Słońce nie zepsuje liczb ani O cyfrowych źródłach pozyskiwania obrazu

Jurij Samarin, dr. technologia Nauki, profesor na Moskiewskim Uniwersytecie Państwowym im. Iwan Fiodorow

Aparaty cyfrowe (aparaty) są obecnie wszechobecne w dziennikarstwie, wydawnictwach i drukarniach. Aparat cyfrowy ma podobną konstrukcję do konwencjonalnego aparatu fotograficznego, ale zamiast kliszy fotograficznej, na której zapisywany jest obraz, ma specjalne czujniki (fotomacierze): urządzenie ze sprzężeniem ładunkowym (CCD) lub urządzenia półprzewodnikowe z tlenkiem metalu (CMOS). Półprzewodnik tlenkowy, CMOS). Czujniki te przekształcają obraz wyświetlany na nie przez obiektyw na postać cyfrową.

Istnieje kilka opcji konstrukcyjnych aparatów cyfrowych: aparaty ze skanowaniem tylnym, aparaty trójklatkowe i aparaty jednoklatkowe z jedną lub trzema matrycami fotograficznymi. Obecnie stosowane są głównie kamery jednoklatkowe.

Tylna kamera skanująca skanuje w płaszczyźnie obrazu. Zasada działania takiej kamery (rys. 1) przypomina technologię skanowania stosowaną w skanerach z odczytem informacji linia po linii. Głowica skanująca zawierająca linię światłoczułych matryc CCD przesuwa się małymi krokami wzdłuż tylnej płaszczyzny ogniskowej aparatu w poprzek obrazu, rejestrując w każdym kroku jedną linię pikseli. Aparaty korzystające z tej zasady tworzą obrazy o wysokiej rozdzielczości, ale czas ekspozycji może wynosić kilka minut, co sprawia, że ​​technika skanowania od tyłu jest nieodpowiednia w przypadku poruszających się obiektów lub podczas korzystania z lampy błyskowej. Podczas skanowania migawka aparatu pozostaje otwarta, dlatego konieczne jest stosowanie stałego oświetlenia, ponieważ w tym przypadku nie nadaje się ani lampa błyskowa, ani stroboskopowa.

Kamera trójklatkowa przeznaczona jest do rejestrowania kolorowych obrazów obiektów nieruchomych (rys. 2). Jako czujnik światła zastosowano dwuwymiarową matrycę CCD. Płaskie matryce dwuwymiarowe mają znacznie niższą rozdzielczość niż matryce liniowe. Każdy element matrycy tworzy jeden punkt obrazu. Ekspozycja wykonywana jest z taką szybkością, że można wykorzystać oświetlenie ze zwykłej lampy błyskowej.

Aby zarejestrować obraz kolorowy, należy wykonać trzy osobne zdjęcia przez trzy filtry (czerwony, zielony i niebieski). Pomiędzy ekspozycjami dysk filtra jest obracany tak, aby w momencie fotografowania przed matrycą znajdował się filtr czerwony, zielony lub niebieski.

Technologia zastosowana w kamerach jednoklatkowych z pojedynczą matrycą zapewnia dużą prędkość digitalizacji obrazu, ale charakteryzuje się niższą rozdzielczością i gorszym oddawaniem barw niż technologia „multi-shot”. Kamery te nazywane są także kolorowymi kamerami komputerowymi.

Podobnie jak w aparacie trójklatkowym, tak i w aparacie jednoklatkowym z pojedynczą matrycą (ryc. 3) zastosowano płaską matrycę, jednak dane barwne rejestrowane są nie przez osobne filtry, lecz przez filtr filmowy nałożony na powierzchnię matrycy CCD , składający się z elementów czerwonych, zielonych i niebieskich. Dane dotyczące każdego punktu obrazu są zapisywane tylko w jednym z trzech kolorów (na przykład czerwonym). Aby dodać do niego odpowiednie proporcje zieleni i błękitu, program przetwarzający interpoluje dane kolorystyczne sąsiadujących punktów. Ponieważ wymagana jest tylko jedna ekspozycja, kamery jednoklatkowe rejestrują poruszające się obiekty.

Zasada działania aparatu jednoklatkowego z trzema matrycami (aparatu do jednoklatkowej fotografii kolorowej), który zawiera trzy matryce, polega na rozdzielaniu przychodzącego światła na składową czerwoną, zieloną i niebieską, a każda z nich jest przesyłana do własnej matrycy (ryc. 4). W niektórych modelach każda matryca rejestruje swój własny kolor, w innych łączona jest matryca płaska, na powierzchni której naniesione są filtry folii czerwonej i niebieskiej oraz dwie dodatkowe matryce z filtrami zielonymi. W drugim przypadku interpolacja odbywa się przy użyciu tylko dwóch kolorów, co prowadzi do wzrostu jakości przechwytywanego obrazu. Wadą tej metody rejestracji jest stosunkowo niska rozdzielczość.

Pomimo różnic konstrukcyjnych aparaty cyfrowe różnych typów mają na ogół tę samą konstrukcję (ryc. 5).

Głównymi elementami aparatu cyfrowego są obiektyw, fotoprzetwornik (CCD lub CMOS), wyświetlacz ciekłokrystaliczny (LCD), karta dźwiękowa, karta pamięci i procesor, który zawiera przetwornik analogowo-cyfrowy, urządzenie do kontroli ekspozycji i ostrości oraz plik obrazu cyfrowego i urządzenie do kompresji.

Obiektyw aparatu to zestaw soczewek umieszczonych w tubusie, których zadaniem jest tworzenie ostrego obrazu na powierzchni światłoczułego czujnika (CCD lub CMOS) umieszczonego w płaszczyźnie ogniskowej obiektywu.

Nowoczesne aparaty cyfrowe wykorzystują obiektywy o zmiennej ogniskowej, które mają złożoną konstrukcję optyczną, ponieważ w każdym położeniu ruchomych elementów konieczne jest utrzymanie aberracji w określonych granicach.

