Фиксация изображения в цифровой фотокамере

Основное отличие пленочного фотоаппарата от цифрового содержится в методе фиксации света, прошедшего через объектив. В том месте, где в классических пленочных фотоаппаратах находится пленка, у цифровой камеры находится электронная матрица со светочувствительными элементами. Именно на поверхности электронно-оптического преобразователя (матрицы) создается изображение, которое после этого преобразовывается в электрические сигналы, обрабатываемые процессором камеры.

От матрицы цифрового фотоаппарата зависит не только уровень качества приобретаемых фотографий, но и цена самой камеры. Что же собой воображает светочувствительная матрица и как именно создается цветное изображение в цифровом фотоаппарате?

 Матрица: типы и принцип работы

Светочувствительная матрица есть главным элементом любой современной цифровой камеры. Ее возможно назвать «сердцем» цифрового фотоаппарата. В случае если же сравнивать камеру с людской глазом, то матрица – это сетчатка цифрового аппарата, на которой оптический сигнал преобразуется в цифровое изображение. Матрица либо сенсор является сложно структурированную пластинку из полупроводникового материала.

На данной микросхеме имеется упорядоченный массив светочувствительных элементов. Миллионы таких светочувствительных элементов либо пикселов изолированы друг от друга и формируют лишь одну точку изображения. Необходимо подчернуть, что, не обращая внимания на высокую точность в изготовлении матриц цифровых фотоаппаратов, любой сенсор по собственному неповторим и потому двух совсем однообразных камер по собственному характеру не существует.

Главная задача матрицы фотоаппарата содержится в том, дабы обеспечить преобразование оптического изображения в электрическое. При спуске затвора фотоаппарата на миллионы маленьких ячеек попадает свет, на них накапливается заряд, что, конечно, разнится в зависимости от количества света, попавшего на данную ячейку матрицы. Эти заряды передаются на электрическую схему, которая призвана усилить их и преобразовать в цифровой вид.

Усиление сигнала выполняется в соответствии с настройками чувствительности ISO, выбираемых камерой машинально либо самостоятельно устанавливаемых пользователем. Чем больше выбираемая чувствительность ISO отличается от настоящей светочувствительности матрицы, тем посильнее сигнал. Но усиление сигнала может очень плохо сказаться на итоговом изображении – появляется так называемый «шум» в виде случайных помех.

Фиксация изображения в цифровой фотокамереМатрица фотокамеры Nikon D40

На сегодня при производстве светочувствительных матриц для цифровых фотоаппаратов употребляются, в основном, две технологии – CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) и CCD (Charge Coupled Device). В русском переводе эти два типа сенсоров известны как КМОП и ПЗС-матрицы.

КМОП-матрицы изготавливаются из комплементарных металлооксидных полупроводниковых материалов. Их главная изюминка пребывает в том, что они могут считывать и усиливать световой сигнал с любой точки собственной поверхности. КМОП-матрица может преобразовывать заряд в напряжение сходу в пикселе.

Эта особенность разрешает существенно повысить скорость работы фотоаппарата при обработке информации с матрицы.

Помимо этого, подобная разработка позволяет интегрировать матрицы конкретно с аналогово-цифровым преобразователем (АЦП), что снабжает удешевление цифрового фотоаппарата за счет некоего упрощения его конструкции. Плюс ко всему, КМОП-матрицы отличаются более низким энергопотреблением. Но у них имеется значительный недочёт – чтобы повысить светочувствительность матрицы и улучшить, тем самым, уровень качества изображения производителям приходится значительно увеличивать физические размеры сенсора.

ПЗС-матрицы взяли громадное распространение в современных цифровых фотоаппаратах любительского и опытного уровня кроме того не обращая внимания на то, что они отличаются чуть большей трудоемкостью в производстве. Принцип работы таковой матрицы основывается на построчном перемещении накопленных зарядов.

  В ходе считывания заряда осуществляется перенос зарядов к краю матрицы и в сторону усилителя, что потом передает усиленный сигнал в аналогово-цифровой преобразователь (АЦП). Потому, что информация из ячеек считывается последовательно, то сделать следующий снимок возможно лишь по окончании того, как прошлое изображение организовано полностью. Одновременно с этим преимуществом ПЗС-матриц являются их относительно маленькие размеры.

