Разное

Как устроен цифровой фотоаппарат: Матрица цифрового фотоаппарата. Принцип работы.

Содержание

Матрица цифрового фотоаппарата. Принцип работы.

Продолжаю начатый в предыдущей публикации разговор об устройстве цифрового фотоаппарата.

Одним из главных элементов цифрового фотоаппарата, отличающих его от фотоаппаратов пленочных является светочувствительный элемент, так называемый ЭОП или светочувствительная матрица цифрового фотоаппарата. О матрицах фотоаппаратов уже говорилось ранее, теперь же рассмотрим несколько подробнее устройство и принцип работы матрицы, хотя и достаточно поверхностно, чтобы не слишком утомлять читателя.

В настоящее время большинство цифровых фотоаппаратов оснащены ПЗС-матрицами.

Рассмотрим в общих чертах устройство ПЗС- матрицы.

 

 

Полупроводники, как известно, делятся на полупроводники n-типа и p-типа. В полупроводнике n-типа имеется избыток свободных электронов, а в полупроводнике p-типа избыток положительных зарядов, «дырок» (а следовательно недостаток электронов). На взаимодействии таких двух типов полупроводников и основана вся микроэлектроника.

Так вот, элемент ПЗС-матрицы цифрового фотоаппарата устроен следующим образом. См. Рис.1:


Рис.1

Если не вдаваться в подробности, то ПЗС-элемент или прибор с зарядовой связью, в английской транскрипции: charge-coupled-device – CCD, представляет собой МДП (металл-диэлектрик-полупроводник) конденсатор. Он состоит из подложки p-типа — слоя кремния, изолятора из двуокиси кремния и пластин-электродов. При подаче на один из электродов положительного потенциала, под ним образуется зона обедненная основными носителями — дырками, т. к. они оттесняются электрическим полем от электрода вглубь подложки. Таким образом под данным электродом образуется потенциальная яма, т. е. энергетическая зона благоприятная для перемещения в нее неосновных носителей – электронов. В этой яме накапливается отрицательный заряд. Он может храниться в данной яме достаточно долго из-за отсутствия в ней дырок и, следовательно, причин для рекомбинации электронов.

В светочувствительных матрицах электродами являются пленки поликристаллического кремния, прозрачного в видимой области спектра.

Рис.2

Фотоны падающего на матрицу света попадают в кремниевую подложку, образуя в ней пару дырка-электрон. Дырки, как сказано выше смещаются вглубь подложки, а электроны накапливаются в потенциальной яме.

Накопившийся заряд пропорционален количеству фотонов падающих на элемент, т. е. интенсивности светового потока. Таким образом на матрице создается зарядовый рельеф, соответствующий оптическому изображению.

Далее используется  свойство ПЗС-элементов перемещать заряды под действием подаваемых тактовыми импульсами потенциалов на электроды смещения.

Перемещение зарядов в ПЗС-матрице.

В каждом ПЗС-элементе имеется несколько электродов, на которые подаются разные потенциалы.

Рис.3.

При подаче на соседний электрод (см. рис. 3) потенциала, большего, чем на данном электроде, под ним образуется более глубокая потенциальная яма, в которую перемещается заряд из первой потенциальной ямы. Таким образом заряд может перемещаться из одной ПЗС-ячейки в другую. Показанный на рис.3  ПЗС-элемент называется трехфазным, бывают еще и 4-х фазные элементы.

Рис.4. Схема работы трехфазного прибора с зарядовой связью – сдвигового регистра.

Для преобразования  зарядов в импульсы тока (фототока) используются последовательные регистры сдвига (см. рис.4). Такой регистр сдвига и является строкой ПЗС-элементов. Амплитуда импульсов тока пропорциональна величине передаваемого заряда, и пропорциональна,таким образом, падающему световому потоку.  Последовательность импульсов тока, образующихся при считывании последовательности зарядов, затем подается на вход усилителя.

Линейки близко расположенных друг к другу ПЗС-элементов  объединяются в ПЗС-матрицу. Работа такой матрицы  основывается на создании и передаче локального заряда в потенциальных ямах, создаваемых электрическим полем.

Рис.5.

 Заряды всех ПЗС-элементов регистра синхронно перемещаются в соседние ПЗС-элементы. Заряд, который находился в последней ячейке, поступает на выход из регистра, а затем подается на вход усилителя.

На вход последовательного регистра сдвига подаются заряды перпендикулярно расположенных регистров сдвига, которые в совокупности называются параллельным регистром сдвига. Параллельный и последовательный регистры сдвига и составляют ПЗС-матрицу (см. рис.4).

Перпендикулярные к последовательному регистру сдвиговые регистры носят название столбцов.

Перемещение зарядов параллельного регистра строго синхронизовано. Все заряды одной строки смещаются одновременно в соседнюю. Заряды последней строки попадают в последовательный регистр. Таким образом за один рабочий цикл строка зарядов из параллельного регистра попадает на вход последовательного, освобождая место для вновь образуемых зарядов.

Работа последовательного и параллельного регистров синхронизуется тактовым генератором. В состав

матрицы цифрового фотоаппарата также входит микросхема, подающая потенциалы на электроды переноса регистров и управляющая их работой.

ЭОП такого типа носит название полнокадровой матрицы (full-frame CCD-matrix). Для его работы необходимо наличие светонепроницаемой крышки, которая сначала открывает ЭОП для экспонирования светом, затем, когда на него попало количество фотонов, необходимое для накопления достаточного заряда в элементах матрицы, закрывает его от света. Такая крышка является механическим затвором, как в пленочных фотоаппаратах. Отсутствие такого затвора приводит к тому, что при перемещении зарядов в сдвиговом регистре ячейки продолжают облучаться светом, добавляя к заряду каждого пиксела лишние электроны, не соответствующие световому потоку данной точки. Это приводит к «размазыванию» заряда, соответственно к искажению получаемого изображения.

Скорость работы такого ЭОПа зависит не только от скорости считывания как с параллельного , так и с последовательного регистров, но еще и наличием механического затвора, который влияет на длительность интервала между экспонированием отдельных кадров.

С целью уменьшения интервала между экспонированием отдельных кадров была разработана матрица с буферизацией кадра.

Здесь была рассмотрена физика восприятия света светочувствительным элементом ПЗС-матрицы, но ничего не говорится о цвете. В принципе ПЗС-элемент воспринимает все цвета почти одинаково (есть некоторая спектральная чувствительность, но об этом позже). Каким же образом с помощью Пзс-элементов создается цветное изображение рассматривается далее.

Предлагаю вам на десерт ролик с изумительной музыкой, в котором представлены армянский дудук и скрипка:

Поделиться в соц. сетях

Об авторе

Я живу в г Новосибирске. Образование высшее — НГТУ, физикотехнический факультет. В настоящее время на пенсии. Семья: жена, две дочери, две внучки. Работал в последнее время в электронной промышленности в ОКБ по разработке и производству приборов ночного видения. Люблю музыку- классику, джаз, оперу, балет. Главное увлечение — любительская фотография.

Устройство цифрового фотоаппарата

Большая часть цифровых фотоаппаратов внешне очень сильно напоминает пленочные фотокамеры. Особенно заметно это у зеркальных фотоаппаратов, которые независимо от типа светочувствительного элемента имеют оптический зеркальный видоискатель (за редкими исключениями), сменную оптику и, как следствие, характерный внешний вид. При этом, однако, внутренне строение цифрового фотоаппарата кардинально отличается от строения фотоаппарата пленочного.

Как же устроен цифровой фотоаппарат?

Основным отличием цифрового фотоаппарата от пленочного является то, что в качестве светочувствительного элемента в нем используется не пленка, а так называемая матрица, — светочувствительный сенсор. Сенсор преобразует свет в электрический сигнал, который затем обрабатывается графической системой на основе микропроцессора и записывается на карту памяти либо на встроенное постоянное запоминающее устройство. Таким образом, устройство цифрового фотоаппарата предусматривает наличие следующих элементов:

Сенсор (матрица)

Матрица или сенсор – это полупроводниковая пластина, на которой расположены фотоэлементы. Фотоэлементов много — устройство цифровых фотоаппаратов самого высокого класса (так называемые среднеформатные цифровые камеры) предполагает наличие сенсора с 40 и даже 60 миллионами отдельных фотоэлементов.

На рынке представлены сенсоры самых разных типов, однако в подавляющем большинстве цифровых фотоаппаратов используется ПЗС (прибор с зарядовой связью) и КМОП-сенсоры (комплементарный металл-оксид-полупроводник). Подробно об этих типах рассказано в соответствующих статьях: здесь мы отметим лишь, что ПЗС-сенсор обеспечивает более точную передачу цвета, но и больший уровень цифровых шумов, а КМОП отличается низким уровнем шумов, однако его цвета многим фотографам представляются не совсем естественными. Кроме того, КМОП матрицы в среднем дороже. К моменту написания этой статьи (март 2011 года) КМОП-матрицы однозначно доминировали на рынке зеркальных цифровых фотоаппаратов и постепенно вытесняли ПЗС с рынка компактных фотокамер.

Объектив

Принципиальных отличие между объективами пленочных и цифровых фотоаппаратов нет. В некоторых цифровых камерах со сменной оптикой вполне могут использоваться объективы, которые стояли на пленочных камерах. В качестве примера можно привести объектив с байонетом F от Nikon. Все объективы с байонетом F (стандарт байонета F был принят компанией Nikon в 1959 году) устанавливаются на все цифровые зеркальные фотоаппараты Nikon вплоть до Nikon D7000, выпущенного осенью 2010 года. То же самое касается и советских объективов с байонетом Н (Калейнар 5Н, Гелиос-81Н).

Затвор

В пленочном фотоаппарате затвор открывает и закрывает шторки, которые ограничивают воздействие света на пленку. В компактных цифровых фотоаппаратах затвора нет: его роль выполняет электронное автоматическое устройство. В зеркальных цифровых фотоаппаратах, а также в некоторых беззеркальных есть и электронное устройство, и механический затвор. Синхронная работа двух затворов позволяет обеспечить короткие выдержки и избежать появления ореола вокруг контрастных изображений. Подробно о затворах рассказано в статье «Затворы цифровых фотоаппаратов».

Видоискатель

Видоискатель, это устройство для визирования – то есть для предварительной оценки кадра. В зеркальных фотоаппаратах почти всегда используется так называемый оптический видоискатель, который представляет собой комплекс, состоящий из зеркал и пентапризмы (пентазеркала). Основная задача системы – передать изображение от зеркала в окошко видоискателя.

Оптический видоискатель показывает изображение том виде, в котором оно существует в натуре, между тем как матрица и процессора могут фиксировать совсем иное (с учетом настроек фотоаппарата) Увидеть реальный кадр обладатель цифрового зеркального фотоаппарата сможет только на экране после того, как кадр сделан, либо при помощи режима Live View. В пленочной технике для этого приходилось не только сделать кадр, но и отработать, а затем извлечь и проявить всю пленку.

Многие компактные и некоторые зеркальные цифровые фотоаппараты оборудованы электронным видоискателем. Электронный видоискатель снимает изображение с матрицы и показывает его таким, как видит его фотоаппарат с учетом настроек, ГРИП и других эффектов.

В недорогих компактных цифровых фотоаппаратах видоискателя попросту нет, а визирование осуществляется по экрану дисплея при помощи режима Live View. Режим «LiveView» позволяет увидеть на экране фотоаппарат изображение в том виде, в котором оно зафиксируется в файле (с учетом погрешностей). Сегодня такой режим есть не только у компактных фотоаппаратов лишенных оптического видоискателя, но и у зеркальных камер.

Микропроцессор

Микропроцессор имел место и в некоторых пленочных камерах, однако в цифровых фотоаппаратах он является одним из важнейших элементов. Процессор управляет работой затвора, матрицы, оптики, выбором настроек, записью отснятого материала на носитель и другими процессами, происходящими в камере при подготовке к съемке, собственно съемке и просмотре отснятого материала. Скорость работы фотоаппарата во многом зависит от производительности микропроцессора. В этой связи в некоторых дорогих зеркальных цифровых фотоаппаратах используется сразу два процессора, которые проводят многие операции параллельно. Для примера – скорость серийной съемки однопроцессорного зеркального цифрового фотоаппарата Canon EOS 550D составляет порядка 3,7 кадров в секунду, а скорость серийной съемки двухпроцессорного Canon EOS 7D — порядка 8 кадров в секунду.

Накопитель

Созданные при помощи цифрового фотоаппарата изображения и видеоролики необходимо куда-то записывать. В подавляющем большинстве фотоаппаратов для этой цели используют карты памяти типов SD, CompactFlash и т.п. (подробнее о картах памяти в статье «Карты памяти»). Некоторые фотоаппараты имеют также встроенную память небольшого объема. Обычно ее хватает для хранения нескольких (до 10) кадров. В старых цифровых фотоаппаратах в качестве накопителей использовали дискеты, мини-диски и даже аудиокассеты с пленкой.

Внешние интерфейсы

Цифровые фотоаппараты могут подключаться к ПК, телевизорам и другим устройствам при помощи внешних интерфейсов. Наиболее распространенным является USB интерфейс; в современных камерах также используется HDMI подключение. Некоторые, очень немногие фотоаппараты имеют и беспроводные интерфейсы подключения к внешним устройствам.

Следует отметить, что интерфейсы могут использоваться не только для передачи информации, но и для подзарядки аккумуляторов. Впрочем, такая возможность есть далеко не у всех камер – у некоторых подключение и работа с внешними устройствами наоборот являются одной из самых энергозатратных процедур.


Устройство цифрового фотоаппарата Википедия

Цифровой фотоаппарат — фотоаппарат, в котором для записи изображения используется фотоэлектрический принцип. При этом полупроводниковая фотоматрица преобразует свет в электрические сигналы, которые трансформируются в цифровые данные, сохраняемые энергонезависимым запоминающим устройством.

Изображения, полученные цифровым фотоаппаратом, могут быть загружены в компьютер, переданы по сетям, просмотрены на экране монитора или отпечатаны на бумажном носителе с помощью принтера.

В отличие от плёночных фотоаппаратов, цифровые не требуют лабораторной обработки фотоматериала, и при наличии встроенного жидкокристаллического дисплея позволяют немедленно оценить результат съёмки. Кроме того, неудачные снимки могут быть сразу же удалены с карты памяти, а в некоторых моделях и отредактированы непосредственно в камере. Подавляющее большинство выпускающихся в настоящее время фотоаппаратов — цифровые. Уже в 2005 году японскими компаниями, лидирующими на мировом рынке фототехники, было продано 64 770 000 цифровых фотоаппаратов и только 5 380 000 плёночных[1].

Развитие технологии привело к тому, что цифровые фотоаппараты пригодны для видеозаписи и могут использоваться в качестве видеокамеры и даже цифровой кинокамеры. Поэтому употребление в отношении конкретного устройства термина «видеокамера» или «фотоаппарат» часто лишь условность. Такие универсальные цифровые камеры штатно встраиваются в большинство современных смартфонов и мобильных компьютеров.

Разобранный цифровой фотоаппарат «Sony Alpha ILCE-7R»

Историческая справка

Первый экспериментальный бесплёночный фотоаппарат, основанный на фотоэлектрическом преобразовании, создал в 1975 году инженер компании Eastman Kodak Стивен Сассон (англ. Steven Sasson). Применявшаяся в нём ПЗС-матрица имела разрешение 0,01 мегапикселя, а запись данных происходила на компакт-кассету[2]. Появлению цифровых фотоаппаратов предшествовали видеофотоаппараты, представлявшие собой видеокамеру, приспособленную для аналоговой записи неподвижных изображений на видеокассету или видеодискету[3]. Прототип первого видеофотоаппарата Sony Mavica был представлен в 1981 году. Качество изображения было ограничено использующимися телевизионными стандартами разложения, и кроме того аналоговый способ регистрации приводил к накоплению искажений в процессе обработки и передачи. Реальные перспективы электронная фотография получила лишь с распространением цифровых технологий. Первым цифровым фотоаппаратом потребительского уровня в 1988 году стал «Fuji DS-1P», использующий для записи съёмную карту SRAM[4]. В том же году Kodak создал первый цифровой зеркальный фотоаппарат «Electro-Optic Camera» на основе малоформатного фотоаппарата Canon New F-1[5].

Дальнейшее совершенствование технических характеристик и разрешающей способности цифровых фотоаппаратов, тем не менее, не привело к вытеснению аналоговой химической фотографии. Немногочисленные модели цифровой аппаратуры очень высокой стоимости (до 40 тысяч долларов) ограниченно использовались в прикладных сферах и фотожурналистике. Смена тенденции произошла с распространением персональных компьютеров и технологии цифровой фотопечати, позволяющей получать высококачественные цветные отпечатки с файлов. Совершенствование технологии производства фотоматриц также привело к снижению цен на камеры. После этого цифровые фотоаппараты очень быстро вытеснили с рынка плёночную фототехнику, поскольку делали доступным получение удовлетворительных снимков без какого-либо обучения и специфических навыков. Дополнительную роль в этом играет возможность немедленного контроля готового изображения на встроенном во всех цифровых фотоаппаратах жидкокристаллическом дисплее. Кроме того, файлы могут быть мгновенно переданы по сети интернет и опубликованы в сетевых изданиях и социальных сетях, не требуя лабораторной обработки и сканирования. К 2020 году цифровые фотоаппараты доминируют во всех сферах фотографии, но постепенно вытесняются камерафонами и смартфонами с встроенными миниатюрными камерами высокого разрешения.

Качество изображения

Резкость изображения, даваемого цифровым фотоаппаратом, зависит от размеров и количества элементарных фотодиодов, содержащихся на поверхности фотоматрицы, и разбивающих непрерывное изображение на дискретные пиксели. Общее количество пикселей, участвующих в регистрации изображения, считается важнейшей характеристикой цифровых фотоаппаратов, и чаще всего округляется до миллионов, называемых «мегапикселями»[6]. Первые цифровые фотоаппараты значительно уступали аналоговым с точки зрения качества, поскольку технологии тех лет не позволяли создавать матрицы с большим количеством мелких элементов. В 1995 году разрешение в 6 мегапикселей, даваемое цифровым гибридом Canon EOS DCS 1, считалось рекордным. Информационная ёмкость фотоматериалов была недостижима для первых фотоматриц. Даже фотоаппараты миниатюрного формата превосходили цифровые по разрешающей способности и фотографической широте[7]. Однако, уже с середины 2000-х годов наиболее продвинутые профессиональные цифровые фотоаппараты достигли уровня разрешения 15—20 мегапикселей, позволяя получать изображение сопоставимое по качеству с малоформатным негативом, сосканированным хорошим фильм-сканером. Современная аппаратура, перешагнувшая рубеж в 50 мегапикселей, в некоторых случаях обеспечивает результат, превосходящий традиционные фотоматериалы.

Это объясняется многими факторами, в числе которых практическое отсутствие светорассеяния, неизбежного даже в самых тонких фотоэмульсиях и снижающего резкость. Кроме того, цветоделение в цифровой фотографии происходит только один раз в момент съёмки, и поэтому цифровой снимок по качеству цветопередачи сопоставим со слайдом, превосходя негативно-позитивный процесс с двукратным цветоделением при съёмке и фотопечати. Единственным параметром, недостижимым пока для цифровых фотоаппаратов на уровне фотоплёнки, является фотографическая широта. Если негативные фотоплёнки обеспечивают диапазон в 14—15 экспозиционных ступеней, то цифровая аппаратура редко преодолевает планку в 7 ступеней[8]. По данным журнала «Digital Photography Review», матрица профессиональной камеры Nikon D3 обладает широтой в 8,6 ступени при съёмке в стандарте JPEG и не более 12 — в формате RAW[9]. Недостаток фотографической широты стандартной фотоматрицы преодолевается с помощью технологии HDRi, однако она пригодна только для съёмки неподвижных объектов, требуя как минимум двух экспозиций. Новейшие разработки позволяют преодолеть и это отставание, получая компактные файлы с 10-битным цветом при помощи технологии сжатия HEIF. Фотоаппарат Canon EOS-1D X Mark III, выпущенный в 2020 году, кроме традиционных файлов JPEG может генерировать фотографии нового формата, пригодного для непосредственного хранения HDR[10][11].

Устройство

Главный принцип действия цифровых фотоаппаратов практически не отличается от классических аналоговых. Основой также является светонепроницаемая камера, с одной стороны которой установлен объектив, строящий действительное изображение объектов съёмки в фокальной плоскости[12]. Экспозиция регулируется диафрагмой объектива и , и измеряется теми же способами, что в аналоговой фотографии[13]. Для кадрирования и фокусировки используется видоискатель. Отличие заключается в том, что вместо фотоматериала в фокальной плоскости объектива установлена полупроводниковая фотоматрица, преобразующая свет в электрические сигналы. Эти сигналы с помощью АЦП преобразуются в цифровые файлы, которые передаются в буферную память, а затем сохраняются на встроенном или внешнем накопителе[14][15]. Чаще всего файлы снимков сохраняются на одной или двух картах энергонезависимой флеш-памяти, устанавливаемых в корпусе фотоаппарата. Исходные файлы, получаемые на выходе АЦП в формате RAW, могут быть конвертированы процессором камеры в один из общепринятых стандартов, например TIFF или JPEG, сохраняться без изменений для последующей ручной конвертации на внешнем компьютере или помещаться вместе с JPEG вариантом изображения в файл специально разработанного для этой цели формата DNG.[16].

Фотоаппарат «Nikon Coolpix 900» с поворотным объективом

Из-за отсутствия фотоматериала и необходимости его замены в цифровых фотоаппаратах не используются кассеты и лентопротяжный тракт. Основное устройство состоит из электронных компонентов, размещение которых более гибко, чем механических узлов. Благодаря этому появляется возможность более свободной компоновки, не зависящей от механических связей и других ограничений[17]. Поэтому на заре развития бесплёночной фотоаппаратуры предпринимались многочисленные попытки создания принципиально новой эргономики, более удобной для пользователя. Однако, в конце концов общая компоновка и дизайн фотоаппарата, проверенные многими десятилетиями эксплуатации плёночной аппаратуры, оказались общепринятыми и в цифровом фотоаппаратостроении.

К цифровым фотоаппаратам также можно отнести аналоговые, оснащённые съёмным цифровым задником. Такое устройство больше характерно для среднеформатной и крупноформатной аппаратуры, позволяющей менять кассетную часть. При этом используемый аналоговый фотоаппарат ничем не отличается от такого же, оснащённого стандартной кассетой с фотоплёнкой. Однако, наибольшее распространение получили цифровые фотоаппараты неразъёмной конструкции, как наиболее удобные в эксплуатации, и не содержащие избыточных элементов плёночной аппаратуры.

Матрицы всех цифровых фотоаппаратов обладают плоской формой, как и большинство фотоматериалов. При этом используются объективы, строящие действительное изображение, расположенное на поверхности, максимально приближённой к плоскости. Однако, в 2014 году компания Sony анонсировала выпуск вогнутых матриц в форме сферической огибающей[18]. Позднее аналогичные разработки начали Canon и Nikon. В 2017 году о создании вогнутых матриц объявила корпорация Microsoft[19]. Такая матрица требует совершенно других объективов упрощённой конструкции, благодаря отказу от корригирования кривизны поля изображения[20][21]. В результате при более компактных размерах оптики с меньшим количеством линз повышаются её светосила и разрешающая способность[22]. Кроме того, за счёт более выгодных углов падения света, светочувствительность вогнутых матриц выше, чем у плоских, в два раза по полю и в 1,4 раза в центре[18].

Считывание изображения

На сегодняшний день известны несколько технологий регистрации света в цифровой аппаратуре. Все они основаны на

Как работают цифровые фотоаппараты?

Криса Вудфорда. Последнее изменение: 1 ноября 2020 г.

Цифровые фотоаппараты дают совершенно новый смысл идеи рисования цифрами. В отличие от пленочных фотоаппаратов старого образца, они захватывают и записывают изображения мир вокруг нас с помощью цифровых технологий. Другими словами, они хранят фотографии не как узоры тьмы и света, а как длинные цепочки чисел. У этого есть много преимуществ: дает нам мгновенные фотографии, позволяет редактировать наши изображения и упрощает нам обмен фотографиями с помощью мобильных телефонов (мобильных телефоны), электронную почту и веб-сайты.

Фото: типичная недорогая цифровая камера. Круг — это линза; прямоугольник над ним — ксеноновая лампа-вспышка. Вы можете увидеть, как эта камера выглядит внутри, на фото ниже на этой странице.

Как работают обычные пленочные фотоаппараты

Фото: Пленочный фотоаппарат старого образца с конца 1980-е гг. Пленка загружается в катушку справа и перематывается на другую. катушка слева, по пути проходящая перед объективом. Когда ты сделай фото, затвор позволяет свет попадает из линзы и экспонирует пленку.Это все очень похоже на XIX век по сравнению с цифровой фотографией!

Если у вас есть камера старого образца, вы поймете, что она бесполезна без одного жизненно важного оборудования: пленки . Пленка — это длинная катушка из гибкого пластика, покрытого специальными химикатами (на основе соединений серебра) чувствительные к свету. Чтобы свет не испортил пленку, ее заворачивают внутрь жесткой, светонепроницаемый пластиковый цилиндр — вещь, которую вы вставляете в камеру.

Если вы хотите сделать снимок пленочной камерой, вам нужно нажать кнопку кнопка.Это приводит в действие механизм, называемый затвором, который делает отверстие (апертура) открывается на короткое время в передней части камеры, позволяя свет проникает через линзу (толстый кусок стекло или пластик установлен спереди). Свет вызывает реакции в химикаты на пленке, таким образом сохраняя изображение перед вами.

Это не Однако это конец процесса. Когда фильм заполнен, ты нужно отнести в аптеку (аптеку), чтобы получить развит. Обычно это включает размещение пленки в огромном автоматическая проявочная машина.Машина открывает фильм контейнер, вытаскивает пленку и окунает ее в другие химические вещества. чтобы ваши фотографии появились. Этот процесс превращает фильм в серию «негативных» картинок — призрачных перевернутых версий то, что вы на самом деле видели. На негативе черные области выглядят светлыми и наоборот, и все цвета тоже выглядят странно, потому что негатив хранит их как противоположности. Как только машина произведет негативы, он использует их для печати (готовых версий) ваших фото.

Если вы хотите сделать только одну или две фотографии, все это может быть немного неприятность.Большинство людей теряют фотографии просто чтобы «закончить фильм». Часто приходится ждать несколько дней на проявку пленки и распечатки ( готовые фотографии) вернулся к вам. Неудивительно, что цифровая фотография стала очень популярной, потому что она решает все эти проблемы одним махом.

(Кстати, если вы хотите узнать больше о пленочных фотоаппаратах и ​​традиционной фотографии, см. нашу основную статью о том, как работают пленочные фотоаппараты.)

Как работают цифровые камеры

Фото: обычный датчик изображения.Зеленый прямоугольник в центре (размером с ноготь) — это светочувствительная часть; золотые провода, идущие от него, подключают его к цепи камеры.

Цифровые фотоаппараты очень похожи на обычные пленочные фотоаппараты, но работают в совершенно другой способ. Когда вы нажимаете кнопку, чтобы взять сфотографировать цифровым фотоаппаратом, апертура открывается в передней части камера и свет проникает через объектив. Пока это как пленочная камера. Однако с этого момента все по-другому.Нет пленки в цифровом камера. Вместо этого есть кусок электронное оборудование, которое захватывает падающие световые лучи и превращает их в электрические сигналы. Этот детектор света может быть одного из двух типов: с зарядовой связью. устройство (CCD) или датчик изображения CMOS .

Если вы когда-нибудь смотрели на экран телевизора, закройте вверх, вы заметите, что изображение состоит из миллионов крошечных цветные точки или квадраты называются пикселей . ЖК-экраны ноутбуков также создают изображение с помощью пикселей, хотя они часто слишком мал, чтобы увидеть.На экране телевизора или компьютера, электронное оборудование включает и выключает все эти цветные пиксели очень быстро. Свет от экрана попадает в ваши глаза и мозг обманом заставляет увидеть большую движущуюся картинку.

В цифровой камере происходит прямо противоположное. Свет от объект, который вы фотографируете, увеличивается в объектив камеры. Этот входящий «картинка» попадает на чип датчика изображения, который разбивает его на миллионы пикселей. Датчик измеряет цвет и яркость каждого пикселя. и сохраняет его как число.Ваша цифровая фотография эффективно чрезвычайно длинная строка чисел, описывающая точные детали каждого содержащегося в нем пикселя. Вы можете узнать больше о том, как датчик изображения создает цифровое изображение в нашем статья о веб-камерах.

Как в цифровых камерах используются цифровые технологии

После того, как изображение сохранено в числовой форме, вы можете делать все, что угодно. с этим. Подключите цифровую камеру к компьютеру, и вы сможете скачать сделанные вами изображения и загрузить их в такие программы, как PhotoShop чтобы отредактировать их или оживить.Или вы можете загружать их на веб-сайты, отправлять по электронной почте друзьям и т. Д. на. Это возможно, потому что ваши фотографии хранятся в цифровом формате. формат и все виды других цифровых гаджетов — от MP3-плееры iPod на от мобильных телефонов и компьютеров до фотопринтеров — используйте цифровые технологии тоже. Цифровой — это язык, на котором все электронные гаджеты «говорят» сегодня.

Фото: Цифровые фотоаппараты намного удобнее чем пленочные камеры. Вы можете сразу увидеть, как картинка будет выглядеть на ЖК-дисплее. экран на спине.Если с вашей картинкой не все в порядке, вы можете просто удалить ее и попробовать очередной раз. Вы не можете сделать это с пленочной камерой. Цифровые камеры означают фотографы могут быть более креативными и экспериментальными.

Если вы откроете цифровую фотографию в программе рисования (редактирования изображений), вы можете изменить его разными способами. Такая программа работает изменяя числа, представляющие каждый пиксель изображения. Так, если вы нажмете на элемент управления, который сделает изображение на 20 процентов ярче, программа по очереди перебирает все числа для каждого пикселя и увеличивает их на 20 процентов.Если вы зеркально отразите изображение (переверните его по горизонтали), программа меняет последовательность чисел, которые она магазины, поэтому они работают в противоположном направлении. Что вы видите на экран — это изображение, изменяющееся по мере того, как вы редактируете или манипулируете им. Но что вы не видите, меняет ли программа рисования все числа в фон.

Некоторые из этих методов редактирования изображений встроены в более сложные цифровые камеры. У вас может быть камера с оптическим зумом и цифровой зум. Оптический зум означает, что объектив перемещается внутрь и наружу. для увеличения или уменьшения входящего изображения при попадании на ПЗС-матрицу.А цифровой зум означает, что микрочип внутри камеры взрывает входящее изображение без фактического перемещения объектива. Таким образом, как и при приближении к телевизору, качество изображения ухудшается. Короче говоря, оптическое увеличение делает изображения крупнее и четче, но цифровое зуммирование делает изображения больше и более размытыми.

Почему цифровые камеры сжимают изображения

Представьте на мгновение, что вы — чип считывания изображения CCD или CMOS. Выгляни в окно и попробуй выясните, как вы будете хранить детали вида, который вы видите.Сначала вам нужно разделить изображение на сетку квадратов. Итак, вам нужно будет нарисовать воображаемую сетку поверх окна. Затем вам нужно будет измерить цвет и яркость каждого пиксель в сетке. Наконец, вам придется написать все эти измерения вниз как числа. Если вы измерили цвет и яркость для шести миллионов пикселей и записал оба значения как чисел, вы получите строку из миллионов чисел — просто чтобы хранить одну фотографию! Вот почему качественные цифровые изображения часто создавать огромные файлы на вашем компьютере.Каждого может быть несколько размером в мегабайты (миллионы символов).

Чтобы обойти это, цифровые камеры, компьютеры и другие цифровые устройства используйте метод под названием сжатие . Сжатие — это математический трюк это включает сжатие цифровых фотографий поэтому их можно хранить с меньшим количеством номеров и меньшим объемом памяти. Одна из популярных форм сжатия называется JPG (произносится как J-PEG, что расшифровывается как Joint Photographic Experts Group имени ученых и математиков кто придумал идею).JPG известен как «с потерями» сжатие, потому что, когда фотографии сжимаются таким образом, некоторые информация потеряна и не может быть восстановлена. JPG высокого разрешения использовать много места в памяти и выглядеть очень четко; использование JPG низкого разрешения гораздо меньше места и выглядят более размытыми. Вы можете узнать больше о сжатие в нашей статье о MP3 игроков.

Большинство цифровых фотоаппаратов имеют настройки, позволяющие делать снимки с более высокой или более низкие разрешения. Если вы выберете высокое разрешение, камера сможет хранить на карте памяти меньше изображений, но они намного лучшего качества.Выберите низкое разрешение, и вы получите больше изображений, но качество не будет таким хорошим. Изображения с низким разрешением сохраняются с большим сжатием.

Превращение обычных фотографий в цифровые фотографии

Есть способ превратить фотографии с обычной пленочной камеры в цифровые фотографии — путем их сканирования. Сканер — это часть компьютера оборудование, похожее на небольшой копировальный аппарат но работает как цифровая камера. Когда вы помещаете фотографии в сканер, свет сканирует поперек них, превращая их в строки пикселей и, таким образом, в цифровые изображения, которые вы можете просматривать на своем компьютере.

Что такое «беззеркальные» фотоаппараты?

Фактически существует четыре различных типа цифровых фотоаппаратов. Самый простой, известный как наведи и стреляй , имеет объектив для захвата света (который может или не может увеличиваться), датчик изображения, чтобы преобразовать узор света в цифровую форму, и ЖК-экран на задней панели для просмотра ваших фотографий. На противоположном конце спектра камеры DSLR (Digital Single Lens Reflex) выглядят как традиционные профессиональные пленочные камеры и имеют внутри движущееся откидное зеркало, которое позволяет вам просматривать точную картинку, которую вы собираетесь снимать, через объектив ( для объяснения того, как работает SLR, смотрите нашу статью о пленочных камерах).Самая последняя инновация, беззеркальные цифровые фотоаппараты , представляет собой своего рода гибрид этих двух конструкций: они отказываются от система шарнирных зеркал в пользу ЖК-видоискателя с более высоким разрешением, установленного ближе к датчику изображения, что делает их меньше, легче, быстрее и тише. Наконец, есть камер для смартфонов , которые напоминают модели с наведением и снимают, но не имеют таких функций, как оптический зум.

Чем цифровые фотоаппараты соотносятся с фотоаппаратами смартфонов?

Из того, что я сказал до сих пор, вы можете видеть, что цифровые камеры — замечательная вещь, если вы сравнивая их со старыми пленочными фотоаппаратами.Благодаря превосходному ультрасовременному изображению датчиков, на самом деле нет веских причин (кроме ностальгического предпочтения аналоговая технология) для использования пленки. Вас простят за то, что вы думаете, что продажи цифровых фотоаппаратов будут взлетит, но вы ошибаетесь. За последние несколько лет, продажи цифровых фотоаппаратов падают одновременно с двузначным числом с массовым ростом количества смартфонов и планшетов (которые сейчас продают Больше чем 1,5 миллиарда каждый год). Посетите сайт обмена фотографиями, например Flickr, и вы обнаружите, что самые популярные «камеры» на самом деле телефоны: в сентябре 2019 года, когда я обновляю эту статью, Все пять лучших камер Flickr айфоны.Есть ли веская причина владеть автономным цифровым камеры больше или теперь можно все делать с камерой телефона?

Фото: плюсы и минусы цифровых фотоаппаратов и смартфонов резюмированы на трех фотографиях. Даже цифровые камеры типа «наведи и снимай», такие как мой старый Canon Ixus, имеют большие, лучшие телескопические линзы (вверху) и сенсоры по сравнению с таковыми в лучших камерах для смартфонов, таких как мой новый LG (в центре). Но смартфоны, несомненно, имеют отличные возможности подключения, и у них больше, лучше и четче экраны (внизу).Здесь вы можете увидеть огромный экран моего смартфона, изображенный на превью фотографии на крошечном экране Canon.

Датчики и экраны

Сделайте шаг назад на десять лет, и не будет никакого сравнения между грубые и неуклюжие снимки камер на мобильных телефонах и даже на самых посредственные компактные цифровые фотоаппараты. В то время как цифровые устройства хвастались постоянно растущее количество мегапикселей, мобильные телефоны сделали грубые снимки немного лучше, чем у обычной веб-камеры (1 Мегапиксель или меньше было обычным явлением).Теперь все изменилось. Цифровая камера Canon Ixus / Powershot 10-летней давности, которую я обычно использую, имеет разрешение 7,1 мегапикселя, то есть отлично подходит почти для всего, что я когда-либо хотел делать. Мой новый смартфон LG имеет разрешение 13 мегапикселей, что (по крайней мере теоретически) звучит так, будто он должен быть вдвое лучше.

Но ждать! «Мегапиксели» — это маркетинговая уловка, вводящая в заблуждение: действительно важен размер и качество самих датчиков изображения. Как правило, чем больше датчик, тем лучше снимки.Сравнивая необработанные технические данные, Canon Ixus заявляет о ПЗС-матрице 1 / 2,5 дюйма в то время как LG имеет 1 / 3,06-дюймовую CMOS (более новый, несколько иной тип сенсорного чипа). Что на самом деле означают эти числа? Измерения сенсора основаны на бесполезной запутанной математике, которую я не буду здесь объяснять, и Вы можете поверить в то, что обе эти камеры имеют крошечные сенсоры, примерно вдвое меньше ногтя на мизинце (измерения менее 5 мм в каждом направлении), хотя сенсор Canon значительно больше. Digital Ixus, хотя на восемь лет старше, чем смартфон LG, и имеет вдвое меньше «мегапикселей», имеет значительно больший сенсорный чип, который, вероятно, превзойдет LG, особенно в условиях низкой освещенности.

Canon также набирает очков на лучше, телескопический объектив. (технически оцененный 5,8–17,4 мм, что эквивалентно 35–105 мм) — лучшее качество и телескопический при загрузке — который может снимать все с бесконечного расстояния пейзажи и макро-снимки пауков и мух крупным планом. Но у меня есть загрузить свои фотографии в компьютер, чтобы понять, насколько они хороши или плохи потому что у Canon только крошечный ЖК-экран размером 6 см (2,5 дюйма). LG более чем в два раза лучше по диагонали экрана — 14 см (5.5 дюймов) «монитор». По оценке Canon, экран Ixus имеет 230 000 пикселей, а LG имеет четырехъядерный HD (2560 × 1440 пикселей), что примерно в шестнадцать раз больше. Возможно, я не смогу делать более качественные снимки с помощью LG, но, по крайней мере, я могу мгновенно оценить и оценить их на экране, не уступающем HD-телевизору (хотя и карманного размера).

Имейте в виду, что мой Canon — это всего лишь компактный, наведи и снимай, так что это не совсем справедливое сравнение того, чего можно достичь с помощью действительно хорошей цифровой камеры и действительно хорошего смартфона.Мой LG лучше всех камер для смартфонов, но Ixus далеко не так хорош как лучшие цифровые фотоаппараты. Профессиональная зеркальная фотокамера будет иметь датчик , намного больший, чем у смартфона — до 3,6 см × 2,4 см, поэтому она сможет захватывать действительно мелкие детали даже при самом низком уровне освещенности. У него также был бы больший и лучший экран и лучшие (сменные) линзы.

Фото: это крупный план камеры внутри LG (со снятой крышкой).Что ты смотришь А вот и объектив: чип датчика изображения находится прямо под ним. (Если неясно, я указываю на красную ручку.)

Социальные сети

Конечно, где камеры смартфонов действительно забивают, так это в «смартфонах». отдел: по сути, это компьютеры, которые можно легко достать портативный и всегда в сети. Так что не только у вас больше шансов делать случайные фотографии (потому что у вас всегда есть камера), но вы можете мгновенно загрузить свои снимки в Instagram с метким названием, Facebook или Twitter.И это настоящая причина, по которой смартфон камеры превзошли цифровые модели старой школы: сама фотография изменен с цифрового эквивалента дагерротипа XIX века (сам по себе возврат к портретным картинам старых) к чему-то более непринужденный, немедленный и, конечно же, социальный . Для цели Facebook или Twitter, часто просматриваемые на мобильных устройствах с маленьким экраном устройств, вам не нужно больше пары мегапикселей, самое большее. (Убедитесь в этом сами, загрузив изображение в высоком разрешении из Instagram или Flickr, и редко бывает больше пары сотен размер килобайт и не более 1000 мегапикселей в каждом измерении, Всего меньше одного мегапикселя.) Даже лучше сайты обмена фотографиями, такие как Instagram и Flickr, большинство людей будут никогда не просматривайте свои фотографии в многомегапиксельном разрешении: они просто не поместились бы на экране. Таким образом, даже если ваш смартфон не имеет большого количества мегапикселей, он на самом деле не имеет значения: большинство людей листают ваши фотографии на на своем смартфоны не заметят — или не позаботятся. Социальные сети — значит никогда не иметь сказать, что вам жаль, что вы забыли свою зеркалку и у вас был только iPhone!

Дополнения для смартфонов

Совершенно верно, что фотографии, сделанные на первоклассном Canon или Nikon DSLR превзойдут, без сомнения, снимки даже с лучшие смартфоны, но часто потому, что это не равное сравнение.Часто сравниваем хорошие любительские фото снятые на смартфон, в блестящие профессиональные фотографии, сделанные с Зеркалки. Сколько из того, что мы видим, — это камера … и сколько глаз фотографа? Иногда трудно разделить два вещи

Профессионалы могут добиться потрясающих результатов с помощью смартфонов, но и любители могут с небольшой дополнительной помощью. Один из недостатков камер смартфонов — отсутствие ручное управление (обычно даже меньше, чем у базового компактного цифровая камера).В определенной степени это можно обойти, с помощью дополнительных приложений, которые дают вам гораздо больший контроль над неудобные старые настройки, такие как ISO, диафрагма, выдержка и баланс белого. (Найдите в своем любимом магазине приложений такие ключевые слова, как «профессиональная фотография» или «ручная фотография».) Вы также можете добавить к смартфону объективы, чтобы обойти недостатки объектив с фиксированным фокусным расстоянием (хотя тут ничего не поделаешь) о крошечном датчике изображения худшего качества). Как только ваши фотографии будут надежно закреплены, есть множество приложений для редактирования фотографий для смартфонов, в том числе уменьшенные, бесплатная версия PhotoShop, которая поможет вам ретушировать любительскую «посеять уши» в профессиональные «шелковые кошельки».«

Так зачем все же покупать цифровые?

Поскольку сейчас у многих людей есть смартфоны, реальный вопрос нужна ли вам еще и цифровая камера. Очень трудно увидеть аргумент в пользу компактности «наведи и стреляй»: для социальных сетей щелкает, большинство из нас может обойтись своими телефонами. Для этого сайта я использую много макросов фотографии — крупные планы схем и механических частей — с моим Ixus, которые я не мог захватить с LG, так что я не собираюсь прыгать с корабля в ближайшее время.

Если вы хотите делать фотографии профессионального качества, сравнивать между собой смартфоны и зеркалки.Первоклассная зеркалка дает изображение лучшего качества датчик (до 50 раз больше, чем в смартфон) и гораздо лучший объектив: эти две принципиально важные вещи делают «сырое» изображение от зеркалки намного лучше. Добавьте все эти неудобные инструкции управления у вас есть на DSLR, и вы сможете снимать далеко больший диапазон фотографий при гораздо более широком диапазоне освещения условия. Если вы действительно заботитесь о качестве своих фотографий, мгновенная загрузка на сайты обмена может быть менее важной соображение: вы хотите просматривать свои фотографии на большом мониторе, ретушируйте их и делитесь ими только тогда, когда будете счастливы.Сказав что теперь вы можете покупать гибридные цифровые камеры со встроенным Wi-Fi, предлагают удобство мгновенного обмена, аналогичное смартфонам. И из Конечно, ничто не мешает носить с собой смартфон и зеркалку если вы действительно хотите получить лучшее из обоих миров!

Краткая история фотографии

Artwork: Оригинальная цифровая камера, изобретенная в 1970-х годах Стивеном Сассоном, немного напоминала старый. видеокамеру и нужен был отдельный монитор воспроизведения. Сначала (вверху) вы сделали фотографии с помощью камеры (синяя), которая использовала ПЗС-матрицу для записи их на магнитную ленту (красная).Позже (внизу), когда вы вернулись домой, вы достали ленту, вставили ее в компьютер (оранжевый) и просмотрели сделанные вами снимки на мониторе компьютера или телевизоре (зеленый). Изображение из патента США 4 131919: Электронный фотоаппарат Гарета А. Ллойда, Стивена Дж. Сассона любезно предоставлено Управлением по патентам и товарным знакам США.

  • 4 век до нашей эры: Китайцы изобрели камеру-обскуру (затемненная комната с дырой в шторах, которая проецирует изображение внешнего мира на дальнюю стену).
  • Конец 1700-х: Томас Веджвуд (1771–1805) и сэр Хэмфри Дэви (1778–1829), Двое английских ученых провели первые эксперименты, пытаясь записать изображения на светочувствительной бумаге.Их фото не было постоянный: они стали черными, если не хранились постоянно в темном месте.
  • 1827: французский Joseph Nicéphore Niépce (1765–1833) сделал первый в мире фотографии. Его метод не годился для портретов людей, потому что затвор камеры должен был оставаться открытым в течение восьми часов.
  • 1839: французский художник сцены из оперного театра Луи Дагер (1787–1851) объявил об изобретении фотографий на серебряных пластинах, которые стали известны как дагерротипы.
  • 1839: Уильям Генри Фокс Талбот (1800–1877) изобрел фотографический негатив.
  • 1851: Британский художник и фотограф Фредерик Скотт Арчер (1813–1857) изобрел способ делать резкие фотографии на влажных стеклянных пластинах.
  • 1870-е: Британский врач Доктор Ричард Мэддокс (1816–1902) разработал способ фотографирования с использованием сухих пластин и желатина.
  • 1883: американский изобретатель Джордж Истман (1854–1932) изобрел современную фотопленку.
  • 1888: Джордж Истман выпустил свою простую в использовании камеру Kodak. Его девизом было: «Вы нажимаете кнопку, а мы делаем все остальное».
  • 1947: Эдвин Лэнд (1909–1991) изобрел мгновенную поляроидную камеру.
  • 1963: Эдвин Лэнд изобрел цветную поляроидную камеру.
  • 1975: Американский инженер-электрик Стивен Сассон вместе с Гаретом Ллойдом из Eastman Kodak изобрел первую электронную камеру на основе ПЗС.
  • 1990-е: Цифровые фотоаппараты начали становиться популярными, постепенно делая пленочные фотоаппараты устаревшими.
  • 2000-е: современные мобильные телефоны со встроенными цифровыми камерами начали делать автономные цифровые камеры ненужными для повседневной фотосъемки.

Как работают цифровые фотоаппараты

Фотоны с неба собираются телескопом и фокусируются на датчике цифровой камеры, где фотоэлектроны создаются, сохраняются во время экспозиции и, наконец, оцифровываются и превращаются в числа, с которыми мы работаем на компьютере.

Цифровая камера улавливает свет и фокусирует его через линзу на кремниевый сенсор.Он состоит из сетки крошечных фотосайтов , чувствительных к свету. Каждый фотосайт обычно называется пикселей , сокращение от «элемент изображения». В сенсоре цифровой зеркальной камеры миллионы этих отдельных пикселей.

Цифровые камеры снимают свет из нашего мира или космического пространства в пространстве, тональности и времени. Пространственная выборка означает, что угол обзора, который видит камера, разбит на прямоугольную сетку пикселей. Тональная выборка означает, что непрерывно меняющиеся тона яркости в природе разбиты на отдельные дискретные ступени тона.Если имеется достаточно сэмплов, как пространственных, так и тональных, мы воспринимаем это как точное представление исходной сцены. Временная выборка означает, что мы делаем экспонирование заданной продолжительности.

Наши глаза также воспринимают мир таким образом, который можно рассматривать как «временную экспозицию», обычно на относительно короткой основе в несколько десятых секунды, когда уровень освещенности высокий, как в дневное время. В условиях низкой освещенности экспозиция глаза или Время интеграции может увеличиваться до нескольких секунд.Вот почему мы можем увидеть больше деталей в телескоп, если в течение некоторого времени будем смотреть на слабый объект.

Глаз — относительно чувствительный детектор. Он может обнаруживать одиночный фотон, но эта информация не отправляется в мозг, потому что она не превышает минимального порогового значения отношения сигнал / шум схемы фильтрации шума в зрительной системе. Для отправки детектирования в мозг требуется несколько фотонов. Цифровая камера почти так же чувствительна, как глаз, и обе они намного чувствительнее, чем пленка, для обнаружения которой требуется много фотонов.

Это временная выборка с длинной выдержкой, которая действительно делает возможной магию цифровой астрофотографии. Истинная сила цифрового датчика заключается в его способности объединять или собирать фотоны в течение гораздо более длительных периодов времени, чем глаз. Вот почему мы можем записывать детали на длинных выдержках, которые невидимы для глаза даже в большой телескоп.

Каждый фотосайт на ПЗС- или КМОП-чипе состоит из светочувствительной области из кристаллического кремния в фотодиоде, который поглощает фотоны и высвобождает электроны за счет фотоэлектрического эффекта.Электроны накапливаются в колодце в виде электрического заряда, который накапливается на протяжении всего воздействия. Генерируемый заряд пропорционален количеству фотонов, попавших на датчик.

Этот электрический заряд затем передается и преобразуется в аналоговое напряжение, которое усиливается и затем отправляется в аналого-цифровой преобразователь, где он оцифровывается (превращается в число).

ПЗС- и КМОП-сенсоры

действуют одинаково при поглощении фотонов, генерации электронов и их хранении, но отличаются тем, как переносится заряд и где он преобразуется в напряжение.Оба заканчиваются цифровым выходом.

Весь файл цифрового изображения представляет собой набор чисел, которые представляют значения местоположения и яркости для каждого квадрата в массиве. Эти числа хранятся в файле, с которым могут работать наши компьютеры.

Фотосайт не светочувствителен. Только фотодиод есть. Процент светочувствительного фотосайта называется коэффициентом заполнения . Для некоторых датчиков, таких как КМОП-чипы, коэффициент заполнения может составлять от 30 до 40 процентов всей площади фотосайта.Остальная часть CMOS-сенсора состоит из электронных схем, таких как усилители и схемы шумоподавления.

Поскольку светочувствительная область настолько мала по сравнению с размером фотосайта, общая чувствительность чипа снижается. Чтобы увеличить коэффициент заполнения, производители используют микролинзы для направления фотонов, которые обычно попадают в нечувствительные области и в противном случае остаются незамеченными, на фотодиод.

Электроны генерируются, пока фотоны попадают на датчик во время экспозиции или интегрирования.Они хранятся в потенциальной лунке до окончания воздействия. Размер лунки называется полной емкостью , и он определяет, сколько электронов можно собрать, прежде чем она заполнится и будет считаться заполненной. В некоторых датчиках после заполнения лунки электроны могут перетекать в соседние лунки, вызывая цветение , которое видно как вертикальные пики на ярких звездах. Некоторые камеры имеют функции защиты от цветения, которые уменьшают или предотвращают это. Большинство зеркальных фотокамер очень хорошо контролируют цветение, и это не проблема для астрофотографии.

Количество электронов, которые может накапливаться колодец, также определяет динамический диапазон сенсора , диапазон яркости от черного до белого, при котором камера может улавливать детали как в слабых, так и в ярких областях сцены. Если учесть шум, датчик с большей емкостью лунки обычно имеет больший динамический диапазон. Датчик с низким уровнем шума помогает улучшить динамический диапазон и улучшить детализацию в слабо освещенных областях.

Не каждый фотон, попавший в детектор, будет зарегистрирован.Количество обнаруженных определяется квантовой эффективностью датчика. Квантовая эффективность измеряется в процентах. Если датчик имеет квантовую эффективность 40 процентов, это означает, что четыре из каждых десяти фотонов, попавших в него, будут обнаружены и преобразованы в электроны. По словам Роджера Кларка, квантовая эффективность ПЗС-матриц и КМОП-сенсоров в современных зеркальных фотокамерах составляет от 20 до 50 процентов, в зависимости от длины волны. Лучшие специализированные астрономические ПЗС-камеры могут иметь квантовую эффективность 80 процентов и более, хотя это относится к изображениям в оттенках серого.

Количество электронов, которые накапливаются в яме, пропорционально количеству обнаруженных фотонов. Затем электроны в яме преобразуются в напряжение. Этот заряд является аналоговым (непрерывно меняющимся) и обычно очень мал и должен быть усилен, прежде чем его можно будет оцифровать. Усилитель считывания выполняет эту функцию, согласовывая диапазон выходного напряжения датчика с диапазоном входного напряжения аналого-цифрового преобразователя. Преобразователь A / D преобразует эти данные в двоичное число.

Когда аналого-цифровой преобразователь оцифровывает динамический диапазон, он разбивает его на отдельные этапы. Общее количество шагов определяется разрядностью конвертера. Большинство цифровых зеркальных фотоаппаратов работают с глубиной тона 12 бит (4096 шагов).

Выход датчика технически называется аналого-цифровым блоком (ADU) или цифровым номером (DN). Число электронов на ADU определяется коэффициентом усиления системы. Коэффициент усиления 4 означает, что аналого-цифровой преобразователь оцифровал сигнал, так что каждый ADU соответствует 4 электронам.

Рейтинг выдержки по ISO аналогичен рейтингу светочувствительности пленки. Это общая оценка светочувствительности. Датчики цифровой камеры действительно имеют только одну чувствительность, но позволяют использовать разные настройки ISO, изменяя усиление камеры. Когда коэффициент усиления удваивается, количество электронов на ADU уменьшается в 2 раза.

По мере увеличения ISO в цифровой камере меньше электронов преобразуется в один ADU. Увеличение ISO отображает меньший динамический диапазон на ту же битовую глубину и уменьшает динамический диапазон.При ISO 1600 можно использовать только 1/16 от полной емкости сенсора. Это может быть полезно для астрономических изображений тусклых объектов, которые в любом случае не собираются заполнять колодец. Камера преобразует только небольшое количество электронов из этих редких фотонов, и, отображая этот ограниченный динамический диапазон на полную битовую глубину, возможно большее различие между шагами. Это также дает больше шагов для работы, когда эти слабые данные растягиваются позже при обработке для увеличения контраста и видимости.

Для каждого пикселя в датчике данные яркости, представленные числом от 0 до 4095 для 12-битного аналого-цифрового преобразователя, вместе с координатами местоположения пикселя, сохраняются в файле. Эти данные могут быть временно сохранены во встроенном буфере памяти камеры, прежде чем они будут навсегда записаны на съемную карту памяти камеры.

Этот файл чисел преобразуется в изображение, когда оно отображается на мониторе компьютера или распечатывается.

Это числа, полученные в процессе оцифровки, с которыми мы можем работать на наших компьютерах.Числа представлены как биты, сокращение от «двоичных цифр». В битах используется двоичная система счисления с основанием 2, где единственными числами являются единица и ноль вместо десятичных чисел от 0 до 9, с которыми мы обычно работаем. Компьютеры используют двоичные числа, потому что транзисторы, из которых они сделаны, имеют только два состояния, включенное и выключенное, которые представляют собой числа один и ноль. Таким образом могут быть представлены все числа. Это то, что делает компьютеры такими мощными в работе с числами — эти транзисторы очень быстрые.


Пространственная выборка

Фотосайты в датчике камеры соответствуют пикселям цифрового изображения на выходе. Многие люди также называют фотосайты в датчике камеры общим термином «пиксели». Эти фотосайты расположены в виде прямоугольного массива. В Canon 20D размер массива составляет 3504 x 2336 пикселей, что в сумме составляет 8,2 миллиона пикселей. Эту сетку можно представить как шахматную доску, где каждая клетка очень мала. Квадраты настолько малы, что при просмотре на расстоянии они обманывают глаз и мозг, заставляя думать, что изображение представляет собой непрерывное тональное изображение.Если вы увеличите любое цифровое изображение до достаточно большого размера, вы сможете увидеть отдельные пиксели. Когда это происходит, мы называем изображение «пиксельным».

Оцифрованное изображение состоит из сетки пикселей, представленных числами. Цифры указывают положение пикселя в сетке и яркость красного, зеленого и синего цветовых каналов.

Цветные изображения фактически состоят из трех отдельных каналов черно-белой информации, по одному для красного, зеленого и синего цветов. Из-за того, как глаз и мозг воспринимают цвет, все цвета радуги можно воссоздать с помощью этих трех основных цветов.

Хотя цифровая камера может записывать 12 бит или 4096 шагов информации о яркости, почти все устройства вывода могут отображать только 8 бит или 256 шагов для каждого цветового канала. Исходные 12-битные (2 12 = 4096) входные данные должны быть преобразованы в 8-битные (2 8 = 256) для вывода.

В приведенном выше примере указанный пиксель имеет уровень яркости 252 в красном канале, 231 в зеленом канале и 217 в синем канале. Яркость каждого цвета может варьироваться от 0 до 255, что составляет 256 шагов в каждом цветовом канале при отображении на мониторе компьютера или при выводе на настольный принтер.Ноль означает чистый черный цвет, а 255 означает чистый белый цвет.

256 цветов: красный, зеленый и синий — может показаться немного, но на самом деле это огромное число, потому что 256 x 256 x 256 = более 16 миллионов отдельных цветов.


Тональная выборка

Свет и тона в мире непрерывны. После захода солнца в ясный день небо на западе меняется от яркого у горизонта до темно-синего над головой. Эти оттенки синего постоянно меняются. Они плавно переходят от светлого к темному.

Цифровые камеры измеряют свет и разбивают его непрерывно меняющиеся тона на дискретные шаги, которые могут быть представлены числами (цифрами). Они оцифровывают изображение.

Из-за того, как работает наша зрительная система, если мы разделим непрерывные тона на достаточное количество маленьких дискретных шагов, мы можем обмануть глаз, заставив его думать, что это непрерывный тон, даже если это не так.

256 шагов — визуально кажется непрерывным 128 шагов 64 шага 32 ступени 16 шагов

В приведенных выше примерах мы можем увидеть эффект разного количества тонов при сэмплировании от черного к белому.Мы можем четко различить небольшое количество тонов как непостоянные. Но когда число увеличивается, где-то около 128 шагов, они кажутся непрерывными для нашего восприятия.


Компьютеры и номера

Поскольку компьютеры очень мощные при работе с числами, мы можем быстро и легко выполнять различные операции с этими числами.

Например, контраст определяется как разница в яркости между соседними пикселями. Чтобы был контраст, вначале должна быть разница, поэтому один пиксель будет светлее, а другой — темнее.Мы можем очень легко увеличить контраст, просто добавив число к значению яркости более светлого пикселя и вычтя число из значения яркости более темного пикселя.

Цвет изображения представлен значением яркости пикселя в каждом из трех цветовых каналов — красном, зеленом и синем — которые составляют информацию о цвете. Мы можем так же легко изменить цвет пикселя или группы пикселей, просто изменив числа.

Мы можем выполнять и другие трюки, такие как увеличение видимой резкости изображения путем увеличения контрастности краевых границ объектов изображения с помощью процесса, называемого нерезким маскированием.

Изображение, представленное числами, позволяет нам полностью контролировать его. А поскольку изображение представляет собой набор чисел, его можно точно дублировать любое количество раз без потери качества.


Линейные и нелинейные данные

Регистрирующий отклик цифрового датчика пропорционален количеству попавших на него фотонов. Ответ линейный. В отличие от пленки, цифровые датчики регистрируют в два раза больший сигнал, когда на них попадает вдвое большее количество фотонов.Цифровые датчики также не страдают от нарушения взаимности, как большинство фильмов.

Данные, производимые датчиком CMOS в камере DSLR, которые записываются в необработанный файл, являются линейными. Линейные данные обычно выглядят очень темными и низкоконтрастными по сравнению с обычной фотографией (см. Изображение ниже).

Человеческое зрительное восприятие яркости больше похоже на логарифмическую кривую, чем на линейную кривую. Другие человеческие чувства, такие как слух и даже вкус, также логарифмические. Это означает, что мы лучше воспринимаем различия на нижнем уровне шкалы восприятия, чем на верхнем.Например, мы можем очень легко определить разницу между весом в один фунт и весом в два фунта, когда мы их поднимаем. Но нам очень трудно определить разницу между 100-фунтовой и 101-фунтовой гирями. Но разница все та же, один фунт.

Обычные фотографии, снятые на пленку, также записываются нелинейным способом, аналогичным способу работы человеческого зрения. Вот почему мы можем поднять слайд на свет, и он выглядит как разумное представление исходной сцены без каких-либо дополнительных изменений.

Поскольку система зрительного восприятия человека не работает линейно, необходимо применить нелинейную кривую, чтобы «растянуть» линейные данные с камеры DSLR, чтобы тональность фотографии соответствовала тому, как работает наша зрительная система. Эти нелинейные регулировки выполняются программным обеспечением внутри камеры, если изображение записано в файл JPEG. Если необработанный файл сохраняется в камере, эти нелинейные настройки выполняются в программном обеспечении позже, когда данные открываются в программе обработки изображений.

Щелкните курсором мыши по изображению, чтобы сравнить два изображения. Щелкните еще раз, чтобы вернуться к предыдущему изображению.

В примерах изображений, показанных выше, снимок экрана диалогового окна «Кривые» в Photoshop был включен в изображение, чтобы мы могли видеть сравнение линейных данных и тех же данных с примененной к ним нелинейной кривой. Кривая на темном изображении линейная, это прямая линия. Кривая на ярком изображении показывает растяжение, которое необходимо применить к данным, чтобы приблизить их к нашему визуальному восприятию.

Кривая представляет входные и выходные значения яркости пикселей изображения. Черный находится в нижнем левом углу, а белый — в верхнем правом углу. Серые тона находятся посередине. Когда линия прямая, входной тон, идущий горизонтально по дну, совпадает с выходным тоном, который проходит вертикально по левой стороне.

Во вставке кривой, когда прямая линия тянется вверх, так что ее наклон увеличивается, контраст этой части кривой и соответствующие тона изображения увеличиваются.В приведенном выше примере изображения тон в указанной точке стал намного светлее. Все тона на изображении ниже этой точки на кривой и соответствующие тона изображения растягиваются, и их контраст увеличивается.

Вот почему при работе с необработанными изображениями важно работать с высокой битовой глубиной. Из-за необходимости сильного растяжения и увеличения контрастности тона размываются. Если у нас много тонов, что позволяет высокая битовая глубина, они будут плавно перераспределяться.Если у нас мало тонов, с которыми можно работать, мы рискуем постеризацией и полосами при растяжении данных.

На более ярком изображении наклон верхней части кривой уменьшается в светлых областях изображения. Это сжимает тона и уменьшает контраст этих тонов изображения.

Тот факт, что мы можем получить доступ к этим данным в линейной форме с высокой битовой глубиной, делает изображения с цифровых зеркальных и ПЗС-камер такими мощными для записи астрофотографий.Это позволяет нам вычесть фон неба и световое загрязнение. Это дает нам возможность контролировать нелинейные корректировки растяжения данных. Эти корректировки позволят выявить детали астрономического объекта, которые скрыты глубоко внутри в том, что мы считаем теневыми областями обычной фотографии.



Практические инструкции по астрофотографии Джерри Лодригусс

Если вам понравилась информация, которую вы здесь прочитали, у меня есть несколько книг, которые могут вас заинтересовать.

Если вы думаете, что на этих веб-страницах много информации, просто подождите, пока вы не увидите, сколько еще информации в этих книгах!

Руководство для начинающих по астрофотографии DSLR

Эта книга на компакт-диске для начинающих астрофотографов объясняет, как делать красивые снимки с помощью цифровой однообъективной зеркальной (DSLR) камеры, используя простые пошаговые методы, которым может научиться каждый.

Вы увидите, как легко делать отличные снимки с очень скромным оборудованием и базовыми методами, доступными каждому.

Из этой книги вы узнаете, как делать потрясающие снимки ночного неба с помощью цифровой зеркальной камеры.

Начните заниматься астрофотографией DSLR уже сегодня!



Руководство для начинающих по обработке астрономических изображений

Эта книга, написанная на HTML5, доступна для скачивания в цифровом виде. Он предназначен для начинающих астрофотографов и подробно объясняет, как складывать изображения в DeepSkyStacker, а затем обрабатывать их в Photoshop.

Вы узнаете, как улучшить яркость, контраст и цвет изображений глубокого космоса для получения прекрасных результатов.

Книга также включает 25 видеоуроков по каждому этапу обработки изображений.

Начните работу с обработкой астрономических изображений уже сегодня!



Расширенное руководство по астрофотографии DSLR

Эта книга на компакт-диске предназначена для более продвинутых тепловизоров.В нем более подробно объясняется, как работают цифровые камеры, и даются пошаговые инструкции по более продвинутым методам обработки изображений.

Он также расскажет вам, как обрабатывать изображения в Photoshop, с пошаговыми инструкциями, которые приведут к прекрасным результатам.

CD-ROM также включает более 100 минут видеоуроков по обработке изображений.

Поднимите свою астрофотографию на новый уровень!



A Guide to DSLR Planetary Imaging

Эта книга на компакт-диске покажет вам, как делать снимки планет с помощью цифровой зеркальной камеры с функцией Live-View.В нем объясняются основы получения изображений планет с высоким разрешением и даются пошаговые инструкции по съемке захватывающих изображений Солнца и Луны, а также таких захватывающих планет, как Юпитер, Сатурн и Марс.

Он также расскажет вам, как обрабатывать ваши изображения в таких программах, как RegiStax и AutoStakkert !, с пошаговыми инструкциями, которые приведут к прекрасным результатам.

CD-ROM также включает более 100 минут видеоуроков по обработке изображений.

Начните снимать планеты с помощью цифровой зеркальной камеры уже сегодня!



Руководство астрофотографа по глубокому небу

Эта книга на компакт-диске поможет вам ответить на вопрос «что мне снимать сегодня вечером?»

Он предоставит вам подробную информацию и примеры множества красивых объектов глубокого неба, которые вы можете сфотографировать с помощью собственного оборудования.

Главный список объектов включает 500 лучших и самых фотогеничных галактик, туманностей, остатков сверхновых, звезд, звездных скоплений и созвездий. Этот список можно отсортировать по имени объекта, типу объекта, каталожному номеру, созвездию, прямому восхождению и фокусному расстоянию.

Изображения более 275 избранных объектов, видимых из северного полушария, отображаются на отдельных страницах с фотографической информацией и подробностями об этих объектах.

Карты созвездий всего неба можно щелкнуть по ссылкам на отдельные изображения созвездий.На них, в свою очередь, нанесены объекты, которые ссылаются на страницы объектов.

Калькулятор местного звездного времени подскажет, когда объекты находятся на меридиане, где они находятся наверху и лучше всего подходят для фотографирования.

Откройте для себя множество фантастических целей в глубоком небе!



Photoshop для киноастрофотографов

Эта книга в формате HTML представляет собой руководство по базовой цифровой коррекции и передовым методам улучшения пленочных астрофотографий в программе обработки изображений Adobe Photoshop.

Независимо от того, являетесь ли вы начинающим астрофотографом-любителем или опытным ветераном, вы освоите новые захватывающие техники.

Используйте Photoshop для создания визуально потрясающих изображений!


Эти книги помогут вам избежать плохих приемов, которые приводят к ухудшению качества изображения. Я делал практически все ошибки, которые вы могли допустить, когда только начинал и не знал, что делаю. Вам не нужно повторять те же ошибки.Вы тоже можете узнать секреты астрофотографии глубокого космоса!

Не тратьте зря свои долгие и упорные усилия на астрофотографию — узнайте, как тысячи других людей, таких же, как вы, добились отличных результатов, используя эти книги.

Вы тоже можете это сделать! Чего ты ждешь?

Как работает цифровая камера? [Объяснение технологии]

Цифровая камера — еще один отличный пример технологии, которую мы принимаем как должное.Поскольку у нас так долго были пленочные камеры, идея захвата изображения больше не кажется нам чем-то удивительным. Итак, с естественным развитием технологий, делающих фотосъемку все более и более мгновенной, все мы, казалось, просто думали: «Конечно, мы можем делать цифровые фотографии», не задаваясь вопросом, как это работает.

Кроме меня.Я должен знать, как все работает. Для этого нет веской причины. Иногда мне нужно прочитать кучу технического жаргона, задать много вопросов, а затем связать информацию с чем-то еще, что я понимаю, прежде чем я смогу по-настоящему понять, что происходит. Это делает меня медленным, но упорным учеником. И действительно обидно, когда Jeopardy! горит.

В основе цифровой камеры лежит датчик освещенности и программа.Датчик освещенности чаще всего представляет собой устройство C harge C или устройство D ( CCD ), а программа представляет собой микропрограмму, которая встроена прямо в печатную плату камеры. Вроде как программы, которые помогают заставить работать вашу микроволновую печь или iPod.

Сначала я сосредоточусь на ПЗС-матрице.Да, есть еще один тип светового датчика, который можно использовать, и это дополнительный тип C M etal O xide S emiconductor ( CMOS ). Механика того, как они делают то, что они делают, различается, но принципы те же.

Думайте о ПЗС-матрице как о сетке из миллионов маленьких квадратов, каждый из которых похож на солнечную батарею.Вы знаете, что солнечная батарея берет энергию света и преобразует ее в электрическую, верно? И вы, наверное, подумали, что чем больше света, тем больше энергии он производит, и наоборот, верно? Итак, вы можете видеть, к чему мы идем со всей этой штукой с CCD.

Каждый из этих маленьких квадратов на ПЗС-матрице принимает световую энергию и преобразует ее в электрическую.Каждое состояние света — например, яркость и интенсивность — генерирует очень специфический электрический заряд. Эти заряды для каждого маленького квадрата затем транспортируются через массив электроники туда, где они могут быть интерпретированы прошивкой. Прошивка знает, что означает каждый конкретный заряд, и преобразует это в информацию, которая включает в себя цвет и другие качества света, который улавливает ПЗС-матрица.

Этот процесс выполняется для каждого квадрата в сетке ПЗС-матрицы — теперь вы можете увидеть чудо, которое оно действительно есть! Теперь изобразите (задумано каламбуром) миллион маленьких квадратов, каждый из которых отличается, как если бы они были кусочками головоломки.Прошивка соединяет эти кусочки головоломки, чтобы сформировать изображение, распознаваемое человеческим глазом.

Процесс их сборки очень похож на то, что происходит с вашим телевизором или монитором.Он делает это с помощью пикселей. Каждый пиксель состоит из трех основных цветов — красного, зеленого и синего. Изменяя интенсивность каждого цвета в пикселе, можно получить действительно удивительное разнообразие цветов. Это известно как фильтр Байера.

Подойдите ближе к монитору — до такой степени, чтобы вы могли видеть пиксели по отдельности.Не волнуйтесь, вся эта история о том, чтобы ослепнуть из-за того, что вы сидели слишком близко к телевизору, — это сказки старых жен. За исключением моих детей. Возможно, вам понадобится увеличительное стекло. Аккуратно, а? Вы видели, что зеленых пикселей было больше, чем красных или синих? Это потому, что кто-то понял, что глаз не так чувствителен к зеленому, как к красному или синему.

Я отвлекся.Следующим шагом прошивки является запись увиденной информации в цифровой код. Этот код можно использовать для точного воспроизведения изображения снова и снова. Назовите это рецептом того конкретного момента времени, который вы запечатлели. Теперь этот код можно передать на экран просмотра камеры, на монитор или принтер для воспроизведения.

И теперь вы знаете, как все это работает.Надеюсь, раскрытие тайны не испортило вам впечатлений. Надеюсь, вам понравился этот общий обзор того, как эти вещи работают.

Вы энтузиаст цифровой фотографии? Эта статья помогла вам лучше понять процесс? Делитесь с нами своими вопросами в комментариях, и я постараюсь на них ответить.

Фото: ralphbijker

6 облачных сервисов, которые позволяют создавать резервные копии фотографий iPhone

Вот как защитить все фотографии на вашем iPhone с помощью Dropbox, OneDrive и других облачных сервисов.

Об авторе Гай Макдауэлл (Опубликовано 147 статей)

Обладая более чем 20-летним опытом работы в сфере информационных технологий, обучения и технических профессий, я хочу поделиться тем, что я узнал, со всеми, кто хочет учиться.Я стремлюсь делать свою работу как можно лучше, наилучшим образом и с небольшим количеством юмора.

Больше От Гая Макдауэлла
Подпишитесь на нашу рассылку новостей

Подпишитесь на нашу рассылку, чтобы получать технические советы, обзоры, бесплатные электронные книги и эксклюзивные предложения!

Еще один шаг…!

Подтвердите свой адрес электронной почты в только что отправленном вам электронном письме.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.