Цифровой фотоаппарат и цифровая фотография

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное образовательное автономное

учреждение высшего профессионального образования

"ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ"

Технологический институт в г. Таганроге

Радиотехнический факультет

Кафедра РПрУиТВ

РЕФЕРАТ НА ТЕМУ

Цифровой фотоаппарат и цифровая фотография

Выполнил: ст.гр. Р-48

Проверил: к.т.н.,

доцент каф. РПрУ и ТВ

Мелешкин С.Н..

Таганрог 2011

Содержание

1.Линзы и объектив

2.ПЗС матрицы

2.1 Внутренний фотоэффект

2.2 Матрицы с буферизацией столбцов

3. ПЗС-матрицы камер формата DV

4. Камеры с одной и тремя ПЗС-матрицами

Список использованных материалов

1.Линзы и объектив

Объектив - немаловажный компонент, который часто недооценивают. Тем не менее именно объектив отвечает за формирование изображения, и никакая повышенная чувствительность матрицы не сможет компенсировать неправильно сформированное изображение. Отдельным элементом объектива является линза. Линзы производятся из стекла, но в недорогих камерах, как правило, используют линзы из пластика. Естественно, это хуже, потому что диапазон света, пропускаемого пластиковой линзой, меньше, чем у стеклянной.

Линзы объединяются в группы по несколько элементов в каждой. Обычно в объективе смонтировано не меньше трех линз. В сложных объективах может быть до 10-15 элементов в трех-четырех группах. Увеличение количества элементов позволяет компенсировать искажения, вносимые объективом, т.е. как правило, чем сложнее объектив, тем более качественное изображение он формирует. Искажения, привносимые объективом, называются аберрацией. Аберрация может быть геометрической, например бочкообразные и подушкообразные искажения изображения, а может быть хроматической, т.е. искажением цветопередачи. К таким искажениям относится синяя или пурпурная кайма на границе сильно контрастных областей изображения. Данные дефекты иногда наблюдаются в дешевых камерах. Геометрическая аберрация возникает из-за искажения направления движения света при проходе через линзы. Свет частично поглощается материалом линз, частично рассеивается, частично преломляется. Все это влияет на количество и качество света, проходящего через объектив и попадающего на матрицу.

Хроматическая аберрация вызвана тем, что волны разной длины с различной скоростью проходят через стекло: одни быстрее, другие - медленнее. В результате происходит разложение света по спектру. Этот эффект всем знаком на примере прохождения света через призму. Как раз для компенсации хроматической аберрации используют множество линз в объективах. Теоретически, чем больше линз, тем лучше они компенсируют хроматическую аберрацию. Но на самом деле при увеличении их количества возникает множество потерь, связанных с поглощением, рассеянием и искажением. К тому же такая система требует тщательной сборки объектива и точности изготовления линз, что приводит к существенному увеличению цены. Объективы ничем не различаются у пленочных и цифровых фотокамер, кроме электронной системы управления. Принципы работы со светом никак не зависят от метода фиксирования изображения. Основными характеристиками объективов являются фокусное расстояние, апертура, выдержка, чувствительность и светосила.

Фокусное расстояние

Этот термин многим знаком еще со школы. Под фокусным расстоянием объектива понимается расстояние, измеряемое в миллиметрах, от линзы до фокальной плоскости объектива. Фокальная плоскость параллельна плоскости линзы и проходит через ее фокус. Фокус - точка, в которой собираются лучи, проходящие через линзу (для выпуклой, собирающей линзы). В фотоаппарате в фокальной плоскости располагается либо пленка, либо матрица. Таким образом, объектив собирает свет и фокусирует его на светочувствительную поверхность. От фокусного расстояния прямо зависит коэффициент увеличения линзы (или объектива). Чем больше фокусное расстояние, тем больше увеличение объектива и тем меньше угол зрения. В зависимости от фокусного расстояния объективы бывают широкоугольными или длиннофокусными. Широкоугольные объективы зрительно отдаляют объект, делают его меньше, но угол охвата изображения у них больше, поэтому они и называются широкоугольными. Длиннофокусные объективы приближают объект и сужают поле зрения.

Фокусировка в камере зависит от размера светочувствительного элемента. Для традиционных камер этот размер соответствует ширине пленки - 35 мм. Теперь размеры матриц не только меньше, но еще и различны для разных камер. Поэтому параметры фокусного расстояния объектива цифровой камеры часто приводятся относительно стандартных 35 мм. Это позволяет сравнивать различные объективы по фокусному расстоянию, не принимая во внимание размеры матрицы, а также позволяет однозначно определить следующее: * Объектив с фокусным расстоянием 50 мм примерно соответствует нормальному углу зрения человека и подходит для съемок средних планов, например па улице. * Фокусное расстояние 90-130 мм подходит для портретной съемки. Снимать ими можно с достаточно большого расстояния, и из-за небольшой глубины резкости они «скрадывают» мелкие морщины. * С 200 мм начинаются телеобъективы. Их назначение - съемка на большом расстоянии, например, спортивных состязаний, пугливых птиц и животных. Они имеют сложную оптическую систему с большими линзами для обеспечения минимальных искажений. * Объективы с 28-35 мм фокусного расстояния называются «средними широкоугольннками» и обеспечивают приемлемые искажения при увеличенном угле зрения. Они подходят для съемки в помещениях с ограниченной свободой перемещения. Часто используются в недорогих камерах. * При фокусном расстоянии менее 20 мм искажения уже явно заметны. Такие объективы называют «рыбий глаз» из-за кажущегося трехстороннего «охвата» объекта съемки. Используются только как особый художественный прием.

В цифровых камерах обычно используются объективы с переменным фокусным расстоянием, т.е. они могут быть и широкоугольными, и длиннофокусными в зависимости от установленного значения фокусного расстояния. Часто эта возможность называется зум (Zoom - увеличение). Увеличение может быть оптическим и цифровым. Оптическое увеличение достигается возможностями оптики объектива, как раз изменением фокусного расстояния, поэтому оно не приводит к ухудшению качества. Максимальное значение зума легко рассчитать, прочитав на объективе диапазон доступных фокусных расстояний. Например, если на объективе указан диапазон 5,4-16,2 мм, то максимальное увеличение будет 16,2/5,4=3 - трехкратный зум.

Как узнать фокусное расстояние объектива

Очень просто. Фокусное расстояние указывается на оправе объектива, рядом указывается его светосила. На фотографии мы видим старый советский объектив Гелиос 44к-4, который имеет фокусное расстояние 58 мм, а светосилу f2 (обозначена 1:2). Фокусное расстояние я указал на фотографии жёлтой стрелочкой.

Что ещё можно рассказать про объектив, глядя на его обозначения? Немного.

Эта модель Гелиоса имеет байонетное крепление "К" (пойдёт под зеркалку Pentax без всяких адаптеров), многослойное просветление, постоянное фокусное расстояние 58 мм, светосилу f2, посадочную резьбу для светофильтров -- М52x0,75, сам объектив выпускался для фотоаппаратов Зенит с байонетом "К" на Красногорском механическом заводе, о последнем говорит значок призмы с преломлённым лучом... Можно, конечно, рассказать про данную оптику значительно больше, чем говорят её обозначения - но это выходит за рамки статьи про фокусное расстояние...

На меньшей матрице - при одном и том же фокусном расстоянии - кадр будет обрезан, а угол зрения меньше

Цифровой зум позволяет повысить кратность увеличения, но приводит к ухудшению качества, поэтому не рекомендуется к применению. Точно такое же увеличение вы можете впоследствии сделать на компьютере. Механизмы цифрового зума и увеличения фотографии на компьютере идентичны. В обоих случаях процессор рассчитывает, пиксели каких цветов и в каких местах надо добавить при увеличении изображения. Ухудшение происходит из-за того, что эти пиксели не были восприняты светочувствительной матрицей изначально, т.е. их не было в исходном изображении. А процессор вычисляет их с помощью аппроксимации (вычисление среднего значения), анализируя соседние существующие пиксели.

Апертура и выдержка

Каждый объектив регулирует интенсивность и продолжительность воздействия света на матрицу или пленку. Интенсивность регулируется с помощью ирисовой диафрагмы, которая состоит из тонких металлических лепестков. Эти лепестки могут уменьшать и увеличивать отверстие, через которое проходит свет в объективе, тем самым увеличивая или уменьшая его количество. Степень открытия диафрагмы иногда называется апертурой. В русскоязычной литературе по фотографии используется термин диафрагма. Измеряется диафрагма в единицах отношения фокусного расстояния к диаметру открытия диафрагмы. Соответственно, чем больше икдекс диафрагмы, тем меньше диаметр. Диафрагма обозначается посредством чисел, которые являются членами некой фиксированной последовательности, например f4, f8, П6 и т.п. В пленочных камерах использовались механические затворы, которые открывали отверстие объектива на определенное время для засветки пленки. При этом длительность облучения пленки светом зависит от времени, в течение которого затвор остается открытым. Это время называется выдержкой. Выдержка измеряется в секундах и долях секунды. Значения выдержки тоже образуют стандартный ряд: 1/500, 1/250, 1/125, 1/60, 1/30, 1/15, 1/8, 1/4, 1/2, 1, 2, 4, 8 и т.д. При съемке неподвижных объектов можно использовать большие значения выдержки, а при низкой освещенности объекта выдержка сильно возрастает. Ведь необходимо время, чтобы нужное количество света попало на пленку. И, наоборот, при съемке движущихся объектов или при хорошей освещенности выдержка должна быть маленькой, чтобы успеть заснять объект или чтобы количество попавшего света не было слишком большим. Таким образом, между выдержкой и диафрагмой существует связь. Разберем это на примере и заодно посмотрим, когда автоматическая работа камеры может не дать нужного результата. Современные камеры имеют встроенные средства измерения для автоматического замера экспозиции и выдержки. Предположим, вы снимаете спортивные состязания и автоматические измерения при этих условиях дали вам диафрагму П6 и выдержку 1/60. Эти параметры пригодны для съемки неподвижных изображений, поэтому выдержка слишком большая. Если же вы собираетесь снимать бегуна с такой выдержкой, то его фотография получится размазанной. За то время, пока затвор будет открыт, бегун переместится, и это движение успеет зарегистрировать ваша камера. Поэтому выдержку надо уменьшить, например, в 2 раза. Уменьшаем ее вручную до 1/125. Но теперь затвор будет открыт очень ненадолго, и света может не хватить для экспонирования пленки. Чтобы избежать этого, надо увеличить отверстие диафрагмы в два раза - до f8. Теперь количество света будет в 2 раза больше. Таким образом вы сможете получить не смазанный снимок спортсмена с правильно подобранной экспозицией. Хотя мы привели пример для пленочной камеры, для цифрового аппарата выбор правильной экспозиции проводится аналогичным образом.

Чувствительность

Для пленочных фотоаппаратов выпускались пленки с различной чувствительностью. Под этим термином понимается восприимчивость пленки к свету. Более чувствительная пленка воспринимает даже небольшое количество света. Это особенно полезно при плохом освещении. Традиционно чувствительность измеряется в единицах ISO: ISO100, ISO 200, ISO 400, ISO 800. Чем больше число ISO, тем чувствительнее пленка. Большая чувствительность плоха тем, что пленка имеет большую зернистость, которая впоследствии дает шумы на фотографии. К сожалению, этот недостаток имеется не только в пленочных, но и в цифровых камерах. Хотя эти фотоаппараты и не имеют пленки, чувствительность в них существует. Она либо выставляется вручную, либо определяется камерой автоматически. И недостаток сохранился - чем больше чувствительность, тем больше шумов дает матрица. Параметр чувствительности связан с диафрагмой и выдержкой. Чем больше чувствительность, тем меньше надо света, чтобы проэкспонировать пленку или матрицу, а значит, можно уменьшить диафрагму или выдержку. И наоборот. Если вы хотите уменьшить чувствительность, чтобы сократить шумы матрицы, то увеличьте либо диафрагму, либо выдержку.

Светосила Под светосилой объектива понимается отношение освещенности на светочувствительной матрице к яркости снимаемого объекта. Чем выше светосила, тем габариты камеры больше и тем выше ее чувствительность. Естественно, камеры с большей светосилой более дорогие. Светосила указывает максимально возможное значение диафрагмы при конкретном значении фокусного расстояния. Если на объективе встретилась вот такая маркировка: 7-21мм /2,0-2,8 диафрагма 2,0-8,0, то это расшифровывается таким образом: * Объектив имеет переменное фокусное расстояние от 7 до 21 мм. * При фокусном расстоянии 7 мм он имеет диапазон диафрагм f2-f8, соответственно светосила - 2 (максимально возможное значение диафрагмы). * При фокусном расстоянии 21 мм он имеет диапазон диафрагм f2,8-f8, светосила-2,8.

Некоторые особенности объективов

Объективы могут иметь резьбу на торце для крепления насадок и фильтров. Некоторые фирмы используют корпуса объективов для размещения различных органов управления камерой. Фирма Sony сделала объектив, меняющий угол наклона в вертикальной плоскости относительно корпуса самой камеры. В профессиональных и дорогих любительсикх камерах есть возможность смены объективов. Для этого корпус камеры имеет отверстие с резьбой, в которое ввинчивается объектив или фиксируется другим способом. Более простые камеры имеют объективы, втягивающиеся в корпус. Это удобно для недорогих камер, которые можно всегда носить с собой и не бояться повредить объектив. Однако стоит отметить, что характеристики таких объективов не высоки.

Наличие автофокуса, помимо более резкого изображения близкорасположенных объектов съёмки, обеспечивало и более высокую светосилу объективов. Дело в том, что в объективах со свободным фокусом, которыми оборудованы Kodak DC-20 и DC-210, используется такое оптическое свойство, как гиперфокальное расстояние - минимальное расстояние от съемочного объектива до воображаемой плоскости в пространстве. При фокусировке объектива на эту плоскость дальняя граница изображаемых им резко объектов оказывается в бесконечности, а ближняя граница (то есть минимальная дистанция съемки) оказывается на расстоянии, равном половине гиперфокального расстояния.

Поскольку величина гиперфокального расстояния прямо пропорциональна квадрату фокусного расстояния объектива и обратно пропорциональна его диафрагме, производители, стремясь уменьшить ближнюю границу съемки (хотя бы до 1,5 метров), используют объективы с максимально закрытой диафрагмой, которые совершенно не приспособлены для съёмки при недостаточной освещённости.

Если приходится снимать в помещении со слабым источником света, либо на улице в сумерках, то оптика должен быть как можно более светосильной. Как правило, таковым считается объектив, минимальное значение диафрагменного числа которого 2,8 и ниже. Производители вариообъективов считают "светосильной" оптику с самыми разными параметрами, однако правильнее всего называть этим термином такой объектив, у которого при "коротком" фокусе максимальное относительное отверстие эквивалентно f/2,0-f/2,8, а при "длинном" фокусе - f/2,5-f/3,0. Такая оптика обеспечивает более интенсивный световой поток, чем обычные объективы, поэтому можно использовать "короткие" выдержки и уменьшить риск "сдёргивания" кадра. Кроме того, светосильные объективы более "спокойно" переносят установку различных насадок - насадочных линз и светофильтров, так как ослабление светового потока этими насадками ограничивает их использование совместно с обычными объективами.

Casio EXILIM EX-Z3 (Разрешение 2048X1536, объектив 35-105 мм, f/2,6-f/4,8)

Так или иначе, большинство современных компактных цифровых фотокамер снабжаются вариообъективами обычной, хотя и довольно миниатюрной, конструкции. А вот схема объективов первых цифровых фотоаппаратов с оптикой высокой (порядка 10Х) кратности по-настоящему интересна с инженерной точки зрения.

Дело в том, что чем больше фокусное расстояние объектива, тем "короче" максимальная допустимая выдержка. Такое ограничение вызвано тем, что при колебании объектива относительно его продольной оси световой поток, отраженный от объекта съемки, в процессе экспонирования смещается от оптической оси, в результате кадр получается "смазанным". Чтобы избежать этого, применяется так называемое "правило обратной пропорциональности", согласно которому соотношение фокусного расстояния и выдержки, не вызывающей "смазанности", обратно пропорционально. То есть при фокусном расстоянии 200 мм выдержка не должна быть продолжительнее 1/200 секунды.

Избежать ограничения по минимальной выдержке можно использованием штатива, однако он представляет собой довольно громоздкое устройство, поэтому объективы, предназначенные для телесъёмки, зачастую оснащают системами оптической стабилизации.

Конструкция данного устройства достаточно сложная, чтобы описывать ее детально, а основной принцип состоит в использовании линзы, перемещающейся перпендикулярно оптической оси.

Принцип работы системы оптической стабилизации Canon Image Stabilizer

Стабилизация посредством перемещения линзы осуществляется как в вертикальной, так и горизонтальной плоскости. Система гироскопических сенсоров определяет как направление, так и скорость смещения. Для перемещения корректирующей линзы используется соленоид, поскольку такие приводы отличаются малыми габаритами и весом, быстрой реакцией и скромным энергопотреблением. Определение текущей позиции линзы осуществляется инфракрасными датчиками, а вся работа управляется высокопроизводительным микропроцессором.

При использовании системы Image Stabilizer выдержку можно увеличивать примерно в 4 раза относительно правила обратной пропорциональности. Например, выдержка в 1/50 может успешно применяться при фокусном расстоянии 200 мм.

2. ПЗС-матрицы

Основные параметры ПЗС-матриц

В последние годы в околокомпьютерной (и не только) прессе довольно часто встречаются восторженные обзоры, посвящённые очередному «технологическому чуду, призванному революционным образом повлиять на будущее цифровой фотографии»-- это обобщённый вариант фразы, в той или иной форме встречающейся в каждой из подобного рода статей. Но что характерно-- спустя всего год первоначальный ажиотаж постепенно сходит на «нет», а большинство производителей цифровой фототехники вместо «передовой разработки» предпочитают использовать проверенные решения.

Рискну предположить, что причина такого развития событий довольно проста - достаточно обратить внимание на «гениальную простоту» того или иного решения. В самом деле, разрешения матрицы недостаточно? А давайте пикселы не столбцами и строками, а диагональными линиями располагать, а потом «повернём» программным путём «картинку» на 45 градусов-- вот у нас разрешение сразу в два раза вырастет! Неважно, что таким образом повышается чёткость только строго вертикальных и горизонтальных линий, а наклонные и кривые (из которых и состоит реальное изображение) остаются без изменений. Главное, что эффект наблюдается, значит и громогласно заявить об этом можно.

К сожалению, современный пользователь «избалован мегапикселями». Ему невдомёк, что каждый раз при увеличении разрешения разработчикам «классических» ПЗС-матриц приходится решать сложнейшую задачу по обеспечению приемлемого динамического диапазона и чувствительности сенсора. А вот «решения» вроде перехода с прямоугольной на октагональную форму пикселов рядовому фотолюбителю кажутся вполне понятными и обоснованными-- ведь об этом так доступно написано в рекламных буклетах…

Цель данной статьи -- попытаться на самом простом уровне объяснить, от чего зависит качество изображения, получаемого на выходе с ПЗС-матрицы. При этом от качества оптики совершенно спокойно можно абстрагироваться-- появление уже второй по счёту «зеркалки» стоимостью менее 1000 долларов (Nikon D 70) позволяет надеяться, что дальнейший рост разрешения сенсоров для камер приемлемой ценовой категории не будет ограничиваться «мыльничными» объективами.

2.1 Внутренний фотоэффект

От количества и размера ПЗС-матриц во многом зависит качество изображений, которое может быть получено камерой. Особенности ПЗС-технологии, ее возможности и недостатки рассматривает автор статьи.

Для тех, кто серьезно занимается цифровым видео (DV), модели видеокамер с тремя ПЗС являются действующим стандартом. Процесс разделения цветов в видеокамерах с одним кристаллом не позволяет получать изображение профессионального качества, так как сенсоры красного, зеленого и синего цветов в них расположены на одном пикселе увеличенного размера, размещенного на поверхности датчика. Но зато они существенно дешевле, чем аналогичные по функциональным возможностям модели с тремя кристаллами.

В моделях с тремя ПЗС, с помощью призмы, расположенной позади объектива, красная, зеленая и синяя составляющие изображения направляются на соответствующие мишени матрицы. В результате формируются обособленные каналы RGB, которыми можно манипулировать с величайшей точностью.

ПЗС-матрица -- это аналоговое устройство: электрический ток возникает в пикселе изображения в прямом соотношении с интенсивностью падающего света. Чем выше плотность пикселей в ПЗС-матрице, тем более высокое разрешение будет давать видеокамера. ПЗС-матрицы, применяемые в видеокамерах стандарта DV, обеспечивают меньшее разрешение, чем 35-миллиметровые кинокамеры, а вот плотность размещения пикселей в некоторых профессиональных моделей фотоаппаратов (с ПЗС на 9 магапикселей и выше) уже приближается к пленочному стандарту.