ПЗС-матрицы, применяемые в современных цифровых фотоаппаратах, по собственной конструкции делятся на полнокадровые, с буферизацией кадра, буферизацией столбцов, с прогрессивной разверткой, чересстрочной разверткой и с обратной засветкой. К примеру, в чересстрочных ПЗС любой пиксель владеет как приемником света, так и областью для накапливания заряда. Со своей стороны, в полнокадровых матрицах целый пиксель делает функцию приема светового потока, а каналы передачи заряда запрятаны под пиксель.

Достаточно продолжительное время считалось, что ПЗС-матрицы владеют большей светочувствительностью, более широким лучшей устойчивостью и динамическим диапазоном к шумам, если сравнивать с КМОП-сенсорами. Исходя из этого цифровые фотоаппараты с ПЗС-матрицами употреблялись в том месте, где требуется обеспечить высокий уровень качества изображения, а камерам с КМОМ-сенсорами отводилась роль недорогих любительских устройств.

Но за последние годы производителям благодаря улучшения качества кремниевых схемы и пластин усилителя удалось значительно повысить характеристики КМОП-матриц. И сейчас по качеству изображения камеры на базе КМОП-матриц фактически ни в чем не уступают фотоаппаратам, в которых употребляются ПЗС-сенсоры.

Новейшие КМОП-сенсоры способны обеспечивать опытное уровень качества снимков. А потому с позиций качества фотоизображения, фактически, тип матрицы уже мало о чем говорит, значительно более серьёзным причиной являются конкретные характеристики данного сенсора — его физические размеры, разрешающая свойство, светочувствительность, соотношение сигнал — шум.

Как мы уже узнали, матрица цифрового фотоаппарата складывается из огромного количества светочувствительных полупроводниковых элементов прямоугольной формы, именуемых пикселями. Любой таковой пиксель собирает электроны, появляющиеся в нем под действием фотонов, пришедших от источника света. Но как же происходит процесс формирования изображения матрицей фотоаппарата?

В упрощенном виде об этом возможно поведать на примере ПЗС-матрицы. На протяжении экспозиции кадра, регулируемой посредством затвора фотоаппарата, любой пиксель неспешно заполняется электронами пропорционально тому количеству света, которое попало на него. Потом затвор фотоаппарата закрывается, и столбцы с накопленными в пикселях электронами начинают сдвигаться к краю сенсора, где размещается подобный измерительный столбец.

В этом столбце заряды сдвигаются уже в перпендикулярном направлении и, в конечном итоге, попадают на измерительный элемент. В нем создаются  микротоки, пропорциональныепопавшим на него зарядам. Благодаря таковой схеме делается вероятным выяснить не только значение накопленного заряда, но и какому пикселю на матрице, другими словами номер столбца и номер строки, он соответствует.

На базе этого строится картина, соответствующая сфокусированному на поверхности светочувствительной матрицы изображению. В матрицах, выстроенных по разработке КМОП, заряд преобразуется в напряжение прямо в пикселе, по окончании чего он бывает считан электрической схемой фотоаппарата.

Формирование цветного изображения

Сенсоры цифровых фотоаппаратов способны реагировать лишь на силу попадающего на них света. Другими словами они смогут определять только градации интенсивности света — от всецело белого до всецело тёмного. Чем больше фотонов попало на пиксель, тем, соответственно, выше яркость света. Но как при таких условиях цифровой фотоаппарат выявит цветовые оттенки?

В классических пленочных фотокамерах употребляется негативная пленка, складывающаяся из трех слоев, каковые разрешает пленке сохранять разные цветовые оттенки света. В цифровых же камерах реализуются иные технические ответы для создания цветного изображения.

Чтобы сенсор цифрового фотоаппарата имел возможность различать цветовые оттенки, над его поверхностью устанавливают блок микроскопических светофильтров. В случае если в матрице употребляются микролинзы, служащие для дополнительной фокусировки света на пикселях с целью увеличения их чувствительности, то фильтры размещаются между ячейкой и каждой микролинзой.

