1.4.5. Оптические системы в цифровой фототехнике
В цифровой фотографии (ЦФ), как правило, используются оптика и механизмы традиционных фотоаппаратов, фотопленка заменена электронными светочувствительными элементами. Оптическая система является входным звеном любой цифровой аппаратуры, фильтром низких пространственных частот. В сочетании с ПЗС, объектив определяет качество съёмки.
В качестве оптических систем в любительских цифровых фотоаппаратах используются универсальные объективы. Универсальные объективы имеют средние значения, относительные отверстия не превышают 1,28 при углах зрения 50–60°. Наибольшее распространение получили трёхлинзовые объективы "Триплет", и их модификации – четырёхлинзовые объективы "Тессар". Оптическую схему представляют шесть преломляющихся поверхностей и два воздушных промежутка между линзами. Такая конструкция создаёт простейший анастигмат, в котором представлены все аберрации: как монохроматические так и хроматические а при необходимости могут быть одновременно корригированы и аберрации термооптические. Выбор стёкол в большей степени предопределяет пределы поля зрения и светосилы объектива.
Параметры, которыми определяются потребительские свойства объективов давным-давно определенны, и не являются загадкой цифры, которые можно встретить на объективах фото и видеокамер. Две цифры – указывают на то, что объектив имеет переменное фокусное расстояние. При смене фокусного расстояния меняется угол обзора. Чем больше фокусное расстояние, тем меньше угол обзора. И наоборот, чем оно меньше, тем угол обзора больше. На изменении фокусного расстояния осуществляется оптический zoom объектива, чем меньше фокусное расстояние, тем больше zoom. Определить, zoom можно легко высчитать, поделив большее значение фокусного расстояния на меньшее. Так, например, объектив с фокусным расстоянием f = 3.6~36 mm имеет zoom 10x, а с фокусным расстоянием f = 4.1~73.8 mm имеет зум 18x. Значения фокусного расстояния напрямую зависят от размера ПЗС. Геометрические размеры матрицы определяет, какого максимального формата можно получить изображение.
Фокусное расстояние и зум . Фокусное расстояние характеризует охват снимаемого пространства камерой. Если оно меньше 50 мм, то камера предназначена для съёмки с широким углом зрения. Если больше 50 мм (например, 80 или 100 мм), то угол зрения уменьшается и создаётся впечатление что камера как бы "наезжает" на удалённый объект. При фокусном расстоянии 50 мм охват пространства близок к естественному восприятию глаза. Отношение "длинного" фокусного расстояния к "короткому" называется кратностью зума . Оно обычно указывается на объективе. У камер с большим зумом при съёмках в крайних его значениях возникают различные искажения (изменение пропорций предметов, возникновение цветной окантовки вокруг резких границ и источников света). Самое хорошее качество снимков наблюдается у камер с фиксированным фокусным расстоянием.
Зум-объектив (zoom) из четырех групп линз. Зум-объектив стандартной конфигурации имеет четко разграниченные функции четырех групп линз: фокусировочная группа; группа изменение увеличения; группа коррекции; группа формирования изображения. Две группы – изменения увеличения и коррекции – двигаются во время изменения фокусного расстояния. Поскольку при такой конструкции легко достичь кратности изменения фокусного расстояния с большим увеличением, она обычно используется в объективах кинокамер и в теле зум-объективах однообъективных зеркальных фотоаппаратах.
Методическое обеспечение
Основные понятия : главное фокусное расстояние; светосила; разрешающая способность объектива; мира; нормальный объектив; узкоугольный объектив; широкоугольный объектив; сверхширокоугольный объектив; зум-объектив; телеобъектив; асферическая линза; симметричные объективы; двойные объективы; триплет; дисперсные линзы; положительные линзы.
Контрольные вопросы и задания
1. Строение глаза человека?
2. Что такое аккомодация?
3. Принципы образования изображения?
4. 4.Что такое разрешающая способность объектива?
5. 5.Виды объективов?
6. Виды и назначение линз в объективе?
7. Причина появления искажения в объективе?
8. Взаимосвязь фокусного расстояния и зума?
9. 9.В чём разница зум-обьектива, триплета и трансфокатора
10. Способы проверки качественно работы объектива
Задание. Посмотрите и выявите конструктивные отличия объективов на плёночных и цифровых аппаратах. Сфотографируйте один и тот же объект с разными объективами.
