Кравчук С.О., Шонін В.О., Основи компютерної техніки

Подождите немного. Документ загружается.

що друкує кадри знімків без участі комп'ютера. Останнім часом цифрові фотокамери де-

далі більше використовуються для введення графічних і звукових даних у комп'ютер.

Основні компоненти цифрової фотокамери (рис. 3.62):

- оптична система;

- сенсори й аналого-цифровий перетворювач;

- блок керування;

- пам'ять для зберігання фотознімків;

- пристрої індикації і керування;

- система електроживлення.

Оптична система цифрової камери містить:

- об'єктив, діафрагму і затвор;

- систему автофокусування;

- систему зміни фокусної відстані;

- систему оптичної стабілізації зображення;

- видошукач;

- імпульсний спалах.

Рис. 3.62. Компоненти цифрової фотокамери: 1 - оптична система; 2 - Flasli-нам'ять;

З - плата АЦП і блоку керування; 4 - пристрої індикації і керування; 5 - спалах;

6 - матриця CCD; 7 - матриця CMOS; 8 - LCD; 9 - шина матриці АЦП; 10 - батарейки;

11 - матриця сенсорів

Лінзи (lenses) об'єктива фотокамери фокусують світловий потік на сенсорах.

Для цифрових фотокамер використовують такі самі об'єктиви, як і для плівкових

211

фотоапаратів, однак фокусна відстань (відстань між лінзами і поверхнею сенсора)

у цих типах фотокамер істотно відрізняється. Це зумовлено тим, що розміри сенсора

становлять від 0,17 до 0,25 розміру кадру 35-міліметрової плівки. З тієї ж причи-

ни лінзи цифрової фотокамери мають бути якіснішими, оскільки вони сфокусовані

на меншій площі.

За лінзами об'єктива у фотокамері розміщено діафрагму (diaphragm), що регулює

кількість світла, яке потрапляє на сервер (діафрагма функціонує подібно зіниці люд-

ського ока, що в темряві розширюється, а за яскравого світла звужується). За діафраг-

мою може розміщуватися затвор (shutter) - шторка, що відкривається тільки в момент

знімання. Для цифрових фотокамер використовують електронний затвор, що вмикає

чи вимикає сенсор для приймання світлового потоку. Багато моделей цифрових камер

застосовують обидва види затворів (механічний затвор для уникнення ефектів ореолу

і нечіткості зображення).

Діафрагма і затвор разом визначають витримку (exposure) знімка - кількість світла

і тривалість його впливу на сенсор для одержання якісного знімка. Витримка зазвичай

визначається автоматично за освітленістю центральної ділянки знімка, однак у деяких

професійних камерах кадр розбивається на декілька ділянок, для кожної з яких ви-

значається значення освітленості, а потім за середнім значенням освітленості визна-

чається витримка знімка. У деяких моделях витримку встановлюють вручну за допо-

могою меню, виведеного на екран LCD, або задають режим, коли з відкриттям затвора

робиться кілька знімків з різними витримками, з яких потім можна вибрати найбільш

якісний.

Багато цифрових фотокамер мають механізм автоматичного фокусування {auto-

focus

System).

Цей механізм використовують і в деяких моделях плівкових фотокамер.

Існує два типи цього механізму: активний і пасивний.

Активне автоматичне фокусування в сучасних фотокамерах забезпечується інфра-

червоним випромінювачем, розміщеним у камері для визначення відстані до об'єкта зні-

мання. Таку систему названо активною тому, що під час фокусування система постійно

генерує імпульси світла. Ці імпульси відбиваються від об'єкта знімання і потрапляють

в інфрачервоний приймач. Відстань до об'єкта визначається або за інтенсивністю відби-

того променя (чим більша відстань, тим менша інтенсивність), або за інтервалом часу

між моментом генерації імпульсу і моментом його реєстрації приймачем (чим більша

відстань, тим більший цей інтервал часу). Потім система керування для фокусування

на об'єкт переміщує лінзи об'єктива в один чи другий бік за допомогою мініатюрного

двигуна.