Как известно, любой цвет в спектре возможно взять методом смешения всего нескольких главных цветов (красного, зеленого и светло синий). Распределение светофильтров по поверхности сенсора для создания цветного изображения возможно различным, в зависимости от выбранного метода. В большинстве цифровых фотоаппаратов сейчас используется цветовая модель Байера (Bayerpattern).

В рамках данной совокупности цветовые фильтры над поверхностью матрицы находятся вперемежку между собой, в шахматном порядке. Причем количество зеленых фильтров вдвое больше, чем красных либо светло синий, потому, что человеческий глаз более чувствителен к зеленой части светового спектра. В следствии, получается так, что синие фильтры и красные находятся между зелеными.

Шахматный порядок в размещении фильтров нужен чтобы однообразные по цвету изображения получались независимо от того, как пользователь держит фотокамеру – вертикально либо горизонтально.

Цветовая модель Байера (ист. www.figurative.ru)

Так, цвет каждого пикселя определяется закрывающим его светофильтром. В получении информации о цвете участвуют все экспонированные элементы ячейки. Само же цветное изображение строится электроникой камеры уже по окончании того, как снимаемый с ячеек сенсора камеры электрический сигнал преобразуется в цифровой код аналого-цифровым преобразователем (АЦП).

Но, КМОП-сенсоры смогут и самостоятельно обрабатывать цветовую составляющую сигнала.

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП)

Как мы уже осознали, работа светочувствительной матрицы тесно связана с аналого-цифровым преобразователем камеры (АЦП). По окончании того, как любой из миллиона светочувствительных элементов матрицы преобразует энергию падающего на него света в заряд, данный накопленный заряд улучшается до нужного уровня для его обработки аналого-цифровым преобразователем.

Аналогово-цифровой преобразователь – это устройство, несущее ответственность за преобразование входного аналогового сигнала в цифровой сигнал.  АЦП переводит аналоговые размеры взятого каждым светочувствительным элементом заряда в цифровые размеры, каковые потом автоматика камеры, например, встроенный процессор, приобретает уже в бинарном коде.

Основной чёртом АЦП есть его разрядность, другими словами количество дискретных уровней сигнала, каковые кодируются преобразователем. К примеру, одноразрядный аналогово-цифровой преобразователь может классифицировать сигналы светочувствительных  датчиков лишь как тёмные (0) либо белые (1). А восьмиразрядный АЦП способен выстроить уже 256 разных значений яркости для каждого датчика.

В современных моделях цифровых фотоаппаратов с сенсорами громадного размера употребляются 12-, 14- или 16-разрядные аналого-цифровые преобразователи. Высокая разрядность установленного в камере АЦП может свидетельствовать о том, что этот цифровой фотоаппарат способен создавать изображения с широким тональным и динамическим диапазонами.

По окончании того, как АЦП выполнит преобразование аналоговых напряжений, взятых с датчиков, в бинарную кодированную метку, складывающуюся из единиц и нулей, он передает эти оцифрованные эти нацифровой процессор сигналов камеры. В процессоре эти сведенья уже преобразуются в цветную картину в соответствии с внесенными производителем методами, включающими в себя, например, определение присвоения точек и координат изображения им определенного цветового оттенка.

При построении цветового изображения встроенная электроника камеры снабжает регулировку яркости, насыщенности и контрастности картины. Кроме этого она убирает с него шумы и различные «помехи».

Непременно, сенсор и связанный с ним аналого-цифровой преобразователь – это не единственные составляющие цифровой камеры, каковые определяют ее уровень качества. Оптика, другие элементы и электроника кроме этого крайне важны для высококачественного обеспечения создаваемых фотоизображений. Однако, уровень современного цифрового фотоаппарата принято определять как раз исходя из технического совершенства установленной в нем светочувствительной матрицы.

Более того, развитие фототехники в целом сейчас во многом определяется скоростью разработки все более идеальных сенсоров.

  Источник: Фотокомок.ру – обзоры и тесты фотоаппаратов (при цитировании либо копировании активная ссылка необходима)

Видеография e03: Панорамирование при Съемке Видео на Цифровую Фотокамеру — Kaddr.com


Интересно почитать:

Самые интересный результаты подобранные по Вашим интересам: