Основной элемент любой цифровой фото- или видеокамеры — матрица, от которой в наибольшей степени зависит качество получаемого изображения.
Объектив цифровой камеры не претерпел кардинальных изменений по сравнению с объективами обычных фотокамер. Из-за меньших размеров сенсора, объективы цифровых камер (за исключением зеркальных камер, использующих те же объективы) имеют меньшие геометрические размеры.
Благодаря уменьшению относительно 35-мм плёнки размера матрицы, в любительских камерах стало возможным использование оптических схем, ранее присущих только дорогим аппаратам.
Цифровые камеры оснащены электронным эквивалентом затвора, который встроен в матрицу и выполняет работу, аналогичную механическому. В более дорогих камерах вмонтированы два затвора, и механический служит для предотвращения попадания на сенсор света после окончания времени выдержки, что позволяет избежать появления артефактов ореола, частично блюминга и смазывания.
В некоторых цифровых фотоаппаратах при нажатии клавиши затвора наполовину происходит срабатывание систем автоматики. Автофокус и система определения экспозиции фиксируют параметры съёмки и ждут полного нажатия. При полном нажатии клавиши спусковой кнопки:
Видоискатель — элемент фотоаппарата, показывающий границы будущего снимка и в некоторых случаях резкость и параметры съёмки. На бытовых цифровых фотоаппаратах в качестве видоискателя используются ЖК экраны (на зеркалках в режиме LiveView и на «мыльницах») и различные виды оптических видоискателей.
Процессоры в цифровых фотоаппаратах выполняют следующие функции:
Флэш карты.
Карта памяти — носитель информации, который обеспечивает длительное хранение данных большого объёма, в том числе изображений, получаемых цифровым фотоаппаратом.
Внешний интерфейс подключения к компьютеру общего назначения имеется практически во всех цифровых камерах. На сегодня (2008) самым распространённым из них является USB. Также применяются специальные виды разъёмов для подключения к телевизору или принтеру. Появились первые модели фотокамер с беспроводными интерфейсами.
До нажатия клавиши затвора в зеркальных фотоаппаратах между объективом и матрицей расположено зеркало, отражаясь от которого, свет попадает в видоискатель. В незеркальных фотоаппаратах и зеркальных фотоаппаратах в режиме Live View свет из объектива падает на матрицу, при этом на ЖК экран выводится изображение, сформированное на матрице. В некоторых фотоаппаратах при этом может происходить автоматическая фокусировка.
При неполном нажатии клавиши затвора (если такой режим предусмотрен) происходит выбор всех автоматически выбираемых параметров съёмки (фокусировка, определение экспопары, чувствительности фотоматериала (ISO) и т. д.).
При полном нажатии происходит съёмка кадра, и считывание информации с матрицы во встроенную память фотоаппарата (буфер). Далее производится обработка полученных данных процессором с учётом установленных параметров коррекции экспозиции, ISO, баланса белого и др., после чего данные сжимаются в формат JPEG и сохраняются на флэш-карту. При съёмке в формат RAW данные сохраняются на флэш-карту без обработки процессором (возможна коррекция битых пикселей и сжатие алгоритмом без потерь). Так как запись на флэш-карту изображения занимает достаточно большое количество времени, многие фотоаппараты позволяют снимать следующий кадр до окончания записи предыдущего на флэш-карту, если в буфере есть свободное место.
Стабилизация изображения — это технология, применяемая в фото- и видеосъёмочной технике, механически компенсирующая собственные угловые движения камеры для предотвращения смазывания изображения при больших выдержках («шевелёнки»).
Система стабилизации не рассчитана на компенсацию движения объекта съёмки и, по сути дела, служит заменой штативу в некотором диапазоне условий съёмки.
Возможности систем стабилизации изображения ограничены. По самым оптимистическим данным, выигрыш в величине допустимой выдержки составляет 8-16 раз (3-4 ступени экспозиции).[источник не указан 103 дня]
Тем не менее, в целом ряде случаев автоматическая стабилизация бывает крайне полезна, позволяя увеличить выдержку на эти самые 3-4 ступени и спокойно снимать с рук в таких условиях освещения и на таких фокусных расстояниях объектива, когда без стабилизатора понадобился бы фотоштатив. Кроме того, иногда стабилизация позволяет избежать «принудительного» увеличения чувствительности матрицы, приводящего к росту уровня шумов.