Пасивне автоматичне фокусування ґрунтується на аналізі контрасту між сусід-

німи ділянками кадру. Спеціальний сенсор автофокусування, виконаний на ліній-

ці елементів CCD розміром 100 чи 200 пікселів, сприймає світлове випромінювання

об'єкта знімання (оскільки механізм автоматичного фокусування не має випроміню-

вача; його названо пасивним). Якщо зображення (вертикальна смуга) відобража-

ється на сенсорі не у фокусі (рис. 3.63, а), то зміни інтенсивності світла між сусідні-

ми пікселами невеликі. Для сфокусованого зображення (рис. 3.63, б) ці відмінності

значно більші. Процесор фотокамери, аналізуючи дані, отримані від сенсора, шукає

точку, у якій ці розбіжності досягають максимального значення у разі переміщення

лінз у той чи той бік.

212

a б

Рис. 3.63. Контрастність сусідніх ділянок кадру: а - якщо кадр не у фокусі;

б - якщо кадр у фокусі

Поряд з об'єктивами, у яких фокусна відстань фіксована, у фотокамері можуть вико-

ристовуватися й об'єктиви зі змінною фокусною відстанню (трансфокатори). Оскіль-

ки зі збільшенням фокусної відстані об'єкт ніби збільшується, такі лінзи називають

збільшувальними лінзами (zoom). Деякі фотокамери мають декілька різних об'єктивів

з фіксованими чи змінними фокусними відстанями. Крім оптичного збільшення (за до-

помогою лінз), у цифрових фотокамерах можна використовувати і цифрове збільшення

кадру. У цьому разі центральний фрагмент кадру збільшується до розмірів повного ка-

дру (при цьому роздільна здатність кадру зменшується).

Чим більша фокусна відстань об'єктива, тим менша припустима витримка. Таке

обмеження викликано тим, що під час хитання об'єктива відносно його поздовжньої

осі світловий потік, відбитий від об'єкта знімання, може відхилитися від оптичної осі,

в результаті чого кадр виходить «змазаним». Так, якщо фокусна відстань стано-

вить 200 мм, витримка має бути не більшою за 0,005 с. Крім того, під час зніман-

ня кадру фотокамера може зміститися (наприклад, через поштовхи у разі знімання

з рухомого автомобіля).

Щоб уникнути цього обмеження, можна використовувати штатив, однак це не

завжди зручно, тому об'єктиви цифрових фотокамер часто оснащують системами

оптичної стабілізації (image stabilizer system). Для цього до складу об'єктива вво-

диться спеціальна лінза, за допомогою зсуву якої у вертикальній і горизонтальній

площинах компенсується відхилення світла від оптичної осі. За нормального по-

ложення фотокамери (рис. 3.64, а) оптична вісь збігається з напрямом на об'єкт.

У разі зсуву фотокамери без використання системи стабілізації точки зображення

на сенсорі також будуть зміщені (рис. 3.64, б). Використовуючи систему стабілі-

зації (рис. 3.64, в), напрям і швидкість хитання об'єктива визначають за допомо-

гою гіроскопічних сенсорів, а поточну позицію лінзи - інфрачервоними датчиками.

При цьому зсув компенсується, тому на сенсорі і оптична вісь, і напрям на об'єкт,

як і раніше, збігаються. Керує роботою всієї системи високошвидкісний мікропро-

цесор.

Видошукач (viewfinder) використовують для напрямлення фотокамери на об'єкт зні-

мання. У цифрових фотокамерах використовують один із трьох видів видошукачів:

- прямий чи оптичний;

- дзеркальний;

- електронний.

213

Рис. 3.64. Принцип функціонування системи стабілізації зображення: а ~ відсутність зсуву;

б - зсув без використання системи стабілізації; в - зсув з використанням системи стабілізації:

І - оптична вісь; 2 - лінзи об'єктива; З - сенсор; 4 - коригувальна лінза; 5 - напрям

на об'єкт знімання; 6 - коригувальний механізм

Прямий, чи оптичний видошукач (рис. 3.65, а) являє собою скляне вічко (що іноді

утримує лінзу), оптична вісь якого паралельна оптичній осі об'єктива. Це найпрості-

ший тип видошукача.