Расположение пикселей

Всем ПЗС-матрицам свойственно наличие наведенных помех, так как индивидуальные пиксели размещаются по поверхности не непрерывно, а с промежутками, которые не позволяют камере захватывать непрерывное изображение с хорошим разрешением.

Дискретный рисунок решетки не позволяет достичь разрешения, характерного для кинофильмов, но если пиксели укладывать ровными аккуратными рядами, то существенно снизится способность матриц к записи мелких деталей и возникнут другие побочные эффекты, в том числе эффект ступенчатости тонких вертикальных линий.

Для подавления помех такого рода была использована технология, которую назвали «пространственное смещение». Суть ее заключается в том, что ПЗС-матрицы для красного, зеленого и синего цветов не должны быть идеально выровненными: ПЗС-матрица для зеленого цвета смещается приблизительно на полпикселя по отношению к матрицам для красного и зеленого цветов. Для операторов со стажем, которые еще помнят филигранно изготовленные камеры с электронно-лучевыми трубками, идея повышения разрешения за счет осознанного сдвига ПЗС-матрицы с плоскости регистра, кажется нелогичной. Но при таком способе организации, на самом деле, достигается максимальная эффективность в подавлении помех.

Но и у этой маленькой хитрости под названием «пространственное смещение», есть свои отрицательные стороны. Так, при съемках видеокамерой формата DV изображений, насыщенных мелкими деталями, например обширных пространств, покрытых сочной травой, для существенной части изображения не произойдет сдвига в канале зеленого цвета, что приведет к появлению ярко выраженного эффекта ступенчатости и другим помехам.

В некоторых цифровых видеокамерах (например, в JVC GY-DV300), подобные недостатки зеленого канала подавляются за счет оптического низкочастотного фильтра, расположенного между объективом и призмой. Незначительный блюр, который образуется благодаря фильтру, помогает подавлять большинство нежелательных дефектов.

Закон Найквиста

Меломанам, знакомым с принципами цифровой записи звука, хорошо известен закон Найквиста. Он гласит, что аналоговые волновые формы можно безошибочно восстанавливать по выборке при преобразовании в два раза превышающей частоту аналогового сигнала. Но специалисты, разрабатывающие цифровые видеокамеры, находятся под сильным гнетом экономии битов и байтов. Поэтому среди инженеров, работающих на Sony, Panasonic или JVC, вряд ли найдутся приверженцы удвоения частоты выборки, которая приведет к увеличению размера файла. Главное преимущество технологии пространственного смещения заключается в том, что она позволяет увеличить разрешение без обращения к более высокой частоте выборки.

Для многих цифровых видеокамер характерно появление заметного красного оттенка в затемненных участках. Это связано с неравномерностью сжатия по красному, зеленому и синему каналам на слабо освещенных участках. Этот эффект особенно заметен при передаче телесных оттенков кожи, в которых преобладают красные тона.

Аналоговая и цифровая обработка сигнала

То, что ПЗС-матрицы, которые располагаются внутри цифровых видеокамер, по сути, являются аналоговыми устройствами, сбивает с толку очень многих. В цифровой DV-видеокамере ряд преобразований аналогового сигнала, получаемого с ПЗС-матрицы, происходит до выборки и конвертации в цифровой поток. Так, на этапе сдвига уровня в соответствии с предпочтениями оператора или существующими телевизионными стандартами задается уровень черного. В Соединенных Штатах уровень черного для NTSC обычно устанавливается, равным 7,5 ИРИ, а в Японии, где также используется стандарт NTSC, -- 0 ИРИ.

На этапе сдвига усиления средняя чувствительность пикселя может быть увеличена или уменьшена в пределах от ?3 дБ до +18 дБ в соответствии с внешними условиями. В видеокамерах, предназначенных для профессионального использования, эта опция устанавливается вручную.

Пытаться представить процесс оцифровки прекрасных аналоговых изображений может только психически нездоровый человек: полный мельчайших оттенков аналоговый мир специалисты описывают в виде нулей и единичек.

Но на эту загадку аналогово-цифрового преобразования можно посмотреть и под другим углом. Встаньте на железнодорожную колею перед приближающимся грузовым составом: рев и грохот будут нарастать в ушах постепенно, по мере приближения локомотива. Это точный аналоговый опыт. Но, когда локомотив Boston & Maine, издавая страшный грохот, несется вперед, ваши глаза захватывают приближающееся чудовище только сериями сэмплов, вспыхивающих в мозгу со скоростью 15 кадров в секунду. Таким образом, «сигнальный процессор» мозга сглаживает движение приближающегося локомотива, а это уже ближе цифровому преобразованию. Поэтому мир, в котором мы живем, является одновременно и аналоговым, и цифровым, также как и используемые нами цифровые видеокамеры.

Изложенная выше аналогия с грузовым составом хорошо подходит для рассмотрения соответствия изображения на входе тому изображению, которое появляется на экране телевизионного монитора. Или, другими словами, идеальная система видеокамера -- дисплей должна обеспечивать абсолютно точное совпадение того, что «видит» видеокамера и того, что в конечном итоге выводится на экран телевизора.

Конечно, цифровые видеокамеры еще очень далеки от совершенства, но даже дешевые модели в сочетании и с еще более недорогими телевизорами иногда дают неплохие результаты. Операторам, которые работают, в основном с цифровыми видеокамерами, следует четко понимать ограничения, которые накладываются самым слабым звеном -- телевизором стоимостью в 69 долларов. ПЗС-матрица и видоискатель видеокамеры -- это аналоговые приборы, поэтому при их работе с устройствами, обеспечивающими аналогово-цифровые и обратные преобразования, могут возникать определенные проблемы.

Процессор для обработки сигнала

Процессор для обработки сигнала (DSP) переводит аналоговый уровень яркости каждого пикселя в дискретную цифровую величину.

При аналогово-цифровой конвертации увеличение количество бит обычно приводит к повышению разрешения и точности выборки. Истоки этого следует искать в природе атома кремния. Кремний представляет собой наиболее распространенный на Земле элемент и является основным составляющим песка. Он имеет очень интересную особенность -- относится к группе элементов, называемых «полупроводниками», потому, что в зависимости от наличия или отсутствия одного электрона на внешней орбите атома они могут проводить, а могут и не проводить электрический ток. Если электрон присутствует, то кремний будет проводить электричество, если электрона нет, то этот элемент будет непроводником.

На двух состояниях атома кремния основаны все современные компьютеры и цифровые медиаустройства. Инженеры, используя эти необычные свойства кремния, присваивают атому, на внешней орбите которого присутствует электрон, значение 1, а атому, у которого электрон отсутствует -- значение 0. Поэтому компьютеры и цифровые процессоры сигнала видеокамер способны считывать только в двоичной системе (Base 2) и выполняют сложнейшие расчеты в соответствии с относительной проводимостью бесчисленных миллиардов атомов кремния.

Чтобы понять, что такое цифровой процессор сигналов видеокамеры, нужно четко понимать, что атом кремния может существовать только в одном из двух состояний: ноль или единица. Никаких иных оттенков или нюансов быть не может.

Давайте рассмотрим, как работает однобитный цифровой процессор сигналов. Пиксели, аналоговые значения которых составляют от 0% до 50%, он округляет до черного цвета, а пиксели со значениями от 51% до 100% -- до белого. Естественно, что такой процессор не в состоянии обеспечить хороших результатов.

Использование второго бита для описания яркости пикселя существенно улучшает точность выборки. В этом случае пиксели могут принимать одно из четырех значений: 0-0, 0-1, 1-0 или 1-1. Легендарная бытовая видеокамера с 2-битным цифровым процессором сигнала, которая была выпущена в 1989 г., вызвала много шума, так как она обеспечивала значительно лучшее разрешение.

В современных моделях цифровых видеокамер используются 10-, 12- или 14-битные процессоры. Чем больше количество бит, с помощью которых описывается пиксель, тем выше точность выборки. Цифровые процессоры сигналов на одном бите могут описывать пиксель только одной или двумя величинами, а 12-битный цифровой процессор, который используется в некоторых моделях JVC, позволяет получать ошеломляющее количество значений -- 4096. Подобная точность выборки еще несколько лет назад казалась недостижимой. Она отражает общую тенденцию к повышению разрядности в битах для процессоров, использующихся в цифровых камерах среднего и высшего уровня.