Wśród parametrów technicznych obiektywu najważniejsza jest rozdzielczość, która określa zdolność obiektywu do przekazywania drobnych szczegółów. Rozdzielczość obiektywu mierzona jest w liniach na milimetr, dla których fotografowany jest wzór testowy - specjalny obraz testowy z cienkimi liniami. Punkt, w którym poszczególne linie stają się nierozróżnialne, uważany jest za próg rozdzielczości. Rozdzielczość obiektywu w optycznym centrum obiektywu jest zawsze większa niż na krawędziach. Obiektyw uważa się za dobry, jeśli różnica pomiędzy rozdzielczością w centrum i na brzegach kadru nie przekracza 30%.

Powłoka antyrefleksyjna wykonana jest wielowarstwowo – zawiera aż dziesięć warstw ułożonych jedna nad drugą. Każda warstwa jest dostrojona do fal o określonej części widma, dzięki czemu powłoka jako całość jest w stanie pracować z falami o dowolnej długości.

Najważniejszą cechą aparatu cyfrowego jest ogniskowa obiektywu, a właściwie zoom optyczny, który określa zdolność obiektywu do zmiany ogniskowej przy zachowaniu stałego położenia płaszczyzny obrazu (fotomatryca). Zmienianie ogniskowej pozwala na dynamiczną zmianę skali fotografowania, zwiększanie lub zmniejszanie rozmiaru obrazu. Zmiana skali w obiektywie powoduje przestawienie soczewek, w wyniku czego zmienia się ogniskowa.

W aparatach amatorskich zoom aparatu jest zwykle wskazywany przez współczynnik (stosunek minimalnej ogniskowej do jej maksymalnej wartości). Na przykład 4-krotny zoom aparatu to 4-krotny zoom.

W profesjonalnych aparatach ogniskowa obiektywu jest wskazywana bezpośrednio, na przykład 24-70 mm - odpowiednio minimalna i maksymalna ogniskowa.

Aparaty cyfrowe, oprócz zoomu optycznego, posiadają zoom cyfrowy, za pomocą którego następuje „programowe” powiększenie obrazu: obraz, który kamera odbiera przez obiektyw, zostaje przycięty (wycina i powiększa fragment). Jednocześnie spada jakość obrazu: wzrasta ilość szumów, traci się szczegóły i spada rozdzielczość. Dzięki zoomowi cyfrowemu, który podwaja obraz, rozdzielczość 12 megapikseli zmienia się w 3 megapiksele.

Kąt widzenia zależy od ogniskowej obiektywu. Im krótsza ogniskowa obiektywu, tym większy kąt widzenia i odwrotnie, im większa ogniskowa, tym mniejszy kąt widzenia obiektywu. Na ryc. 6 przedstawia przybliżony schemat kątów widzenia i ogniskowych oraz klasyfikację soczewek.

Długie ogniskowe umożliwiają wykonywanie zbliżeń odległych obiektów przy dużym powiększeniu. Podczas fotografowania przy dużym powiększeniu szczególnie trudno jest ustabilizować obraz ze względu na drżenie rąk fotografa, co prowadzi do rozmycia kadru. Nowoczesne aparaty cyfrowe wyposażone są w system stabilizacji obrazu. Aby to zrobić, mają wbudowane specjalne czujniki działające na zasadzie żyroskopów lub akcelerometrów. Czujniki te w sposób ciągły wyznaczają kąty obrotu i prędkości ruchu kamery w przestrzeni oraz wydają polecenia do napędów elektrycznych, które odchylają element lub matrycę stabilizującą obiektyw.

Element stabilizujący obiektywu, ruchomy w osi pionowej i poziomej, na polecenie czujników jest odchylany przez napęd elektryczny układu stabilizacji, dzięki czemu projekcja obrazu na matrycę całkowicie kompensuje drgania aparatu w czasie ekspozycji.

Dzięki temu przy małych amplitudach drgań kamery projekcja zawsze pozostaje nieruchoma względem matrycy, co zapewnia obrazowi niezbędną klarowność. Jednak obecność dodatkowego elementu optycznego zmniejsza aperturę obiektywu.

W niektórych modelach cyfrowych ruch (drgania) aparatu kompensowany jest nie przez element optyczny wewnątrz obiektywu, ale przez jego matrycę zamontowaną na ruchomej platformie.

Takie obiektywy są tańsze, prostsze i bardziej niezawodne, stabilizacja obrazu działa z każdą optyką. Jest to ważne w przypadku lustrzanek wyposażonych w wymienne obiektywy. Stabilizacja przesunięcia matrycy w odróżnieniu od stabilizacji optycznej nie zniekształca obrazu i nie wpływa na przysłonę obiektywu. Jednocześnie uważa się, że stabilizacja przesunięcia matrycy jest mniej skuteczna niż stabilizacja optyczna, gdyż wraz ze wzrostem ogniskowej obiektywu matryca musi wykonywać zbyt szybkie ruchy ze zbyt dużą amplitudą i nie nadąża za „ uciekająca” projekcja.

Istnieje elektroniczna (cyfrowa) stabilizacja obrazu, w której około 40% pikseli matrycy jest przeznaczonych do stabilizacji obrazu i nie bierze udziału w tworzeniu obrazu. Kiedy kamera wideo się trzęsie, obraz „unosi się” po matrycy, a procesor rejestruje te wahania i dokonuje korekcji wykorzystując rezerwowe piksele, aby skompensować drgania obrazu. Ten system stabilizacji jest szeroko stosowany w cyfrowych kamerach wideo z matrycami o niskiej rozdzielczości - mając gorszą jakość niż inne rodzaje stabilizacji, okazuje się tańszy, ponieważ nie zawiera dodatkowych elementów mechanicznych.

Istnieją trzy typowe tryby stabilizacji obrazu: pojedyncze zdjęcie, ciągły i panoramowanie.