Цифровая стабилизация изображения — технология обработки изображения в видеосъёмочной аппаратуре, позволяющая (помимо компенсации движения камеры) полностью или частично компенсировать движение одного из объектов в кадре и улучшить качество изображения благодаря меньшей смазанности сюжетно важных деталей.
Стабилизатор изображения - общее наименование всех частей камеры, осуществляющих стабилизацию изображения.
Стабилизаторы изображения бывают оптическими, с подвижной матрицей и электронными (цифровыми).
В фотоаппарат встроены специальные сенсоры, работающие по принципу гироскопов или акселерометров. Эти сенсоры постоянно определяют углы поворота и скорости перемещения фотоаппарата в пространстве и выдают команды электрическим приводам, которые отклоняют стабилизирующий элемент объектива или матрицу. При электронной (цифровой) стабилизации изображения углы и скорости перемещения фотоаппарата пересчитываются процессором, который устраняет сдвиг.
В 1994 году фирмой Canon была представлена технология, получившая название OIS (англ. Optical Image Stabilizer — оптический стабилизатор изображения). Стабилизирующий элемент объектива, подвижный по вертикальной и горизонтальной осям, по команде с сенсоров отклоняется электрическим приводом системы стабилизации так, чтобы проекция изображения на плёнке (или матрице) полностью компенсировала колебания фотоаппарата за время экспозиции. В результате при малых амплитудах колебаний фотоаппарата проекция всегда остаётся неподвижной относительно матрицы, что и обеспечивает картинке необходимую чёткость. Однако наличие дополнительного оптического элемента снижает светосилу объектива.
Технология оптической стабилизации была подхвачена другими производителями и хорошо зарекомендовала себя в целом ряде телеобъективов и камер (Canon, Nikon, Panasonic). Разные производители называют свою реализацию оптической стабилизации по-разному:
Для плёночных фотоаппаратов OIS — единственная технология борьбы с «шевелёнкой».
Специально для цифровых фотоаппаратов компания Konica Minolta разработала технологию стабилизации (англ. Anti-Shake — антитолчок), впервые применённую в 2003 году в фотокамере Dimage A1. В этой системе движение фотоаппарата компенсирует не оптический элемент внутри объектива, а его матрица, закреплённая на подвижной платформе.
Объективы становятся дешевле, проще и надёжнее, стабилизация изображения работает с любой оптикой. Это важно для зеркальных фотоаппаратов, имеющих сменную оптику. Стабилизация со сдвигом матрицы, в отличие от оптической, не вносит искажений в картинку (быть может кроме вызванных неравномерной резкостью объектива) и не влияет на светосилу объектива. В то же время считается, что стабилизация сдвигом матрицы менее эффективна, нежели оптическая стабилизация.
С увеличением фокусного расстояния объектива эффективность Anti-Shake снижается: на длинных фокусах матрице приходится совершать слишком быстрые перемещения со слишком большой амплитудой, и она просто перестаёт успевать за «ускользающей» проекцией.
Кроме того, для высокой точности работы система должна знать точное значение фокусного расстояния объектива, что ограничивает применение старых трансфокаторов, и расстояния фокусировки при малой дистанции, что ограничивает её работу при макросъёмке.
Существует и EIS (англ. Electronic (Digital) Image Stabilizer — электронная (цифровая) стабилизация изображения). При этом виде стабилизации примерно 40 % пикселей на матрице отводится на стабилизацию изображения и не участвует в формировании картинки. При дрожании видеокамеры картинка «плавает» по матрице, а процессор фиксирует эти колебания и вносит коррекцию, используя резервные пиксели для компенсации дрожания картинки. Эта система стабилизации широко применяется в цифровых видеокамерах, где матрицы маленькие (0,8Мп, 1,3Мп и др.). Имеет более низкое качество, чем прочие типы стабилизации, зато принципиально дешевле, так как не содержит дополнительных механических элементов.
Существует три типичных режима работы системы стабилизации изображения: однократный или кадровый (англ. Shoot only — только при съёмке), непрерывный (англ. Continuous — непрерывно) и режим панорамирования (англ. Panning — панорамирование).
В однократном режиме система стабилизации активируется только на время экспозиции, что, теоретически, наиболее эффективно, так как требует наименьших корректирующих перемещений.
В непрерывном режиме система стабилизации работает постоянно, что облегчает фокусировку в сложных условиях. Однако эффективность работы системы стабилизации при этом может оказаться несколько ниже, поскольку в момент экспозиции корректирующий элемент может оказаться уже смещённым, что снижает его диапазон корректировки. Кроме того, в непрерывном режиме система потребляет больше электроэнергии, что приводит к более быстрому разряду аккумулятора.