Цифровые видеокамеры с 10-битным процессором могут описать каждый пиксель выборки с помощью 1024 возможных значений, а 8-битные модели, которыми оснащаются подавляющее большинство цифровых видеокамер, представленных на рынке, должны обходиться только 256 значениями.

Конечно, при оценке работы видеокамеры только на разрядности процессора зацикливаться не следует. Существует и ряд других факторов, имеющих столь же большое значение. Несмотря на кажущуюся логичность, некоторые специалисты оспаривают преимущества, которые дает увеличение разрядности процессора. В качестве аргумента они выдвигают тот факт, что человеческий глаз способен различать вариации, содержащие не более 230-250 пикселей на выборку, поэтому, по их мнению, создание видеокамер с разрешением, существенно превышающим эти значения, нет смысла. Они считают, что вполне достаточно 8-битного процессора, а стремление оснастить цифровые видеокамеры самыми совершенными процессорами -- всего лишь хитроумный маркетинговый ход.

Тем не менее, на практике доказано, что 12-битный процессор может существенным образом расширить динамический диапазон видеокамеры. При яркости самой яркой точки в сцене 100%, 12-битный цифровой процессор теоретически способен увеличит ее в четыре раза. Это приводит к увеличению числа распознаваемых деталей в ярко освещенных зонах, что с точки зрения оператора цифровой видеокамеры может толковаться как очень полезная функция. Обратите внимание, что эта выборка производится в аналоговом пространстве до аналогово-цифровой конвертации.

ПЗС-матрица цифровой видеокамеры захватывает значительно больше информации, чем в конечном итоге записывается на пленку. Видеокамеры с 10-, 12- и 14-битными цифровыми процессорами сигнала сжимают ярко освещенные детали, чтобы уложиться в полосу частот, соответствующую формату DV. В затемненных участках, красный, зеленый и синий цвета сжимаются не равномерно, что может привести к некоторым весьма значительным цветовым сдвигам. Апельсины на этом изображении выглядят как лимоны, в результате более высокого коэффициента сжатия красного на ярко освещенных участках.

Смещение черного в ярких участках изображения

Видеокамеры с 8-битным процессором, такие как Sony DSR-PD150 или Canon XL1S, обеспечивают вполне приемлемое качество изображения за счет применения специальных функций. Некоторые 8-битные камеры Sony имеют динамический диапазон, сопоставимый с 12-битными моделями JVC, несмотря на те ограничения, которые теоретически накладываются цифровым процессором сигнала, встроенным в видеокамеру.

Увеличение разрядности процессора может способствовать сохранению ярко освещенных деталей, но детали, расположенные в затемненных участках -- это совершенно иное дело. В современных моделях цифровых видеокамер, таких как Sony DSR-570, предусматривается специальная функция смещения черного (Black Stretch), с помощью которой можно переназначить приоритеты сжатия и переместить акцент с наиболее ярких и средне освещенных участков изображения на затемненные зоны. В результате такого смещения данные в затененных участках изображения лучше сохраняются в процессе выборки. Но растянуть черные участки одной части изображения можно только за счет несколько большей степени их сжатия в другой. Иного способа не существует, и поэтому опытный оператор порой напоминает хирурга, выполняющего пластическую операцию.

Гамма-коррекция

В идеале на экране яркость и цвета должные отражаться один к одному, но как всегда экономические реалии вносят свои ограничения. Самые распространенные и дешевые бытовые телевизоры, построенные на основе недорогих люминофоров, не способны достоверно отражать на экранах изображение во всем цветовом спектре.

Кривая, которая описывает цветовые характеристики обычного монитора NTSC и степень его контрастности, является функцией от мощности и имеет логарифмическую зависимость: для инициализации первоначальных характеристик пикселя требуется напряжение с высоким пороговым значением. Это напоминает управление Понтиаком 1980 года выпуска: слегка поворачиваешь руль -- автомобиль не реагирует, поворачиваешь его еще чуть-чуть -- он опять не реагирует, но стоит повернуть руль еще немного, и автомашина слетит с дороги. То же происходит и при розжиге пикселя. Для преодоления его инерции следует приложить небольшое напряжение, а когда пиксель разжегся, он будет реагировать равномерно и эффективно. Характеристики яркости и контрастности бытовых телевизоров, которые далеки от идеальных, значительно осложняют передачу деталей в затененных областях, так как компрессия этих областей и в видеокамерах связана с определенными проблемами.