WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 12 |
МИНИСТЕРСТВО КУЛЬТУРЫ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 2 0 1 0 Трубникова Т.А., Гудинов К.К., Двуреченский С.А., Федеральное государственное образовательное учреждение Гусев В.П. Цифровая фотоаппаратура: Учебное высшего профессионального образования пособие. – СПб.: Изд. СПбГУКиТ, 2010. - 158 с.

«САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ КИНО И ТЕЛЕВИДЕНИЯ» Рецензент: профессор Нестерова Е.И.

Кафедра киновидеоаппаратуры Т.А.ТРУБНИКОВА, К.К. ГУДИНОВ, С.А. ДВУРЕЧЕНСКИЙ, В.П. ГУСЕВ Рекомендовано к изданию в качестве учебного пособия кафедрой киновидеоаппаратуры.

Протокол № 3 от 6.12.10 ЦИФРОВАЯ ФОТОАППАРАТУРА Учебное пособие для студентов дневного, вечернего и заочного отделений специальности 200101 «Приборостроение» и направления 200100 «Приборостроение» © Санкт-Петербургский государственный Санкт-Петербург университет кино и телевидения, 2010.

1. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ЦИФРОВОГО ФОТОАППАРАТА Введение 1.1 Структурная схема цифрового фотоаппарата В настоящее время все большее применение находят способы получения изображения, основанные на переводе опПоскольку назначение цифрового фотоаппарата (ФА) тического сигнала изображения в электрический сигнал с поне отличается от обычного, то и его внешний вид, и ряд устследующей его обработкой, возможностью хранения, преобройств аналогичны обычному фотоаппарату (см. рис. 1.1.).

разования, вывода на телевизионный экран или на монитор компьютера, а также – воспроизведения с помощью современных принтерных устройств.

Настоящее учебное пособие предназначено для изучения курса «Цифровая фотоаппаратура» студентами всех форм обучения специальности 200101 «Приборостроение», а также направления (бакалавриат) 200100 «Приборостроение».

Курс «Цифровая фотоаппаратура» изучается на кафедре киновидеоаппаратуры студентами 5-го курса (9 семестр) очного отделения и 6-го курса заочного отделения.

Рис. 1.1 Структурная схема цифрового фотоаппарата Необходимо отметить, что электронный фотоаппарат служит специальная «звуковая» карта. В этом случае фотоапможет осуществлять запись и аналогового сигнала, а цифро- парат снабжается также микрофоном и преобразователем звувая форма записи появилась для взаимодействия с компьюте- кового сигнала. Таким образом, ЦФА становится «короткорами (с целью программной обработки изображения). метражной» видеокамерой.

Объектив 1 фокусирует изображение в плоскости фо- Цифровые фотоаппараты могут иметь телевизионный то-преобразователя 4 (назначение затвора и диафрагмы ана- выход в основных стандартах (PAL,SEKAM). В этом случае логично традиционному фотоаппарату). В фото- изображение можно просматривать на экране телевизора, запреобразователе 4 сигнал изображения преобразуется в элек- писывать на видеомагнитофон и воспроизводить в аналоготрический сигнал, пропорциональный по величине в каждой вом виде.

данной точке сигналу изображения. В качестве фото- преобразователя в современных цифровых фотоаппаратов 1.2. Устройство и принцип работы ПЗС - элементов используются ПЗС - линейки, ПЗС - матрицы, а также – КМОП-структуры, о которых будет рассказано ниже. ПЗС - элементы – это приборы с зарядовой связью Для преобразования аналогового сигнала, снимаемого с (CCD-charje-coupled-device).