В режиме панорамирования система стабилизации компенсирует только вертикальные колебания.
Фильтр Байера. Шаблон Байера — двумерный массив цветных фильтров, которыми накрыты фотодиоды матриц (фото), и состоящий из 25 % красных элементов, 25 % синих и 50 % зелёных элементов, расположенных как показано на рисунке.
Назван в честь его создателя, доктора Брайса Э. Байера (англ. Bryce Bayer), сотрудника компании Kodak.
Используется для получения цветного изображения в матрицах цифровых фотоаппаратов, видеокамер и сканеров.
Для отличия от других разновидностей его называют GRGB, RGBG, или (если надо подчеркнуть диагональное расположение красного и синего пикселов) RGGB.
Исторически самый первый из массивов цветных фильтров.
Массив цветных фильтров Байера
Принцип действия элементов массива Байера
Матрица является устройством, воспринимающим спроецированное на него изображение. Поскольку полупроводниковые фотоприёмники примерно одинаково чувствительны ко всем цветам видимого спектра, для воспринятия цветного изображения каждый фотоприемник накрывается светофильтром одного из первичных цветов: красного, зелёного, синего (цветовая модель RGB).
Вследствие использования фильтров каждый фотоприемник воспринимает лишь 1/3 цветовой информации участка изображения, а 2/3 отсекается фильтром. Для получения остальных цветовых компонент используются значения из соседних ячеек. Недостающие компоненты цвета рассчитываются процессором камеры на основании данных из соседних ячеек в результате интерполяции (по алгоритму demosaicing) Таким образом, в формировании конечного значения цветного пиксела участвует 9 или более фотодиодов матрицы.
В классическом фильтре Байера применяются светофильтры трёх основных цветов в следующем порядке:
G |
R |
B |
G |
При этом фотодиодов зелёного цвета в каждой ячейке в два раза больше, чем фотодиодов других цветов, в результате разрешающая способность такой структуры максимальна в зелёной области спектра, что соответствует особенностям человеческого зрения.
Экспози?ция (в фотографии) — произведение освещенности светочувствительной матрицы (фотоплёнки) на время освещения. Выражается в лк?с (люксах на секунды).
Фотография с выдержкой в 25 секунд
Экспозиция должна быть такой величины, чтобы позволить фотоматериалу с заданной чувствительностью получить количество света, нужное для сохранения изображения – это техническая характеристика каждой светочувствительной матрицы (фотоплёнки). Чем больше светочувствительность (ISO 50/100/200/400/800/1600/3200) матрицы (фотоплёнки), тем меньшая требуется экспозиция. Экспопара (выдержка и диафрагма) – технический синоним термина экспозиция. В некоторых современных видах оборудования (например, SIMD-матрицы, камеры светового поля (англ. Light Field) и Foveon X3) представление об экспозиции (а также о выдержке и диафрагме) можно относить не только к фотоматериалу или устройству в целом, но и к отдельным его элементам и сочетаниям элементов.
Наводка объективов на резкость может осуществляться двумя способами;
А. Перемещением объектива по отношению к светочувствительному материалу, для чего предусматривается специальная конструкция тубуса.
Б. Изменением фокусного расстояния неподвижного жестковстроенного объектива, т. е. изменением расстояния между отдельными элементами объектива (так называемая фронтальная наводка).
Фронтальная наводка на резкость используется в дешевых фотоаппаратах. Она дает менее качественное изображение, так как не все положения звеньев объектива бывают скорректированы в совершенстве. Фотоаппараты с такими объективами обычно не приспособлены ни для применения сменной оптики (за редкими исключениями), ни для автоматической наводки с помощью дальномеров.
Наводим на резкость и проверяем правильность наводки:
а) прикидывая расстояние на глаз;
б) контролируя изображение по матовому стеклу;
в) используя дальномеры.
прикидывая расстояние на глаз, нетрудно ошибиться. Ощутимая неточность получается тогда, когда вы снимаете при плохих условиях освещения, т. е. при полностью открытом объективе, либо используя объектив с большим фокусным расстоянием. Очень может случиться, что главный объект съемки окажется нерезким. При применении нормального объектива и при таком диафрагмировании его, какое позволяет высокая чувствительность современных пленок, глубина резкости (значительная уже и при средних диафрагмах) позволяет перейти к так называемой двухточечной (от 2 до 5 м, от 5 мдо со) или трехточечной (от 1 до 2 м, от 2 до 6 м9 от 5 мдо сс ) наводке (см.: «Быстрая наводка — объективы»). Это самый простой, оперативный и незаметный способ наводки на резкость.