У разі використання дзеркального видошукача (рис. 3.65, б), якщо затвор закритий,

світло від об'єкта знімання спочатку потрапляє на дзеркало, розміщене перед затвором,

а потім проходить через напівпрозорий екран і потрапляє на п'ятигранну призму (пен-

тапризму). Ця призма повертає зображення у зворотному напрямі навколо вертикаль-

ної осі (оскільки після відображення від дзеркала права і ліва сторони кадру міняються

місцями). З відкриттям затвора (механічного чи електронного) дзеркало піднімається

вгору і світло від об'єкта знімання потрапляє на сенсор.

В електронному видошукачі (рис. 3.65, в) зображення, отримане із сенсора, надхо-

дить у блок керування, де поряд із зображенням для зберігання в пам'яті та виведення

на екран LCD формується зменшене зображення для невеликого (розміром близько

0,5 дюйма по діагоналі) екрана LCD на основі матриці TFT.

Імпульсний спалах (flash) дозволяє одержати короткочасне освітлення об'єк-

та знімання з високою яскравістю. Спрощену схему імпульсного спалаху показано

на рис. 3.66.

214

Рис. 3.65. Типи видошукачів: а - оптичний чи прямий; б - дзеркальний; в - електронний:

1 - оптична вісь об'єктива; 2 - оптична вісь видошукача; З - видошукач; 4 - сенсор; 5 - затвор;

6 - напівпрозорий екран; 7 - пентапризма; 8 - затвор; 9 - блок керування; 10 - LCD;

11 - дзеркало, що переміщується

У разі замикання перемикача заряду постійний струм від батарейки, напруга якої

1,5 В, надходить на первинну котушку першого трансформатора, що містить також

коливальний контур, який створює змінний струм і відповідно змінне магнітне поле,

що індукує магнітне поле й електричний струм у вторинній котушці трансформатора.

Оскільки кількість витків у вторинній котушці трансформатора більша, ніж у первин-

ній, з неї знімається струм з більшим значенням напруги (200 В). Цей змінний струм

за допомогою випрямляча знову перетворюється в постійний і заряджає конденсатор.

В електричне коло увімкнено також неонову лампу-індикатор з опором. З досягненням

заданого значення заряду струм проходить через опір і лампа-індикатор починає світи-

тися, засвідчуючи готовність до роботи.

Лампу-спалах заповнено інертним газом - ксеноном, що у звичайному стані майже

не містить вільних електронів і тому не проводить електричного струму, у разі натис-

кання кнопки затвора у фотокамері синхронно з нею замикається перемикач розряду,

а заряд конденсатора надходить у другий трансформатор, що знову підвищує напругу

(до 1000...4000 В) і подає його на металеву пластину, названу тригерною пластиною.

215

яка розміщена поруч з лампою-спалахом. Під впливом високої напруги газ у лампі-

спалаху іонізується, тобто атоми газу втрачають електрони і на короткий час газ стає

провідником, що викликає потужне короткочасне світіння лампи.

Перемикач

заряду

Випрямляч Лампа-спалах

Батарейка

Індикаторна

лампа \

Перший

трансформатор

з коливальним

контуром

Тригерна

пластина

Другий

трансформатор

Перемикач

розряду

Конденсатор

Рис. 3.66. Спрощена схема імпульсного спалаху

У сучасних цифрових фотокамерах яскравість спалаху керується мікропроцесо-

ром. Для визначення тривалості і потужності спалаху враховуються відстані до об'єкта

знімання, його освітленість, допустимі значення діафрагми і витримки та чутливість

сенсора. Крім того, використовуючи об'єктив зі змінною фокусною відстанню, кут роз-

сіювання в спалаху можна змінювати (чим менша фокусна відстань, тим більший кут

розсіювання). Така зміна досягається переміщенням відображувача всередині спалаху

за допомогою сервоприводу.

Використання спалаху зумовлює ефект «червоних очей» {ефект «вампірів»), коли на

знімку зіниці людей стають яскраво-червоного кольору, що викликано відображенням

світла спалаху від очного дна. Найбільш ефективним засобом боротьби з цим ефектом є

максимальне віддалення спалаху від об'єктива.