W trybie pojedynczego zdjęcia, czyli klatce, system stabilizacji jest aktywowany tylko na czas ekspozycji w momencie fotografowania, co jest teoretycznie najskuteczniejsze, ponieważ wymaga minimalnych ruchów korekcyjnych.

W trybie ciągłym układ stabilizacji pracuje stale, co ułatwia ustawianie ostrości, jednak skuteczność może być nieco niższa, gdyż w momencie naświetlania element korekcyjny może być już przesunięty, co zmniejsza jego zakres korekcji. Dodatkowo system zużywa więcej prądu w trybie ciągłym, co szybciej wyczerpuje akumulator.

W trybie panoramowania system stabilizacji kompensuje jedynie drgania pionowe. Podczas fotografowania przy dużym powiększeniu lub przy długich czasach otwarcia migawki zaleca się użycie statywu.

Przysłona aparatu to urządzenie wpływające jednocześnie na dwa parametry obiektywu: przysłonę, która określa ilość światła wpadającego do wnętrza aparatu oraz głębię ostrości, która określa wielkość maksymalnego niedopasowania płaszczyzny materiału światłoczułego (w w aparacie filmowym) lub fotomatrycę (w aparacie cyfrowym) i płaszczyznę obrazu optycznego reprodukowanego na tym materiale.

Jeśli te płaszczyzny się nie pokrywają, obraz staje się rozmazany.

Przysłona ma za zadanie ograniczać wiązkę promieni w układzie optycznym i umożliwia regulację oświetlenia fotomatrycy poprzez zmianę średnicy (apertury) źrenicy wejściowej soczewki.

Powszechnie stosowane są przysłony irysowe, które płynnie zmieniają efektywną przysłonę obiektywu w określonych granicach. Przesłona irysowa składa się z zestawu cienkich płytek w kształcie łuku (płatków), pierścieniowej ramy i obrotowego pierścienia (korony). Na końcach płatków znajdują się szpilki. Jeden sworzeń (osiowy) każdego płatka pasuje do otworu pierścieniowej ramy, drugi (wbijany) w odpowiedni promieniowy rowek pierścienia obrotowego. Po obróceniu korony wszystkie listki obracają się w oprawce, zmieniając średnicę otworu przysłony.

Na ryc. Rycina 7 schematycznie pokazuje wpływ przysłony irysowej przy zmianie jej przysłony z f/2 na f/22.

Aby otworzyć drogę światła do układu optycznego obiektywu i naświetlić fotomacierz, aparaty cyfrowe wyposaża się w migawki mechaniczne lub elektroniczne. Mechaniczna migawka aparatu otwiera zasłony, aby światło przedostało się do fotomatrycy. Ekspozycja kadru zależy od czasu otwarcia migawki (czasu otwarcia migawki). Elektroniczna migawka jest wbudowana w fotomatrycę i steruje jej włączaniem i wyłączaniem.

Aparaty cyfrowe można podzielić na dwa typy ze względu na konstrukcję układu optycznego (rys. 8): lustrzankę jednoobiektywową i cyfrowy aparat kompaktowy. W tym przypadku główną cechą tego typu jest system przeglądania obrazu. Podczas celowania fotograf patrzy przez wizjer na obraz optyczny, który zamierza zapisać jako dane cyfrowe.

Ryż. 8. Układ optyczny aparatu cyfrowego: a - lustrzanka; b - cyfrowy kompakt

Układ optyczny lustrzanki jednoobiektywowej (patrz rys. 8). A) składa się z soczewki 1 , czujnik systemu autofokusa 2 , lusterka z autofokusem 3 , migawka 4 , fotomatryce 5 , obrotowe lustro 6 , okular wizjera 7 , pryzmaty 8 i matówka 9 .

W lustrzance podczas celowania fotograf obserwuje przez wizjer obraz optyczny wyświetlany na matówce. Obraz na matówce 9 utworzone przez tę samą wiązkę światła, która jest rzucana na fotomacierz 5 w momencie fotografowania. Osiąga się to za pomocą obrotowego lustra 6 , dzięki czemu typ konstrukcji kamer ma swoją nazwę. Lustro można ustawić w dwóch pozycjach. Podczas celowania kieruje wiązkę światła przechodzącą przez obiektyw na matówkę, a w momencie fotografowania na lustro 6 podnosi się, migawka otwiera się 4 , a strumień światła pada bezpośrednio na fotomacierz 5 . Oprócz kontroli nad przyszłym zdjęciem, lustrzanka cyfrowa umożliwia zastosowanie różnych obiektywów, które są kompatybilne strukturalnie i optycznie z tym aparatem. Większość aparatów profesjonalnych i półprofesjonalnych to lustrzanki cyfrowe.

Korzystanie z pryzmatu pentagonalnego 8 , który ma daszkowatą (pierwszą na drodze promieni świetlnych) powierzchnię odblaskową, możliwe staje się obserwowanie przez okular 7 bezpośredni obraz. Ekran ustawiania ostrości 9 zaprojektowany nie tylko do tworzenia wyświetlanego obrazu obiektu na matowej powierzchni szkła, ale także do precyzyjnego ustawiania ostrości w trybie ręcznym (nie automatycznym). Zgodność granic obrazu obserwowanego przez wizjer z tym, co jest rzutowane na matrycę (pole widzenia wizjera) jest ważną cechą jakości lustrzanki jednoobiektywowej. Dla dobrych aparatów jest to 90-100%. Niższe wartości zmuszają fotografa do mentalnej korekty, biorąc pod uwagę, że faktycznie wykonany kadr będzie nieco większy niż to, co widzi w wizjerze.