Глава 1.5. Цифровые фотографические камеры
1.5.1. Создание изображения в цифровой форме
В связи с развитием новых компьютерных технологий и создания нового оборудования, процесс изготовления фотографий перешёл на новый уровень развития – цифровой способ создания фотографического изображения. Современные цифровые фотокамеры являются видом аппаратуры – технического зрения, вооруженные мозгом-компьютером, аналогичного зрительному аппарату человека. Цифровой фотоаппарат – устройство, в котором светочувствительным материалом является матрица или несколько матриц, состоящая из отдельных пикселей, сигнал с которых представляется, обрабатывается и хранится в оцифрованном виде.
Фотография сейчас является наиболее совершенным техническим методом регистрации иллюстрационной информации. Для регистрации разной световой интенсивности снимаемых изображений в цифровых камерах применяются приборы с зарядовой связью (ПЗС). Изготовители некоторых ПЗС включают тысячи крошечных элементов (пикселей), сгруппированных либо в ряд ( линейный массив ), либо в прямоугольный блок ( матричный или площадной массив ).
Количество таких элементов колеблется от 350000 в камерах с разрешением 640х480 до 810000 и более в камерах 1024х768.
Теперь процесс создания аналогового фотографического изображения в цифровой форме состоит из двух основных этапов.
1. Сам процесс съемки специализированной цифровой фотокамерой, которая преобразует видимое световое изображение в цифровой вид и сохраняет в виде файлов на специальном материальном носителе – карта flash – памяти. Готовые кадры можно перенести в компьютер или даже переписать на видеокассету или вывести на телевизионный экран.
2. При необходимости цифровые изображения могут быть отредактированы в соответствующих программах. Для исправления ошибок, которые получились при фотографировании можно использовать программы редактирования изображений: Adobe Photoshop, HSC Live Picture, Fauve Xres, Micrografx Picture Publisher или Corel PhotoPaint. Там, где нужна оперативность, действительно лучше использовать цифровые камеры. Еще одна область применения цифрового фото – Web-дизайн. Так как практически все цифровые камеры используют Motion JPEG-компрессию и "родной" для них формат jpg весьма распространен в Интернете, то задача быстрого периодического обновления снимков на Web-сайте решается при помощи цифровой камеры очень легко. К тому же в Интернете редко требуются снимки с разрешением больше 320х240, иначе посетители вашей странички будут целый час ждать вывода изображения на экран.
Распечатывание с файла изображения на фото бумаге, с использованием высококачественного лазерного или струйного принтера.
Современное развитие технологии и состояние техники позволяет производителям изготовить фотоаппараты любой конструкции и конфигурации. Снимки можно просматривать сразу же на встроенном экране, который служит видоискателем при съемке. Камера может подключаться к телевизору стандарта PAL или NTSC, что очень удобно при проведении презентаций.
Поэтому с позиции фотографической индустрии, можно сказать: нет плохих фотоаппаратов – есть плохие фотографы. Пригодность каждой цифровой камеры для съемки статических или подвижных объектов, в условиях студии или в любой другой обстановке определяется технологией изготовления чувствительных элементов, режимом работы и способом хранения данных.
Современные цифровые фотоаппараты, видеокамеры и в последнее время в мобильных телефонах являются характерным видом аппаратуры, в которой нашли применение вышеуказанные достоинства.
При выборе фотоаппарата необходимо понимать предназначение техники.
Зачем тебе нужна эта модель? Что ты будешь на этом фотоаппарате снимать? Для какой цели нужны снимки? Какое качество фотографической продукции тебя и аудиторию удовлетворяет? Кто ты, любитель, который снимает, что увидел и захотел нажать на копку пуска? Или профессионал, который делает фотографии для СМИ по определённым законам композиции и жанра? Вы должны знать, что именно вы хотите снять. Хороший снимок должен сам говорить за себя. У начинающих "профессионалов" часто бывают случаи глубокого разочарования из-за неинтересного снимка. Заполняйте кадр объектом съемки, необходимо чтобы все пространство кадра было занято тем, что хотите снять, и по возможности, чтобы ничего лишнего там не было. Конечно, помните о возможностях своего фотоаппарата
Современные фотокамеры – это комбайны-автоматы , которые могут выполнять целый ряд основных операций:
– точная система автоматической фокусировки;
– режим специальных программных операций для автоматической съемки различных объектов и сюжетов с автоматической коррекцией экспозиции, обеспечивающий ночную, спортивную съемку, макросъемку;
– автоматический выбор режима с приоритетными выдержками, позволяющий "остановить" быстродействующий объект;
– автоматический режим медленной синхронизации с лампой-вспышкой.