У цифровій фотокамері як сенсор використовується або матриця елементів CCD,

або матриця елементів CMOS. У матрицях CCD заряд послідовно передається від

одного елемента рядка чи стовпця до другого і зчитується на одній зі сторін матри-

ці. В елементах матриці CMOS, крім світлочутливих пристроїв, містяться також

кілька транзисторів, що підсилюють струм і спрямовують його по проводах на ви-

хід матриці.

Аналогово-цифровий перетворювач виконує зведення аналогових значень заряду

(для CCD) чи напруги (для CMOS) до числових. На сенсорі CMOS АЦП інтегрований

в мікросхему, а на сенсорі CCD він розміщується в окремій мікросхемі, або в багато-

функціональній мікросхемі.

Елементи сенсора не чутливі до кольору, але фіксують інтенсивність падаючого

на них світла. Кольорове зображення в сенсорі одержують за трьома основними техно-

логіями.

За першою технологією - технологією 3CCD - елементи матриці розбиваються

на трійки. Кожний елемент у трійці має свій світлофільтр (червоний, зелений чи си-

ній). Перед кожною трійкою елементів міститься світлоділильна призма, що розбиває

216

падаючий на неї пучок світла на три пучки, кожний з яких спрямовується на свій еле-

мент трійки (рис. 3.67, а). Цей спосіб зазвичай використовують у дорогих професійних

апаратах.

Зелений

Промінь

світла

Черюний

Червоний

Зелений

Синій

в • Я К В •

І и • • л • •

т и

Рис. 3.67. Технології одержання кольорового зображення в сенсорі: а - поділ пучка спітла;

б - використання обертових світлофільтрів; в - використання шаблона фільтрів Ваєра:

• - червоний елемент; • - зелений елемент; • - синій елемент

За другою технологією перед сенсором міститься три світлофільтри, що обертаються

з великою швидкістю (рис. 3.67, б). У цьому разі за час одного періоду обертання каме-

ра має залишатися нерухомою.

За третьою технологію кожний елемент матриці має свій світлофільтр, тобто кожна

ділянка матриці сприймає тільки свій компонент кольору. Щоб визначити значення

інших компонентів кольору в заданій точці, використовують інтерполяцію за значен-

нями кольорів у точках, сусідніх з цією точкою (така інтерполяція виконується піс-

ля перетворення зображення з аналогової форми в цифрову). Світлофільтри в матриці

розміщуються за визначеним шаблоном. Найчастіше використовують шаблон фільтрів

Баєра (рис. 3.67, в), у якому кількість зелених світлофільтрів дорівнює кількості черво-

них і синіх світлофільтрів. Такий розподіл світлофільтрів враховує той факт, що чутли-

вість людського ока вища в зеленій ділянці спектра.

За останньою технологією через помилки інтерполяції можливе спотворення як

кольорів, так і форми об'єкта знімання. Крім цього, за першою чи третьою технологі-

єю фактична роздільна здатність матриці буде меншою, оскільки один піксел зобра-

217

ження формують три або чотири елементи сенсора. Щоб зменшити ці спотворення і

збільшити роздільну здатність матриць CCD, було розроблено технологію Super CCD,

а для матриць CMOS - технологію ХЗ.

За технологією Super CCD форму елемента матриці змінено з прямокутної на восьми-

кутну (рис. 3.68, а), що дозволило збільшити ш,ільність розміщення елементів у матриці.

Піксел

Елемент сенсора

а б

Рис. 3.68. Технології збільшення роздільної здатності зображення в цифровій фотокамері:

а - технологія Super CCD; б - технологія ХЗ (для CMOS):

• - червоний елемент; • - зелений елемент; • - синій елемент

За технологією ХЗ (рис. 3.68, б) замість одного шару елементів використовують

три шари, причому елементи кожного шару мають світлофільтр свого кольору (зе-

леного, червоного чи синього). Ця технологія ґрунтується на властивості променів

зеленого, червоного і синього кольорів проникати у силіцій (кремній) на різну гли-

бину.