W kompaktowym formacie cyfrowym (patrz ryc. 8 B) strumień światła jest zawsze skierowany w stronę światłoczułej matrycy 5 , dane obrazu, z których po odpowiednich przekształceniach w jednostce elektronicznej 6 przetwarzanie sygnału wideo jest dostarczane na ekran ciekłokrystaliczny małego wyświetlacza 7 . Migawka zostanie wyzwolona w momencie zrobienia zdjęcia. 4 , który zamyka się, otwiera na czas ekspozycji i po odebraniu danych obrazu zamyka się i ponownie otwiera w celu obejrzenia kolejnej klatki. Ten system obrazowania ma następujące wady: ekran ciekłokrystaliczny ma ograniczoną rozdzielczość i ograniczoną gamę kolorów, dlatego trudno jest ocenić ostrość obrazu na małym ekranie. Zaletą tego systemu jest to, że jasność obrazu na ekranie elektronicznym zawsze może być wystarczająca do komfortowego oglądania, natomiast w lustrzankach jasność obrazu w wizjerze zależy od warunków oświetlenia obiektu lub lampy błyskowej. Rozdzielczość wbudowanych wyświetlaczy w nowoczesnych aparatach cyfrowych wynosi zwykle 230 000 pikseli, ale przy przekątnej ekranu 2-3 cali może osiągnąć 920 000 pikseli.

Aparaty cyfrowe wyposażone są w automatyczny system ustawiania ostrości obiektywu – tzw. autofokus. Autofokus opiera się na urządzeniach optyczno-elektronicznych, które oceniają ostrość obrazu optycznego tworzonego przez obiektyw. Wyniki tej oceny są przetwarzane przez procesor i przekształcane na sygnał sterujący dla miniaturowych napędów elektrycznych ruchomych elementów obiektywu wbudowanych w obiektyw. Autofokus dostosowuje aparat tak, aby uchwycić konkretny obiekt szybciej, niż fotograf może to zrobić ręcznie, korzystając z wizjera.

Wykorzystywane są dwa tryby pracy układu autofokusa: detekcja kontrastu i detekcja fazy. Kompakt cyfrowy skupia się na kontraście obrazu optycznego skupianego przez soczewkę jako całość w płaszczyźnie fotodetektora 2 (patrz ryc. 8 B) jest metodą wykorzystującą detektor kontrastu.

Zasada działania systemu autofokusa z detekcją kontrastu opiera się na tym, że zakres jasności, czyli różnica jasności pomiędzy najjaśniejszymi i najciemniejszymi obszarami, jest większa na obrazie ostrym niż na rozmytym.

W kompaktach cyfrowych sygnał obrazu pobierany jest z fotokomórki 5 (patrz ryc. 8 B), używany do obsługi systemu autofokusa. Układ sterowania stopniowo porusza ruchomymi soczewkami obiektywu, skupiając soczewkę. W miarę ustawiania ostrości obiektywu obraz staje się bardziej kontrastowy.

W lustrzankach cyfrowych zastosowano metodę detekcji fazy, w której autofokus wykorzystuje wiele ostrych obrazów utworzonych przez różne części obiektywu.

Zasada działania metody autofokusa z detekcją fazy polega na tym, że w stanie skupionym różne obszary obiektywu tworzą w płaszczyźnie ogniskowej identyczne obrazy optyczne, które po połączeniu ze sobą tworzą jeden ostry obraz obiektu. obiekt. Jeśli obiekt nie jest ogniskowany, wówczas w płaszczyźnie fotodetektora powstaje kilka obrazów obiektu, przesuniętych względem siebie.

Przy dobrym skupieniu wszystkie promienie wychodzące z jednego punktu obiektu są skupiane w jednym punkcie fotodetektora. Dzięki temu czujnik rejestruje jeden ostry i kontrastowy obraz obiektu, który jest fotografowany.

Większość aparatów cyfrowych ma wbudowaną lampę błyskową. Takie urządzenie jest w stanie oświetlić przestrzeń w odległości nie większej niż 3 m od fotografa. Jego potrzeba pojawia się, gdy nie ma wystarczającej ilości naturalnego lub sztucznego oświetlenia. Lampa błyskowa używana jest w fotografii reportażowej. Jeśli świeci słońce lub istnieje możliwość oświetlenia obiektu lampami, nie jest to potrzebne. Jeśli odległość do obiektu jest większa niż 3 m, należy użyć osobnej, mocniejszej lampy błyskowej; W tym celu wiele urządzeń ma specjalne prowadnice montażowe i styk synchronizacyjny. Obiekt znajdujący się dalej niż 10 m nie może być oświetlony żadną lampą błyskową.

Elementy matrycy CCD i CMOS są w przybliżeniu jednakowo wrażliwe na wszystkie kolory widma światła widzialnego. Dlatego, aby uzyskać kolorowe obrazy w aparatach cyfrowych, stosuje się głównie trzy technologie separacji kolorów, z których każda ma swoje zalety i wady. Pierwsza technologia wykorzystuje specjalne pryzmaty do separacji kolorów z filtrami dichroicznymi oraz trzy fotomacierze (3 CCD), z których każda tworzy cyfrowy obraz separacji kolorów jednego z kolorów podstawowych: czerwonego, zielonego, niebieskiego (model kolorów RGB). Druga technologia wykorzystuje filtry separacji kolorów firmy Bayer i jedną fotomatrycę, a trzecia wykorzystuje specjalne „trójwarstwowe” fotomacierze, z których każda pozwala na uzyskanie wszystkich trzech obrazów separacji kolorów jednocześnie.

Zalety stosowania pryzmatów do separacji kolorów to:

• lepsze odwzorowanie przejść kolorów, całkowity brak mory barwnej;
• brak algorytmów odzyskiwania utraconych informacji, obowiązkowych w przypadku systemów jednomacierzowych z szeregiem filtrów barwnych;
• wyższa rozdzielczość, ponieważ każda z trzech matryc jest w pełni wykorzystana do stworzenia cyfrowego obrazu z separacją kolorów;
• możliwość korekcji barw poprzez montaż dodatkowych filtrów przed poszczególnymi matrycami, co pozwala na osiągnięcie znacznie wyższego oddawania barw przy niestandardowych źródłach światła;
• możliwość podwojenia efektywnej rozdzielczości wzdłuż jednej ze współrzędnych poprzez przesunięcie trzech matryc względem siebie o 1/3 piksela i interpolację trzech obrazów z uwzględnieniem tego przesunięcia.