Некоторые дешевые фотоаппараты (главным образом с более коротким фокусным расстоянием) имеют встроенный объектив (в большинстве случаев значительно задиафраг-мированный). Называют его фнксфокусом. Он дает резкое изображение от 3 мдо ас .
Самая точная наводка на резкость — с помощью матового стекла, поскольку здесь непосредственно можно следить за резкостью, даваемой объективом. Поэтому в последнее время этот способ начинает применяться все чаще и чаще. Все больше фотоаппаратов переходит на принцип однообъективного зеркального фотоаппарата. Недостатком, однако, является то, что наводка на резкость объективов с меньшей светосилой или наводка при плохих условиях освещения (например, в интерьерах) может иметь неприятные последствия. Для получения большой и равномерной яркости изображения на матовом стекле применяются линзы Френеля (коллективные плоско-выпуклые линзы).
Конструкции дальномеров основаны на тех же самых принципах, с помощью которых оценивают расстояние наши глаза. Когда вы смотрите в окно дальномера, то, с одной стороны, видите действительность непосредственно через окно, а с другой — видите отражение ее от призмы или зеркала второго окна, удаленного от сквозного на несколько сантиметров. Следовательно, вы видите объект съемки из двух точек сразу. В зависимости от удаленности объекта оба изображения необходимо совместить поворотом зеркал или призм так, чтобы контуры обоих изображений совпали. В зависимости от поворота вы сможете потом определить удаленность предметов.
У большинства современных фотоаппаратов фиксирование расстояния дальномером непосредственно соединено с наводкой на резкость объектива. У таких фотоаппаратов дальномер спаренный. Они позволяют относительно быстро и точно работать, и ими бывают снабжены прежде всего фотоаппараты, предназначенные для съемки живых перемещающихся предметов (репортаж, спорт).
Некоторые дальномеры обладают тем недостатком, что они бывают размещены в особом наблюдательном окне рядом с видоискателем, что тормозит работу. В тех же случаях, когда он встроен в видоискатель, он нарушает плоскость изображения и затрудняет таким образом решение и построение снимков. Особенно затруднена точная наводка на резкость людям с плохим зрением. Это затруднение можно устранить, закрывая окно дальномера цветной прозрачной фольгой (синим или красным целлофаном). Составные изображения отличаются по цвету, и ими проще управлять.
Следующим недостатком является то обстоятельство, что бывает трудно спаривать дальномер с другими сменными объективами, тем более что для объективов с длинными фокусными расстояниями дальномер должен работать особенно точно.
При плохих условиях освещения наводка на резкость также затруднительна. Поэтому у некоторых больших фотоаппаратов (напри-мер. у Фотоаппарата марки oSpeed Graphic*) можно настроить дальномер следующим способом. С помощью электрических лампочек дальномер отбрасывает два узких луча света. Если они соединятся на объекте съемки, то объектив наведен. Этот способ, очень громоздкий, увеличивает вес фотоаппарата и усложняет его.
За последнее время появляются аппараты с автоматической наводкой на резкость. Но если и можно будет добиться подобного решения, то все равно такой фотоаппарат будет сложным (а значит, уменьшится его надежность), дорогим и тяжелым.
Бала?нс бе?лого цве?та (также кратко называемый баланс белого) — один из параметров метода передачи цветного изображения, определяющий соответствие цветовой гаммы изображения объекта цветовой гамме объекта съёмки.
Обычно употребляется как изменяемая характеристика фотографического процесса, фотоматериала, систем цветной печати и копирования, телевизионных систем и устройств воспроизведения графической информации (например, мониторов).
Баланс белого, Коррекция баланса белого, настройка белой точки или Цветокоррекция — технология коррекции цвета изображения объекта до такой гаммы, в которой человек видит объект.
Установка баланса белого в современном (2005—2008 год) аппарате может осуществляться следующими способами:
Поскольку ПЗС-элементы регистрируют яркость точек создаваемого объективом изображения, но никак не их цвет, используется цветовой синтез - процедура получения цветного снимка посредством обработки данных о каждом из основных цветов кадра.