Блок керування цифрової фотокамери містить один чи декілька цифрових сигналь-

них процесорів DSP, один або декілька мікропроцесорів, оперативну пам'ять, а також

постійний запам'ятовувальний пристрій на базі Flasii-пам'яті.

У DSP числові дані з виходу АЦП перетворюються в зображення і спрямовуються в

оперативну пам'ять. При цьому у фотокамерах, що використовують третю технологію

формування кольору, виконується також інтерполяція кольорів. Зображення в DSP

формується з такою роздільною здатністю, яку забезпечує матриця сенсорів цієї фото-

камери, наприклад, 2048x1548 пікселів. Разом з тим для цифрових фотокамер можна

вибрати й іншу, меншу роздільну здатність із заданого для цієї моделі набору значень

(наприклад, 640x480 пікселів), отриманих у результаті вилучення деяких пікселів та

інтерполяції. Слід зазначити, що в сенсорах CMOS відсівання «зайвих» для цієї роз-

дільної здатності пікселів можна виконувати безпосередньо під час знімання, що до-

зволяє прискорити оброблення зображення.

Процесор DSP виконує також аналіз і коригування зображення: змінюван-

ня яскравості, контрастності, балансу кольорів тощо. Він перетворює зображення,

що знаходиться в оперативній пам'яті, в один із графічних форматів, у яких зберіга-

ються знімки у вбудованій чи зовнішній пам'яті.

Залежно від можливостей моделі фотокамери в ній можуть бути й інші процесори.

Так, якщо фотокамера має режим відеознімання, то в неї може бути вбудований про-

цесор, що виконує перетворення відеокліпу у формат MPEG-2 чи MPEG-4.

218

в енергонезалежній Flash-пам'яті зберігаються коди програм оброблення зо-

бражень, використовувані DSP і процесорами, коди настроювання користувача

і деякі інші дані.

У більшості комп'ютерів для зберігання знімків використовується вбудована

пам 'ять, реалізована на модулях Flash-пам'яті (для деяких старих і дешевих фотокамер

це єдиний вид пам'яті для зберігання результатів знімання). Однак майже всі сучасні

фотокамери містять як основне (а іноді і єдине) сховище знімків - зовнішню пам'ять.

У перших цифрових фотокамерах як зовнішню пам'ять для зберігання кадрів ви-

користовували дискету 3,5 дюйма, що потім зчитувалася на комп'ютері. Основний вид

зовнішньої пам'яті сучасних цифрових фотокамер - карта пам'яті PC Card чи карта

Flash-пам'яті, виконана за однією зі специфікацій: CompactFlash, SmartMedia, SD,

ММС, MemoryStick чи xD-Picture. Деякі моделі можуть підтримувати кілька видів

Flash-пам'яті. Кілька моделей фотокамер як зовнішню пам'ять використовують або

жорсткі диски для портативних комп'ютерів (з форм-фактором 2,5 дюйма), або жор-

сткі диски за специфікацією PC Card. І, нарешті, окремі моделі фотокамер обладна-

ні - CD-R4n CD-RW, або DVD- дисками (DVD-R чи DVD-RAM).

Склад і функції пристроїв керування й індикації залежать від моделі.

Основні пристрої індикації і керування:

- екран LCD, використовуваний для перегляду зроблених знімків і їх коректування чи

видалення, виведення меню керування фотокамерою (для деяких моделей - як ви-

дошукач);

- кнопки керування меню на екрані LCD;

- кнопка спуска затвора;

- перемикачі режимів знімання.

До складу системи електроживлення входять батарейки із зарядним пристроєм,

а також (у більшості моделей) перехідник, що дозволяє одержувати електроживлення

від побутової електромережі змінного струму.