Wadami tej technologii są:

• zasadniczo duże wymiary aparatu cyfrowego ze względu na obecność trzech fotomacierzy i zastosowanie obiektywów o dużych długościach kołnierzy;
• problem z dopasowaniem kolorów wymagający dokładnego wyrównania. Im większy rozmiar matryc i im większa jest ich rozdzielczość fizyczna, tym trudniej jest uzyskać wymaganą klasę dokładności.

W technologii wykorzystującej filtry separacji barw, na każdym światłoczułym elemencie fotomacierzy instalowany jest filtr świetlny, który przepuszcza światło o określonym widmie emisyjnym. Często w takich fotomacierzach filtr barwny przykryty jest od góry mikrosoczewką (ryc. 9), która służy do dodatkowego skupienia światła, co zwiększa światłoczułość matrycy.

Najpopularniejszym zestawem filtrów barwnych na fotomatrycy jest filtr Bayer RGBG, zbudowany według modelu barw Bryce Bayer na początku lat 70-tych ubiegłego wieku przez firmę Kodak. Filtry zbudowane według zasady Bayera (ryc. 10) wyglądają jak mozaika z przewagą koloru zielonego.

Szczególnie istotna jest tu obecność dominującego koloru (niekoniecznie zielonego), który służy zapewnieniu częstotliwości próbkowania dla kanału luminancji przekraczającej częstotliwość pozostałych dwóch kolorów. Podobną zasadę stosuje się w telewizji. Kolor zielony został wybrany jako kanał jasności tylko dlatego, że krzywa wrażliwości ludzkiego oka na jasność ma maksymalnie około 550 nm, co odpowiada konkretnie odcieniu zieleni. A liczba receptorów wrażliwych na kolor zielony na siatkówce oka jest dwukrotnie większa niż tych, które odbierają kolor czerwony lub niebieski.

Jeśli weźmiemy elementarny kwadrat Bayera 2S2, który ma jeden element niebieski, jeden czerwony i dwa zielone (RGBG), to możemy określić jasność za pomocą zieleni, a kolor piksela (wartość RGB) można uzyskać w wyniku interpolacji - uśrednianie dla kilku blisko siebie rozmieszczonych komórek tego samego koloru. Ze względu na to, że kolor końcowego piksela obrazu jest rozmyty w kilku sąsiednich komórkach, występują straty w zakresie oddawania barw i rozdzielczości. Przykładowo ostre krawędzie (przejścia kolorów) zostają rozmyte, drobne szczegóły (porównywalne wielkością do szerokości interpolacji) zostają utracone, a na obrazie może pojawić się defekt zwany Bloomingiem. Staje się to możliwe, gdy obraz ma silny lokalny kontrast, to znaczy, jeśli jasny obiekt znajduje się obok ciemnego. Po powiększeniu tego obszaru zdjęcia widać, że piksele na ich krawędziach mają bardzo dziwne kolory. Faktem jest, że algorytmy przetwarzania obrazu nie są w stanie zrozumieć koloru na granicy kontrastujących obszarów, ponieważ podczas interpolacji przesuwają się do sąsiedniego obszaru, co daje nieprawidłową jasność i ton.

Wraz ze wzrostem mocy obliczeniowej procesorów aparatów cyfrowych interpolacja liniowa jest stopniowo zastępowana przez interpolację sześcienną, splajnową i inne. Jeżeli algorytm uzyskiwania obrazu jest na tyle skomplikowany, że trudno go zaimplementować w samym aparacie, wówczas można go zastosować w programowych konwerterach RAW. W tym celu po zapisaniu zdjęcia w formacie RAW, gdy obraz nie jest poddawany obróbce wewnątrz aparatu, do pliku zapisywane są dane pozyskane bezpośrednio z matrycy, a proces interpolacji, wyostrzania, redukcji szumów i inne operacje z wykorzystaniem obrazy wykonywane są na komputerze.

W ostatnich latach producenci aparatów cyfrowych próbowali unowocześnić klasyczny filtr Bayera, aby zwiększyć rozdzielczość i poprawić odwzorowanie kolorów. Sony sugeruje np. stosowanie matryc z czterokolorowym filtrem RGBE (Emerald). Zastosowanie tej technologii, w porównaniu do klasycznych trójkolorowych filtrów Bayer, zapewnia bardziej naturalne odwzorowanie kolorów. Czterokolorowy filtr, w którym do zwykłych kolorów RGB dodawany jest szmaragd (Emerald, E), pozwala zmniejszyć o połowę liczbę błędów w konwersji kolorów i zbliżyć jakość obrazów do naturalnego zakresu kolorów postrzeganych przez ludzka wizja.

Proponuje się także (firma Kodak) zamiast klasycznego filtra Bayera zastosowanie sensora nieosłoniętego filtrem świetlnym (W) jako czwartego, dodatkowego sensora światłoczułego. Tego typu sensor jest czuły na wszystkie strefy widma widzialnego, co ogranicza utratę jasności obrazu. W rezultacie filtry RGBW wykonane przy użyciu tej technologii mają lepszy stosunek sygnału do szumu w porównaniu z filtrem RGB. Obecność czujników W powoduje także zarówno zwiększenie monochromatycznej czułości matrycy, jak i poprawę rozdzielczości w warunkach słabego oświetlenia, na przykład podczas korzystania ze sprzętu oświetleniowego o wąskim spektrum promieniowania lub podczas fotografowania w wieczornych lub nocnych warunkach oświetleniowych, co jest spowodowane wzrostem strumienia promieniowania aktynicznego.

