедіасистеми у своїй основі є апаратно-програмні засоби інтерактивного доступу до масивів і баз даних різноформатної (мультимедійної) інформації, основними серед яких є звук, фото (статичне зображення) і відео (динамічний зображення). Мультимедійні системи не заперечують інтеграцію з класичними видами даних - табличні (бази даних) та текстові (інформаційно-пошукові системи), але основне навантаження при розробці мультимедійних додатків та їх використанні посідає перелічені основні види.

Процеси обробки мультимедійної інформації та функції відповідних інформаційних технологій систем, як завжди, включають такі етапи - збір та отримання інформації, обробка, редагування, зберігання та пошук, видача та подання користувачам. Відразу зазначимо, що проблема пошуку мультимедійної інформації дуже далека від свого рішення, оскільки вимагає високої формалізації її представлення (хоча такі спроби і відомі, наприклад, мультимедійний стандарт MPEG-7 або відомий аудіоформат MIDI). Тому тут мова піде в основному про проблеми отримання мультимедіаінформації в цифровій формі, перетворення на компактне уявлення (стиснення), редагування, вихідне представлення.

Прилад із зарядним зв'язком

Прилади із зарядним зв'язком, або charge coupled device (CCD), - технологія, що лежить в основі більшості цифрових камер, була запропонована ще в 1960 роках, коли йшли пошуки недорогих систем пам'яті для виробництва. Можливість використання приладів із зарядним зв'язком для зйомки зображень навіть не спадала на думку дослідникам, які працювали над технологією спочатку.

В 1969 У. Бойл і Джон Сміт (Bell Labs) запропонували використовувати прилади зарядового зв'язку для зберігання даних. Перше застосування приладів для зйомки – матриця з форматом 200 х 200 пікселів – була створена у 1974 році у Fairchild Electronics. Наступного року такі пристрої вже використовувалися в телекамерах для комерційних передач і стали звичайними в телескопах і медичних системах.

Прилад зарядного зв'язку працює подібно до електронної версії людського ока. Кожна матриця складається з мільйонів осередків, відомих як фототочки або фотодіоди, які перетворюють оптичну інформацію на електричний заряд. Коли світлові частинки (фотони) входять у кремній фотодіода, вони забезпечують достатньо енергії для генерації вільних електронів, кількість яких зростає з потоком світла. Якщо до фотодіода додана зовнішня напруга, виникає електричний струм.

Наступна стадія полягає у проходженні струмів через пристрій, відомий як регістр зчитування. Після того як заряд входить і потім виходить з регістру зчитування, він зникає і його місце переміщається наступний ззаду. Так утворюється послідовність сигналів, що передаються на підсилювач, а потім - аналого-цифровий перетворювач.

Фотодіоди матриці ПЗЗ фактично реагують на яскравість, а не на кольори освітлення. Колір додається до зображення за допомогою червоних, зелених та синіх фільтрів, розміщених поверх кожного пікселя. Оскільки людське око найбільш чутливе до жовто-зеленого діапазону, кількість зелених фільтрів у 2 рази більша, ніж червоних та синіх. Кожен піксель представляє лише один колір, і справжній колір створюється шляхом усереднення світлової інтенсивності навколишніх пікселів – процес, відомий як колірна інтерполяція.

Стиснення відеоінформації

Відеостиснення - метод видалення таких великих фрагментів даних, наскільки це можливо без зниження якості. Методи відеостиснення зазвичай призводять до втрат - тобто результат розшифровки не ідентичний спочатку закодованого сигналу. Зменшуючи роздільну здатність, колірну глибину і частоту кадрів, комп'ютери спочатку керували вікнами розміром у поштову марку, але потім були винайдені методи, щоб представити зображення більш ефективно і зменшити обсяг даних, не торкаючись розмірів зображення.

Методи з втратами зменшують обсяг потоку даних як шляхом складного математичного шифрування, так і через свідому вибіркову втрату візуальної інформації, яку людське око або мозок зазвичай ігнорує, і можуть призвести до відчутної втрати якості фільму. Стиснення «без втрат», навпаки, видаляє лише надмірну інформацію. Кодеки забезпечують відносини стиснення в межах від слабкого (2:2) до дуже сильного (200:2), створюючи можливість мати справу з величезною кількістю відео. Чим вище відношення стиснення, тим гірше вихідне зображення. Колірна достовірність зникає, на картині з'являються артефакти та шуми, межі об'єктів розмиваються, і врешті-решт результат виявляється «недивним».

До кінця 2990-х років. основні методи базувалися на алгоритмі із трьома стадіями, відомому як дискретне косинусне перетворення (ДКП або DСТ).

Дискретне косинусне перетворення використовує факт, що розташовані поруч пікселі - або геометрично (суміжні на одному кадрі), або в часі (у послідовних зображеннях) - можуть мати аналогічні значення. Математичне перетворення (подібне до перетворення Фур'є) виконується на блоках розміру 8х8 пікселів. Потім здійснюється зміна вагових коефіцієнтів різних частотних складових сигналу. Загальноприйнято, що з візуальних систем низькочастотні компоненти важливіші, ніж високочастотні, тому видаляються ті, які найменше спотворюють візуальну інформацію залежно від необхідного рівня стиснення. Наприклад, втрата 50 відсотків перетворених даних може скінчитися втратою лише 5 відсотків візуальної інформації. Потім проводиться ентропійне зашифровування (технологія без втрат), яка видаляє всі справді непотрібні біти.