Основные цвета - цвета оптических излучений или красителей, используемые для создания цветных изображений. Различают основные цвета аддитивного и субтрак-тивного синтеза, то есть со сложением и вычитанием цветов.
Основные цвета аддитивного синтеза - цвета излучений. В трехцветном (RGB) аддитивном синтезе используются синий (blue - В), зеленый (green - G) и красный (red - R). Такие основные цвета являются линейно независимыми, так как ни один из них не может быть получен оптическим смешением излучений двух других. Оптическим смешением синтезируют множество цветов, различающихся по цветовому тону, насыщенности и светлоте.
В субтрактивтом синтезе используются цвета красителей. В качестве основных фигурируют желтый (yellow - Y), пурпурный (magenta - М) и циановый (cyan - С), то есть зелено-голубой. Основной цвет субтрактивного синтеза называется дополнительным к основному цвету аддитивного синтеза, если красителем первого практически полностью поглощается излучение второго. Например, желтый цвет является дополнительным к синему, пурпурный - к зеленому, циановый - к красному.
Аддитивный синтез является «родным» для компьютерных устройств, в первую очередь для монитора. В нем изображение создается тремя лучами (RGB). А вот принтеры пользуются субтрактивным синтезом, причем в дополнение к CMY-цветам используется также черный, обозначаемый литерой К -black. Добавление черного цвета вызвано тем, что избыток основных красителей, смешение которых должно передать темные тона, может привести к разбуханию бумаги.
Следует помнить, что диапазон цветов, отображаемых с помощью цветовой модели CMY, меньше, чем множество цветов, генерируемых RGB-синтезом. Тем не менее обе модели используются при формировании светофильтров для ПЗС-мафиц. Такие светофильтры, располагаясь над светочувствительной областью каждого элемента сенсора, образуют своеобразную «мозаику» из пикселов. Поэтому, помимо терминов «чередование элементов» и «интерполяция цвета», часто используется определение «схема с мозаичным светофильтром».
Рассмотрим, как формируется изображение с использованием так называемой байеровской схемы размещения элементов. В ней используется опорная группа из четырех элементов в форме квадрата, в которой светофильтры чередуются следующим образом -
верхний ряд R-G, нижний ряд G-B. Однако последовательность эта чаще обозначается R-G-B-G (красный-зеленый-синий-зеленый), а использующая ее схема называется аддитивной байеровской.
«Лишние» зеленые элементы служат для более точной передачи яркости и контрастности изображения, что объясняется двумя обстоятельствами: во-первых, восприимчивостью человеческого зрения именно к этому цвету, а во-вторых, тем, что спектральная чувствительность ПЗС-матриц максимальна как раз в «зеленой» области спектра.
В результате получаются три «мозаики» - по одной для каждого из цветовых каналов. Сложив их вместе, получим четвертую «мозаику», в которой половина точек будет зеленой, четверть синей, а четверть - красной.
Чтобы ликвидировать «эффект мозаики», необходимо восстановить истинный цвет во всех точках изображения. Для этого используется алгоритм интерполяции цвета, основная суть которого сводится к следующему. Там, где установлен пиксел с зеленым светофильтром, мы точно знаем только о яркости зеленого цвета. Но среди соседних точек есть пара синего и пара красного цветов, поэтому можно определить среднее значение каждого из этих цветов, которые будут соответствовать нашему пикселу. Сложив их с уже известной зеленой составляющей, получим значение исходного цвета в данной точке.
Регулярная структура размещения элементов в некоторых случаях приводит к появлению муара. Возможность появления данного искажения зависит от сложности алгоритма, ответственного за расчет цвета. Если при расчете каждого пиксела используется сплайн-интерполяция с учетом элементов, расположенных на расстоянии 10 и более точек, вероятность возникновения муара очень мала. В идеале для расчета каждой точки желательно использовать информацию обо всех элементах матрицы данного цвета. Разумеется, для таких интенсивных расчетов требуются высокопроизводительные микропроцессоры и сверхбольшие объемы ОЗУ.
Помимо нехватки данных о цвете, дополнительная сложность при восстановлении полноцветного изображения вызвана тем, что спектральная чувствительность матрицы отнюдь не равномерна. Поскольку «синий» и «красный» диапазоны попадают на области спада спектральной чувствительности, наиболее часто ошибки связаны с пикселами, оснащенными светофильтрами как раз этих цветов. Именно поэтому в «шуме» фиксированного распределения встречаются в основном синие и красные точки.