Filtr RGBW ma swoje wady: podczas pracy w normalnych warunkach oświetleniowych utrata drobnych szczegółów kolorów jest nieunikniona. Czujniki mają obszary pikseli 2×2 składające się wyłącznie z czujników W i B. W tych obszarach nie ma możliwości wybrania koloru obrazu wzdłuż osi R I G. Jeśli cienka kolorowa linia zbiega się z jednym z wybranych kierunków matrycy, może nawet zniknąć lub stać się kropkowana.

Filtry RGBW mogą różnić się umiejscowieniem czujników światłoczułych w ogniwie. Jednak takie alternatywne schematy nie rozpowszechniły się i obecnie większość aparatów cyfrowych nadal korzysta z klasycznych filtrów Bayera.

W przypadku stosowania trójwarstwowych fotomacierzy X3 (matryce firmy Foveon) separacja kolorów na barwy podstawowe RGB odbywa się w grubości warstwy po warstwie materiału półprzewodnikowego, wykorzystując właściwości fizyczne krzemu, co oznacza, że ​​wraz ze wzrostem długości fali światła , zwiększa się także głębokość ich wnikania w krzem (ryc. 11 A). Fotodiody, powstałe w wyniku naprzemiennych stref penetracji światła, umieszczone jedna pod drugą na charakterystycznych głębokościach wychwytują fotony barwy niebieskiej, zielonej i czerwonej.

Ryż. 11. Fotomacierz „trójwarstwowa”: a - zasada działania; b - struktura fotomacierzy

Niebieska część widma jest pochłaniana przez górną warstwę (grubość 0,2 mikrona), zielona przez środek (grubość 0,4 mikrona), a czerwona przez dolną (ponad 2 mikrony). Grubość poszczególnych warstw dobrano na podstawie wyników badań eksperymentalnych głębokości wnikania kwantów z odpowiedniego zakresu widmowego w krzem. Warstwy, w których zachodzi efekt fotoelektryczny, oddzielone są dodatkowymi cienkimi strefami krzemu niskodomieszkowanego i posiadają osobne zaciski sygnałowe.

W ten sposób uzyskuje się czujnik, który rejestruje w jednym punkcie informację o wszystkich trzech składowych kolorystycznych obrazu, dokładnie odpowiadających współrzędnym wygenerowanego piksela.

Zaletą fotomacierzy „trójwarstwowych” jest to, że nie wymagają one instalowania filtrów barwnych, a co za tym idzie zwiększenia stosunku sygnału do szumu, ponieważ filtry pochłaniają również około 2/3 sygnału świetlnego jako potencjalnie wyższą rozdzielczość.

Za wady fotomacierzy „trójwarstwowych” należy uznać niską dokładność oddawania barw, ponieważ w największym stopniu determinują ją właściwości krzemu, a także stosunkowo wysoki poziom szumu cyfrowego ze względu na fakt, że część fotonów jest pochłaniana w obszarze „nie swoim”.

Jedną z najważniejszych cech fotomacierzy jest czułość – zdolność do reagowania w określony sposób na promieniowanie optyczne, czyli generowania ładunku elektrycznego. Im wyższa czułość, tym mniej światła potrzeba, aby fotomatryca zareagowała podczas rejestrowania obrazu. Czułość mierzona jest w jednostkach ISO (Międzynarodowej Organizacji Normalizacyjnej). Wyróżnia się czułość integralną i monochromatyczną.

Czułość całkowa to stosunek fotoprądu (w miliamperach) do strumienia świetlnego (w lumenach) źródła promieniowania, którego skład widmowy odpowiada żarówce wolframowej. Ten parametr pozwala ocenić czułość czujnika jako całości.

Czułość monochromatyczna to stosunek ilości fotoprądu (w miliamperach) do ilości energii promieniowania świetlnego (w milielektronowoltach) odpowiadającej określonej długości fali. Zbiór wszystkich wartości czułości monochromatycznej dla interesującej części widma stanowi czułość widmową - zależność czułości od długości fali światła. Zatem czułość widmowa pokazuje zdolność czujnika do rejestrowania odcieni określonego koloru.

Charakterystyka aparatu cyfrowego zazwyczaj podaje tzw. czułość zastępczą matrycy CCD, wyrażaną w ogólnie przyjętych jednostkach ISO jako zakres (ISO 100-800) lub zbiór wartości (ISO 50, 100, 200, 400 ). Oblicza go każdy producent na swój sposób, ale obliczenia opierają się na kilku standardowych wzorach określania liczby ekspozycji (indeksu).

Indeks ekspozycji EW wyraża wartość ekspozycji w skali logarytmicznej, co jest wygodne, ponieważ zamiast mnożyć współczynniki, można po prostu dodać odpowiednie wskaźniki.

Wskaźnik ekspozycji wynosi:

EV = S + N,

Gdzie S— wskaźnik czułości fotomacierzy; N— wskaźnik oświetlenia.

Za N= 0 to oświetlenie, przy którym materiał fotograficzny o światłoczułości 100 jednostek ISO, naświetlony przy względnej aperturze 1:1 i czasie otwarcia migawki 1 s, uzyskuje prawidłową ekspozycję.

Zależność pomiędzy wskaźnikiem czułości a jednostkami czułości ISO przedstawiono w tabeli. 1.

Wskaźnik ekspozycji można wyrazić w postaci wskaźnika A f/liczba DO obiektyw i indeks T fragmenty T:

EV = A + T.

W tabeli Rysunek 2 przedstawia zależność wskaźnika ekspozycji EW dla różnych kombinacji standardowych liczb f/ DO i fragmenty T. Dowolna kombinacja czasu otwarcia migawki i liczby przysłony, jeżeli suma ich wskaźników, których wartości są wskazane odpowiednio w pierwszej kolumnie (wskaźnik czasu otwarcia migawki T) i pierwszy wiersz tabeli (indeks liczby f A), jest taki sam i zapewnia taką samą ekspozycję.