Основні характеристики цифрових фотокамер. Основні характеристики цифро-

вих фотокамер такі:

- кількість пікселів у сенсорі та кількість ефективних пікселів;

- форм-фактор сенсора;

- тип сенсора;

- роздільна здатність знімків;

- фокусна відстань і світлосила об'єктива;

- максимальні значення оптичного і цифрового збільшення;

- мінімальний і максимальний час спрацьовування затвора;

- механізм автоматичного фокусування;

- тип видошукача;

- регулювання балансу білого;

- світлочутливість;

- розрядність АЦП;

- підтримувані формати знімків;

- тип зовнішньої пам'яті;

- ємність зовнішньої пам'яті;

- ємність вбудованої пам'яті для зберігання знімків;

219

- інтерфейси;

- електроживлення;

- додаткові можливості.

Важлива характеристика цифрової фотокамери - кількість пікселів (окремих еле-

ментів) у сенсорі (деякі виробники вказують окремо кількість пікселів по горизонталі

і по вертикалі). Однак не всі пікселі сенсора беруть участь у формуванні зображення.

Це або дефектні пікселі, або пікселі, що використовуються камерою за іншим призна-

ченням (наприклад, для визначення формату кадру). Звичайна кількість таких піксе-

лів становить близько 5% від їх загальної кількості. Тому поряд з кількістю пікселів

для фотокамери вказується і кількість активних пікселів. Перші цифрові фотокамери

мали близько одного мільйона пікселів (чи один мегапіксел - 1 Мріх). Тепер найбільш

досконалі цифрові фотокамери мають у сенсорі до 14 мегапікселів і більше. Цифрова

фотографія поки що поступається плівковій, у якій для плівки ISO 100 за щільності

200 зерен на міліметр загальна кількість зерен дорівнює 34 500 000.

Сенсор цифрових фотокамер має фіксований розмір, названий форм-фактором.

Найпоширеніші форм-фактори сенсорів - 1/3, 1/1,8 і 2/3 дюйма по діагоналі.

Тип сенсора (CCD чи CMOS) визначає якість знімків і ціну цифрової камери. Еле-

менти CCD більш чутливі до світла і точніше визначають його інтенсивність. Крім

того, у них майже немає паразитного - темпового струму. Кількість пікселів у сен-

сорах CCD більша, ніж у сенсорах CMOS, однак цей діапазон постійно скорочуєть-

ся. Водночас елементи CMOS споживають значно менше електроенергії і дешевші

за масового виробництва. Оскільки сенсори CCD забезпечують кращу якість знімків,

їх використовують у професійних цифрових фотокамерах, а сенсори CMOS - у фото-

камерах масового попиту.

Знімки в цифровій фотокамері можна робити з різною роздільною здатністю

(чим більша роздільна здатність, тим краща якість знімка, але тим більше місця

він займає в пам'яті). Мінімальне значення роздільної здатності зазвичай дорів-

нює 640x480 пікселів (у дуже дешевих камерах - 256x256 пікселів), максимальне-

2048x1536 пікселів. У професійних камерах роздільна здатність може досягати

3264x2448 пікселів і більше.

Оскільки багато власників цифрових фотокамер користувалися до цього плівковими

камерами, то як фокусна відстань указувалася не дійсна фокусна відстань, а фокусна

відстань, зведена до 35-міліметрового еквівалента. Так, якщо розмір сенсора дорівнює

0,17 розміру кадру, то дійсна фокусна відстань 5,44 мм у 35-міліметровому еквіва-

ленті становить 35 мм, фокусна відстань 7,7 мм - 50 мм, а фокусна відстань 16,2 мм -

105 мм. Фокусну відстань часто позначають буквою/. Світлосила, яку позначають часто

великою буквою F, визначається як відношення фокусної відстані об'єктива до діаме-

тра його передньої лінзи. Чим менше значення F, тим краще об'єктив пропускає світло,

а отже, тим кращі знімки можна отримати в умовах малої освітленості. Високе значення

освідчить про велику глибину різкості. Зазвичай для цифрових фотокамер значення F

лежить у діапазоні 2...5 (для трансфокаторів указується діапазон значень F, наприклад,

7і'=2,8...4,2).

У разі використання об'єктивів зі змінною фокусною відстанню вказується макси-

мальний коефіцієнт оптичного збільшення, наприклад, Зх (при цьому фокусна від-

стань об'єктива буде змінюватися в діапазоні 35... 105 мм). Сучасні камери можуть мати

220