Такой режим позволяет осуществлять регистрацию одновременного объекта, находящегося на переднем плане, и пейзажа на заднем плане без дополнительных искажений и определенных дефектов от лампы-вспышки;
– автоматический режим ослабления эффекта "красных глаз".
Характеристики цифровых камер позволяют установить любые параметры на входе аппаратуры воспроизведения, обработки и печати изображений.
Конечный результат цифровой фотографии – цифровой файл с изображением. Файл с цифровым изображением можно отправить любому пользователю Интернет, перенести на экран монитора, телевизора или другой цифровой носитель информации.
1.5.2. Первые опыты по созданию цифровых камер
Сведения о жидких кристаллах были получены к 1888 году. Австралийский учёный и ботаник обнаружил эти уникальные структуры, а его немецкий коллега Леманн, дал название этим структурам – "жидкий кристалл". В развитии первых образцов индикаторов на жидких кристаллах, на основании которых появилась технология создания жидкокристаллических матриц необходимо выделить исследователей Д. Фергасона и Р. Вильямса. За годы своего существования жидкокристаллические матрицы претерпели множество изменений и сильно эволюционировали, но применительно к ноубукам вершиной можно считать активную матрицу, которая изготовлена по технологии TFT (Thin Film Transistor – тонкоплёночный транзистор). Многие ведущие корпорации кинофотоиндустрии работают над усовершенствованием технологии изготовления матриц и созданию изображения, которое отвечает требованиям потребителя. В конце 1969 года Вильямом Брйлем и Джорджем Смитом был изобретён прибор с зарядовой связью (ПЗС, CCD – Charge Coupled Device), который позволял получать изображение. А в 1973 году в массовое производство были запущены ПЗС-сенсоры (ПЗС-матрицы).
Работы по созданию цифровой фототехники начались еще в середине 70-х годов прошлого века. Первые действующие образцы появились на свет в 1981 году (знаменитая MAVICA от компании Sony), первой настоящей цифровой камерой по праву считается Dycam Model 1, известная также под именем Logitech FotoMan FM. Много работала над созданием образцов цифровых фотоаппаратов компания Kodak. К 1995 году основные технические проблемы были решены и на рынке появилось большое количество цветных цифровых фотокамер. Выставка Photokina-96 проходившая в Кёльне, послужила стартовым сигналом для начала "мегапиксельной гонки", в которой приняли участие ведущие производители фототехники: Olympus; Nikon; Canon; Minolta; Pentax; Sony; Fuji; Casio; Epson.
Первые крупноформатные матричные ПЗС разработанные в США и Израиле (фирма Shell Case) применяются в кино и видеоаппаратах. Камеры такого типа подходят для съемки подвижных и неподвижных объектов и позволяют получать цифровые цветные изображения среднего разрешения.
Принцип действия цифровых камер может быть различным. В современных камерах в основном используется единая матрица, с микроскопическими фильтрами четырех типов на чувствительных элементах матрицы. Фотосенсор – светочувствительная ма́трица , это специализированная интегральная микросхема, объединяющая упорядоченный массив светочувствительных элементов и электронную схему оцифровки либо развёртки. Матрица преобразует оптическое изображение в электрическое и считывает электрический сигнал. ПЗС матрица характеризуется своими пространственно-частотными характеристиками, которые определяют весь возможный объем получаемой входной информации. Приемник изображения – ПЗС матрица могут работать в любой области спектра от ультрафиолета до теплого диапазона (8-20 мкм) невидимой области спектра (ночью). Оцифрованное изображение передается на компьютер с помощью дифференцированного SCSI интерфейса.
Современные цифровые цветные фото и видеокамеры необходимо подразделить на несколько категорий. Камеры низкого разрешения , имеют встроенные модули памяти, они обеспечивают ограниченное хранение информации.
Камеры промежуточного класса, позволяют создавать файлы цветных изображений, содержащие несколько мегабайт информации. Они могут сохранять информацию на смешанных носителях большой емкости или на карточках ФЛЭШ – памяти.
Студийные приборы высокого класса , позволяют получать цветные цифровые изображения особо высокого качества (Dicomed-Fild-Pro). Они характеризуются наибольшим разрешением и наилучшим качеством света.
Учитывая, что цифровые изображения имеют большой массив данных, обычно применяют операцию сжатия. Данную операцию аппаратура записывает на специальные носители – карты памяти.
1.5.3. Назначение цифровых камер
В целом все цифровые камеры разделяются на: любительские, полупрофессиональные, профессиональные. Профессиональные фотокамеры подразделяются на: репортажные, профессиональные камеры сканирующего типа, профессиональные портативные студийные цифровые камеры высшего класса.