Aparaty cyfrowe automatycznie dostosowują się do prawidłowej ekspozycji podczas fotografowania. Jednocześnie, analizując wskaźniki oświetlenia i czułości, wbudowany w aparat cyfrowy miernik światłości dość dokładnie określa wartość ekspozycji, przy której obiekty o średnim współczynniku odbicia wpadają w środkową część zakresu szerokości fotograficznej. W większości przypadków automatyczna regulacja parametrów fotografowania (wartość przysłony, czas otwarcia migawki) okazuje się prawidłowa.

Tabela 1. Korelacja pomiędzy wskaźnikiem czułości i jednostkami ISO

W sytuacjach, gdy fotografowane są obiekty o bardzo wysokim lub niskim współczynniku odbicia światła, konieczne staje się ręczne wprowadzenie kompensacji ekspozycji do automatycznej regulacji ekspozycji. Nowoczesne aparaty cyfrowe umożliwiają kompensację ekspozycji w zakresie ±2 EW w krokach co 1/3 EW lub jeszcze dokładniej.

Jednym z parametrów aparatu cyfrowego jest wielkość fotomacierzy, na którą składają się rozmiary elementów światłoczułych oraz odległość między nimi. Pozwala na to większy rozmiar matrycy przy tej samej rozdzielczości O większe rozmiary ogniw światłoczułych, które mogą gromadzić większy ładunek elektryczny z większego obszaru. Pozwala to uzyskać wysoką czułość i szeroki zakres dynamiki. Przy tej samej liczbie ogniw światłoczułych aparat z większą matrycą generuje obrazy o wyższej jakości.

Matryce aparatów cyfrowych charakteryzują się zazwyczaj liczbą wskazującą przekątną czujnika w ułamkach cala (1/2,5, 1/1,8, 2/3 itp.). Liczba ta, zwana współczynnikiem kształtu, nie odpowiada rzeczywistej przekątnej matrycy, która stanowi około 2/3 współczynnika kształtu. Na przykład matryca CCD o współczynniku kształtu 1/1,8 ma przekątną 9 mm. Rozbieżność ta wynika z faktu, że termin „forma” opisujący wielkość elementu rejestrującego przeniósł się do fotografii cyfrowej ze sprzętu telewizyjnego. Rozmiary matryc nawet o tej samej obudowie, ale od różnych producentów, mogą się nieznacznie różnić.

W aparatach filmowych zastosowano kliszę fotograficzną 35 mm o wymiarach klatki 36 x 24 mm. Większość aparatów cyfrowych wykorzystuje mniejsze czujniki. Bardzo drogie lustrzanki cyfrowe wykorzystują matryce pełnoklatkowe o wielkości klatki filmu 35 mm lub nawet większe. Na przykład znane są aparaty cyfrowe z pełnoformatowymi sensorami o wymiarach 48×36 mm i rozdzielczościami 28 i 33,3 megapiksela.

Procesor w aparatach cyfrowych steruje pracą migawki, obiektywu, lampy błyskowej, określa ekspozycję, generuje i wyświetla informacje o wybranych trybach fotografowania, ustawieniach, samym obrazie itp.

Na ryc. Rysunek 12 przedstawia schemat procesu digitalizacji obrazu optycznego utworzonego przez obiektyw aparatu cyfrowego na światłoczułych elementach fotomacierzy.

Światłoczułe elementy fotomacierzy rejestrują obraz monochromatyczny, a dokładniej wartość jasności każdego piksela, dla trzech podstawowych kolorów: czerwonego, zielonego i niebieskiego.

Zdigitalizowane dane ADC w procesorze przetwarzane są na obraz w oparciu o algorytmy (oprogramowanie) wprowadzone przez producenta. Algorytmy wyznaczają współrzędne punktów otrzymanych z czujnika i przypisują im wartości trzech kolorów podstawowych (RGB), z których tworzone są wszystkie możliwe, powtarzalne odcienie. Procesor uwzględnia cyfrową wartość poziomów sygnału w trzech kanałach kolorów podstawowych sąsiednich pikseli. Ta operacja konwersji nazywa się demozaiką. Procesor dostosowuje także jasność, kontrast, nasycenie, ostrość obrazu, usuwa szum, biorąc pod uwagę specyfikę ludzkiego wzroku. Niektóre modele wykorzystują wiele procesorów, z których każdy wykonuje osobne zadania. Procesor aparatu konwertuje strumień danych na plik obrazu w formacie JPEG, TIFF lub RAW. Do tego pliku dołączone są także metadane zdjęcia (wartość przysłony, czas otwarcia migawki, balans bieli, kompensacja ekspozycji, tryb fotografowania i lampy błyskowej, czułość, ogniskowa, rozdzielczość, model aparatu, wersja oprogramowania aparatu, godzina, data itp.).

Tabela 2. Stół wystawowy

Jednocześnie format graficzny RAW, którego nazwa dosłownie oznacza „surowiec”, reprezentuje obraz w postaci pierwotnego, nieprzetworzonego cyfrowego oryginału. Tablica danych RAW zawiera dane przechwycone (bezpośrednio) przez czujnik aparatu i dostosowane zgodnie z tabelą kalibracji aparatu. Obraz klatki zapisywany jest w pliku RAW z taką głębią bitową, z jaką został zdigitalizowany przez przetwornik ADC aparatu. Wiele nowoczesnych modeli aparatów cyfrowych wykorzystuje 10- i 12-bitowe przetworniki ADC, dlatego obraz RAW jest zapisywany z większą głębią bitową niż standardowe 8-bitowe JPEG lub TIFF. Jeśli plik nie jest zapisany w formacie RAW lub TIFF, jest on kompresowany zgodnie z wybranym przez użytkownika współczynnikiem kompresji i algorytmami oprogramowania aparatu. Algorytmy kompresji aparatu starają się zachować równowagę pomiędzy rozmiarem pliku, szybkością przetwarzania i jakością obrazu.

