c o p y r i g h t p r o g r a m m i n g d e s i g n e d by ZORBI
Т р о и ц к г
С с ы л к и
С ч е т ч и к и
..:: Статьи ::..
Разбираем на кусочки цифровой аппарат
На первый взгляд может показаться, что между пленочным и цифровым фотоаппаратами не так уж много различий. В обоих случаях тебе достаточно просто навести объектив камеры на цель, нажать кнопку, и все - через некоторое время ты получаешь фотографию. На самом же деле технология цифровой фотографии значительно более сложна по сравнению с пленочной. Здесь применяются довольно изощренные инженерные и алгоритмические решения, которые и открывают пользователям поистине бесконечные возможности.
Принцип работы цифрового фотоаппарата мы рассмотрим на примере недорогой современной камеры Genius G-Shot P313.
Сразу хочется развенчать сложившееся мнение о том, что цифровая фотография катастрофически молода - первое цифровое изображение было получено более 20 лет назад, правда повальное наступление на рынок любительской фотографии цифровые технологии начали совсем недавно - году в 95. Разумеется, это время - ничто по сравнению с более чем полутора веками существования пленочной фотографии. За прошедшие 173 года слово "фотоаппарат" у абсолютного большинства людей стало четко ассоциироваться со словом "пленка". И хотя в последние годы скорость развития рынка цифровой фотографии просто потрясает (сотни процентов в год), стремиться разработчикам все же есть к чему - цены еще довольно высоки, а качество снимков часто хромает (следует заметить, что пленочная цветопередача пока не достигнута ни одной, даже самой дорогой цифровой камерой).
Текущее положение дел можно сравнить с положением производителей машин в первой половине 20 века: автомобиль изобретен, но, во-первых, у потребителей все еще есть в изобилии лошади, а во-вторых, еще предстоит многое сделать - изобрести новые типы двигателей, поменять ходовую, установить гидроусилитель, АБС и подушку безопасности.
Разумеется, существует мощный стимул для распространения цифровой фотографии - это возможности, которые открывают пользователю другие неотъемлемые атрибуты современного мира - компьютер, мобильная связь и интернет. Получив цифровое изображение, пользователь может через считанные секунды распечатать его на принтере или доставить на другой конец сети по интернету. При этом совсем не обязательно быть вблизи цивилизации -вышки сотовой связи бьют на 20 километров, так что GPRS решает проблему.
Можешь не сомневаться - через несколько лет цифровой фотоаппарат плотно войдет (если где-то еще не вошел) в повседневную жизнь, как это уже сделали сотовые телефоны с GPRS, плазменные панели и CD-резаки.
Именно поэтому важно сейчас разобраться, как работает это чудо техники и на что следует обратить внимание при покупке цифровой камеры.
Пленочная фотография
В обыкновенном пленочном фотоаппарате свет, поступающий от объекта, проходя через систему пластиковых либо стеклянных линз и зеркал, фокусируется на тонкой пластиковой пленке, покрытой специальным светочувствительным веществом - галоидом серебра.
Как только фотоны света попадают на пленку, происходит сложная химическая реакция, в результате чего светочувствительное покрытие меняет свои свойства. Причем происходит это не равномерно - в зависимости от частоты поглощаемых волн (читай - цвета) и интенсивности излучения, на пленке остается химический отпечаток изображения. При помощи специальных растворов его можно закрепить и проявить, а позже и напечатать на фотобумаге.
Количество света, которое попадает на пленку, и продолжительность химической реакции механическим образом регулируются при помощи диафрагмы (отверстие с переменным диаметром, позволяющее управлять количеством поступающего внутрь фотоаппарата света) и затвора (занавеса, который может быстро открываться и закрываться, управляя временем выдержки и экспозиции сцены на пленке).
Непосредственно перед съемкой фотограф вручную (либо при помощи автоматики) устанавливает требуемые значения выдержки и размер диафрагмы - разумеется, если речь идет о нормальных камерах. Но большинство людей пользуются "мыльницами", которые самостоятельно принимают (часто - сносные) решения. Изобретатели же фотографии - Луис Дагер и Фокс Талбот - с отверткой в руках, методом проб и ошибок, фотографировать, что бесподобно описали в своих трудах.
В цифровых же фотокамерах процесс получения изображения значительно сложнее - добавляется этап преобразования аналоговых сигналов в цифровые и сохранения полученных результатов на цифровых носителях.
При помощи все той же оптики, свет от фотографируемого объекта попадает на светочувствительные ячейки, представляющие собой полупроводниковые элементы - вместе они образуют так называемый сенсор (или сенсорную матрицу). В зависимости от частоты падающего света и его интенсивности, каждая из ячеек генерирует различные аналоговые сигналы, которые поступают на специальный чип АЦП (аналого-цифровой преобразователь), который анализирует импульсы и преобразует их к цифровому представлению.
При помощи дополнительных микросхем и специальных зашитых в ПЗУ алгоритмов (каждый из которых - предмет гордости и ноу-хау производителя), фотокамера кодирует изображение в один из популярных форматов, попутно производя некоторую интеллектуальную цветокоррекцию и модификацию изображения. Так, если полученная об объекте информация недостаточна (по причине слабой освещенности, например), некоторые камеры умеют интеллектуально заполнять пробелы, получая приемлемый результат.
Далее полученное изображение - хаос единиц и нулей - записывается на электронный носитель информации (либо интегрированный в камеру, либо внешний) и может там храниться долгое время. Большинство фотоаппаратов оснащены ЖК-дисплеями, позволяющими фотографу просматривать фотографии, производя необходимую коррекцию либо просто стирая неудачные снимки.
В течение всего процесса фотографирования камера постоянно получает информацию из внешней среды, на основании которой принимает решения об оптимальных параметрах оптической системы (более хитрые и дорогие устройства позволяют опытному фотографу самостоятельно вмешиваться в эти процессы).
Наш сегодняшний пациент - камера Genius G-Shot P313, является полностью автоматической, но, благодаря многим оригинальным техническим решениям, обеспечивает неплохое качество изображения при невысокой цене, что позволяет говорить об очень высоком соотношении цена/качество.
Действительно, в ценовом диапазоне до $200 эта камера является одним из лидеров по качеству изображения и функциональности.
Также мне представляется, что все возникающие проблемы с цветопередачей могут быть легко решены при помощи ручной либо автоматической цветокоррекции. Стоит отметить приятный дизайн и эргономичную форму аппарата - камера очень удобно ложится в руку, а расцветка и прозрачные ("под хрусталь":)) кнопки, придают камере особый стиль.
Сенсорная матрица
Разумно оценивать камеры на рынке по числу пикселов, которые могут быть восприняты и сняты фотоаппаратом - чем их больше, тем выше качество получаемого снимка. Количество пикселов зависит как от физических размеров сенсора, так и от плотности размещения светочувствительных ячеек.
Сенсор - матрица, состоящая из множества фотодиодов, которые, реагируя на освещение, создают электромагнитные колебания, частота которых зависит от частоты падающего света, а амплитуда от яркости освещения.
Производители в технической документации часто дают две пиксельные характеристики сенсорной матрицы - первая указывает на общее число пикселов, а вторая - на количество активных диодов, т.е. элементов, которые реально используются. Эти два показателя обычно не расходятся более чем на 5%, но чем же объяснить тот факт, что 5% пикселов реально не используются? Во-первых, даже самые современные технологии производства не позволяют создавать матрицы, в которых все элементы исправны - всегда существуют дефектные, "темные" пикселы, которые не могут исользоваться в работе. Кроме того, некоторые элементы применяются для сбора служебной информации, какие-то располагаются по краям и по механическим причинам не могут использоваться. Так что при покупке камеры обращай внимание не на общее число пикселов, а на количество рабочих, "активных" элементов матрицы. Кроме того, следует заметить, что зависимость размера фотографии от числа пикселов лучше всего аппроксимируется логарифмической функцией - поэтому разница между, скажем, 6- и 7-мегапиксельными камерами по качеству изображения не столь велика, как разница в деньгах.
В настоящее время все любительские камеры используют в работе один-единственный сенсор - но некоторые профессиональные фотоаппараты класса high-end используют несколько сенсоров, обычно - 3.
В таких моделях свет от объекта при помощи стеклянной призмы разделяется на спектр, различные части которого обрабатываются различными сенсорами. Такой подход позволяет предотвратить неприятный эффект наложения цветов (когда границы красного, синего и зеленого цветов сдвигаются на изображении).
Однако подобные устройства стоят значительно дороже, более массивны и громоздки - из-за довольно сложной и качественной оптики.
Само собой, глупо было бы ждать линейного роста размеров картинки при применении многосенсорных камер - в ряде случаев такого роста нет вовсе.
В большинстве подобных камер используются три отдельных сенсора для красного, зеленого и синего цветов, каждый из них получает треть цветовой информации. Например, три 4-мегапиксельных сенсора будут работать как один 4MP-сенсор.
АЦП и DSP
После того как изображение захвачено, множество аналоговых сигналов поступает на аналогово-цифровой преобразователь. Это устройство, иногда интегрируемое прямо в сенсор, оцифровывает получаемый от диодов сигнал, руководствуясь четкими и не особо сложными инструкциями. Тут следует ввести понятие "битовой глубины цвета". Эта величина может определяться для каждого из трех каналов (красного, зеленого или синего), либо для всего спектра сразу. Она обозначает, сколько разрядов используется для описания цвета одного пиксела. Таким образом, битовая глубина каждого из каналов в три раза меньше битовой глубины всего спектра. Поэтому иногда возникает путаница - когда человек говорит, например, о 8-битном цвете, он, скорее всего, имеет в виду 8 бит на весь спектр, так как True Сolor цвет принято называть 24-разрядным, имея в виду битовую глубину всего спектра.
Современные камеры работают с 12-разрядными АЦП, которые обрабатывают 36-битный цвет. Тут возникает естественный вопрос: если человек не способен воспринять больше 16,7 млн. цветов, зачем такая избыточность, может быть, достаточно 24 разрядов? Не совсем так. Получая избыточную информацию о цвете, камера, при наличии соответствующих "мозгов", решает ключевую проблему - избегает ошибок при цветопередаче критических участков - бликов и затемнений - фотографируемого объекта.
После преобразования АЦП передает поток цифровых данных на чип цифрового процессора сигналов (DSP). В некоторых камерах применяется несколько DSP.
В микросхеме DSP данные преобразуются в изображение, представленное в одном из популярных форматов (JPEG, TIFF или RAW) - это осуществляется на основе определенных инструкций, зашитых в ПЗУ камеры.
DSP также осуществляет цветокоррекцию изображения при помощи запатентованных алгоритмов, которые производители держат в строжайшем секрете.
После всего этого изображение записывается либо на встроенную память (как правило, в недорогих камерах), либо на съемную карту или другое устройство (такой способ используется в большинстве камер).
Карты памяти
Преимущества сменной карты очевидны: во-первых, как только одна карточка заполнится, ничто не мешает ее поменять. Во-вторых, карточки памяти совместимы со многими другими устройствами, и с ней ты не будешь привязан к конкретному фотоаппарату - сможешь юзать в других моделях или, скажем, слить с нее фотки без USB-шнура при помощи специального кард-ридера. В большинстве случаев производители цифровых камер используют карты стандартов SmartMedia (SM), Secure Digital, xD-Picture Card (формат разработан и применяется фирмой Olympus), MemoryStick (использует Sony), Compact Flash и MultimediaCard.
Тип используемой памяти определяется маркой производителя и может варьироваться в зависимости от модели фотоаппарата. Так, например, большинство цифровых камер Toshiba и Fuji, используют карты SmartMedia, Olympus с недавнего времени использует свой собственный стандарт - xD-Picture Card, а фирмы Kodak, Nikon, Canon и hp отдают предпочтение картам памяти CompactFlash и SecureDigital. Следует заметить, что такие стандарты, как CompactFlash и MultimediaCard постепенно отмирают – из-за размеров и ограничений на развива-емость, заложенных самой архитектурой этих карточек.