Любительские цифровые камеры могут использоваться не только для реализации процесса фотографирования каждым желающим, но и для просмотра отснятых кадров на экране монитора. Полученные кадры после соответствующей обработки можно направлять в Интернет, что полностью соответствует современным требованиям при передаче информации в различные участки мира в реальном масштабе времени. Обычное разрешение этих камер не превышает значения 800000 пикселов. Например, с матрицей, имеющей 1024 х 768 элементов.
В настоящее время наукой разработаны и техникой освоены цифровые методы представления изображений с использованием различных одноэлементных и многоэлементных приемников излучения – Приборов с Зарядовой Связью (ПЗС) или в переводе с английского Charge-Сoupled Device (CCD). Светочувствительная матрица так называется микросхема, которая способна принимать световой поток и преобразовывать его в электрические сигналы-импульсы. Это "сердце" любой цифровой камеры, ведь именно ПЗС непосредственно принимает и обрабатывает изображение.
1.5.4. Параметры ПЗС (CCD) матрицы
В цифровой фотографии для получения изображения используются интегральные микросхемы (датчики). Матрица состоит из миллионов чувствительных элементов (датчиков), которые воспринимают и преобразуют световые переходы (контрасты) изображения в соответствующие перепады электрического сигнала. Эти электрические сигналы на Аналого – Цифровом Преобразователе (АЦП) преобразуются в цифровой вид информации. Такой электрический сигнал представляет определённую последовательность: ноль (нет изображения) единица (есть изображение).
Миллионы элементов для восприятия фильтрованных красного, зеленого и синего цветов или фотоэлементов (photosites) в большой матрице можно сравнить с колбочками в центре сетчатки глаза. Интенсивность освещения преобразуется в электрические сигналы как в глазе, так и в ПЗС. В ПЗС частицы света, называемые фотонами (photons), попадают на кремниевый элемент или на подложку элемента, давая дополнительную энергию, нужную для высвобождения атомами кремния отрицательно заряженных электронов. Каждый элемент имеет присоединенный к нему электрический контакт или элемент. При подводе к этому контакту определенного напряжения участок кремния под ним начнет захватывать свободные электроны, то есть он будет функционировать как емкость или приемник электронов. Общий отрицательный заряд свободных электронов, скопившихся в приемнике, пропорционален интенсивности света, поступающего к элементу
Формирование зарядов в ПЗС имеет линейную зависимость. Чем больше время экспозиции – время интеграции (integration time) – допустимое время накопления центрами формирования деталей фотоизображения до того, как они считываются и преобразуются в цифровые данные тем больше величина зарядов. Полностью заряженный или насыщенный элемент может вместить около 110000 электронов. Дальнейшее увеличение зарядов под действием света регистрироваться не будет, поэтому самые светлые из совещенных участков "выгорят" до белизны. Чтобы исключить такую проблему, заполнение элементов обычно производится до точки насыщения (saturation point). "Безопасно" приемлемый (full well) уровень насыщения установлен равным 90 %, что составляет примерно 100000 электронов. Минимальное значение насыщения, за которое зачастую принимается значение, близкое к стандарту ISO 100, основано на использовании этого приемлемого уровня. Переэкспонирование обычно приводит к образованию расплывчатого изображения (blooming). Этому, как правило, препятствует использование уровней насыщения ПЗС.
Цифровое изображение состоит из матрицы или растрового массива (bitmap) соприкасающихся пикселей (pixels) (элементов изображения), которые обычно представляют собой условные квадраты. Пиксел, как минимальный размер элемента (ячейка сетки) изображения представляет собой один датчик, воспроизводящий световой сигнал и преобразующий в элементарный сигнал, последовательность нолей (нет) и единиц (да). Количество пикселей зависит от физического размера и концентрации элементов на сенсоре.
Сенсор является сердцем цифровой камеры, и в качестве сенсора выступает ПЗС или КМОП чип. Сенсор состоит из множества светочувствительных элементов (photosites), содержащих фотодиоды. Элементы на чипе упорядочены и образуют матрицу. Таким образом, элементы матрицы можно сопоставить с пикселями (равно как и назвать). Элементы реагируют на свет и создают электрический заряд, величина которого пропорциональна количеству попавшего света. В работе всегда участвуют минимум два пиксела, они имеют четыре основных характеристики: разрешение, геометрические размеры, битовую глубину и цветовую модель.