Najbardziej ekonomicznym z wymienionych formatów jest JPEG. Typowy rozmiar 4-megapikselowego pliku JPEG zapisanego w maksymalnej jakości waha się od 1,8-2,5 MB (w zależności od konkretnego tematu zakres może być większy). Objętość zdjęć zapisanych w formacie TIFF zajmuje prawie 12 MB dla zdjęcia 4-megapikselowego i 24 MB dla zdjęcia 8-megapikselowego. Objętość pliku JPEG (nawet przy ustawieniu minimalnego poziomu kompresji) wynosi 5-6 razy mniej niż w przypadku podobnej rozdzielczości TIFF. Pliki RAW zawierają surowe (lub minimalnie przetworzone) dane, co pozwala uniknąć utraty informacji. Pliki takie zawierają pełną informację o obrazie cyfrowym i to w formie nieskompresowanej. Dlatego pliki RAW są większe niż inne formaty plików. Po wygenerowaniu pliku w dowolnym formacie obraz jest zapisywany albo w pamięci wbudowanej, albo na wymiennej karcie pamięci.

2. Fotografując bardzo odległy obiekt aparatem, którego obiektywem jest soczewka zbierająca o ogniskowej f, płaszczyzna kliszy powinna znajdować się od obiektywu w odległości A – Pomiędzy obiektywem a ogniskiem (f) B – Pomiędzy f oraz 2f C – Równe f D – Równe 2f

3. Za pomocą soczewki uzyskuje się na ekranie odwrócony obraz płomienia świecy. Jak zmieni się rozmiar obrazu, jeśli część soczewki zostanie zasłonięta kartką papieru? A – część obrazu zniknie B – wymiary obrazu nie ulegną zmianie C – wymiary zwiększą się D – wymiary zmniejszą się

4. Obiekt znajdujący się w pobliżu ogniska cienkiej soczewki zbierającej przesuwa się do podwójnego ogniska (patrz rysunek). Jego obraz jednocześnie... A - zbliża się do podwójnego ogniskowania soczewki B - oddala się od podwójnego ogniskowania soczewki C - oddala się od ogniska soczewki D - zbliża się do ogniska soczewki

Prawidłowy!!! Brawo! Pięć punktów!!!

Przy tworzeniu prezentacji wykorzystano następujące materiały: 1. Płyta CD „Biblioteka multimediów w fizyce”, Wirtualna Szkoła Cyryla i Metodego 2. Płyta CD „Przygotowanie do jednolitego egzaminu państwowego. Fizyka”, FIZYKONA Od 4 lat korzystam z gry „Kto chce zostać doskonałym uczniem fizyki?” do przeprowadzania ankiety na lekcjach fizyki. (pomysł zapożyczony z gry telewizyjnej). Gra zajmuje 3-4 minuty i naprawdę ożywia lekcję. Zasady gry: uczeń przy tablicy (dokładniej przy ekranie projektora) otrzymuje 6 pytań i ma prawo skorzystać z dwóch podpowiedzi: poprosić komputer o usunięcie dwóch błędnych odpowiedzi i uzyskać pomoc od klasy (aby wszyscy uczniowie na palcach!). Każda błędna odpowiedź obniża wynik o jeden punkt.

„Polaryzacja światła” – fala świetlna. Poznaj obszary zastosowań. Polaryzacja światła. 3. 2. (Polaryzator - płytka w środku). Poznaj właściwości polaroidów. Kompleksowo badaj liniową polaryzację światła. Cele: Badanie warunków polaryzacji światła. Fala świetlna to fala elektromagnetyczna w zakresie długości fal widzialnych. Jak działa polaryzator?

„Fizyka miraży” - Psychologia widzenia. Naświetlanie. Figury niemożliwe są cechą wyobraźni. Miraże „jeziorowe”. Ślepy punkt. Fizyka z kolei jest nauką ścisłą. Nieruchomy obraz sprawia wrażenie poruszającego się. Po zagadce rozwiązanie. Miejska placówka oświatowa „Szkoła średnia Lyapunovskaya”.

„Ludzkie oko” – czerwone linie są równoległe i proste. A ile legend i opowieści wiąże się z tęczą wśród różnych narodów! Optyka obejmuje wszystkie aspekty naszej praktyki. Nie ma chyba osoby, która nie podziwiałaby tęczy. Co to jest zorza? Złudzenia optyczne dzielą się na trzy typy: Dlaczego czasami widzimy rzeczy, których tak naprawdę nie ma?

„Prawa światła” - naturalne. „Podnoszenie kwalifikacji w różnych kategoriach. Rozchodzenie się światła. Zwierciadło płaskie to płaska powierzchnia, która odbija światło w sposób lustrzany. Cele: Zaznajomienie się z promieniowaniem świetlnym i podstawowymi prawami światła. 1. Istnienie i rozwój wszystkich istot żywych następuje pod wpływem wpływ światła i ciepła.

„Załamanie światła” – Charakterystyka światła. Wynalezienie lustra. Geometryczne miejsce wszystkich takich ognisk niehomocentrycznych belek nazywa się kaustycznym. Dopiero w XI w. pojawiły się znane nam szklane lustra. Droga promieni świetlnych Promienie świetlne i zasada Fermata. Promień światła. Belki niehomocentryczne nie zbiegają się w jednym punkcie przestrzeni.

„Dyfrakcja i interferencja światła” - ?1 = ?2. ?maks. = 2 tys. ?/2. ?min = (2k+1) . ?/2. Obserwowanie interferencji: „pierścienie” Newtona. Eksperyment Junga 1802. Obserwacja interferencji w cienkich warstwach. Zakłócenia światła. Wynik dodania fal zależy. Dodawanie fal falowych na powierzchni cieczy. Interferencja i dyfrakcja światła. MI.

W sumie dostępnych jest 15 prezentacji na ten temat

Formuła cienkiej soczewki