фото-преобразователя, в цифровую форму, служит аналого- Принцип действия ПЗС основан на свойствах соединецифровой преобразователь (АЦП) 5, с которого оцифрован- ния МОП (металл – окисел – полупроводник),в котором при ный сигнал поступает в блок 6, необходимый для достижения энергетическом воздействии (как электрическом, так и светосовместимости полученного сигнала с компьютером, и далее вом) образуются заряды, пропорциональные количеству энер– на носитель записи 7. гии (см. рис 1.2). При воздействии световой энергии в таком В качестве носителей записи в современных цифровых соединении образуются так называемые «не основные» носифотоаппаратах служат карты ФЛЭШ-памяти (флэш-карты), а тели заряда – «дырки», которые при помощи управляющего также гибкие и жесткие магнитные диски. Питание электро- напряжения выводятся из ПЗС – элементов и подвергаются механических элементов осуществляется в блоке 10. дальнейшей обработке (рис.1.2.).

В некоторых фотоаппаратах предусмотрены видео- На подложку из полупроводника - кремния (Si) или контрольные устройства, которые могут выполнять роль германия (Ge) наносится тонкий слой диэлектрика (окиси обычного визира, либо служат для просмотра отснятой ин- кремния, окиси германия и т. д..), и сверху – тонкие ячейки из формации. В качестве таких устройств используются жидко- металла – электроды. Они, как правило, изготавливаются из кристальные дисплеи (ЖКД), однако в ряде цифровых фото- алюминия или поликремния. По вертикали сочетание этих аппаратов оптические визирные устройства также предусмот- материалов представляет собой микроконденсаторы, а по – рены. горизонтали – набор таких микроконденсаторов. Толщина Более сложно устройство для получения цветных изо- каждого слоя не превышает 0,1 – 0,6 мкм (а в настоящее вребражений, но об этих особенностях будет рассказано позже. мя эти размеры становятся все меньше).

В некоторых цифровых аппаратах имеется возмож- Если к электроду 1 (см. рис.1.2.) приложить отрицаность одновременной записи звуковых сигналов, для чего тельное напряжение U1, электроны в подложке (не основные носители заряда) уйдут от поверхности в глубину n- полупро- \U3\,<\U2\,под ним образуется потенциальная яма, более глуводника, и в области электрода 2 на границе раздела «полу- бокая, чем под электродом 2, и заряды из-под электрода проводник – диэлектрик» образуется область, обедненная «перетекут» под электрод 3. Если в этот момент с электрода электронами, то есть, потенциальная яма для не основных но- снять напряжение, все «дырки» под электродом 3.Далее – посителей заряда – «дырок». вышая отрицательное напряжение под электродом 4,5 и т.д.



можно переносить заряды в пределах линейки ПЗС и таким образом считывать значения тока, в каждый данный момент образуемого цепи.

Таким образом, линейка ПЗС позволяет распределение освещенности в строке изображения объекта превращать в зарядовые пакеты носителей, хранить зарядовую информацию и преобразовывать ее в видеосигнал при последовательной смене потенциалов( на так называемых «ламелях»).за счет формирования сдвигового регистра ПЗС.

Наибольшее распространение получили перемещающие заряд регистры (рис 1.3.), образованные тремя электродами, соединенными токопроводящими шинами и образующими трехфазную электродную систему, так как они контролируют направление перемещение заряда всего тремя значениями величины напряжения.

Когда под ламелью 2 накопятся заряды, высокий потенциал с нее снимается и переносится на ламель 3, т.е. \U3\ Рис. 1.2 Принцип работы ПЗС - элементов >\U1\,которое не равно \U2\. Заряды перетекут в потенциальную яму под ламелью 3 одновременно во всех элементах При освещении этой области определенной величиной сдвигового регистра. Налево они не потекут, так как светового потока в электроде образуются свободные электро\U1<\U2\,(см.рис. 1.3.).

ны, вызванные воздействием лучистой энергии, а их количеПо ширине линейки делают «стоп - каналы» диэлекство пропорционально величине светового потока. Начинает трического типа, не позволяющие зарядам растекаться в стоработать «ячейка – конденсатор» МОП: все «дырки» в пороны.

тенциальной яме притягиваются к границе диэлектрика, приДлина одного электрода составляет 20 мкм (а в начем количество притянутых «дырок» также пропорционально стоящее время – и меньше).Таким образом, размер одного величине светового потока. Таким образом, под каждым микпикселя (элементарной площадки изображения) определяется роконденсаторм образуется так называемый «пакет зарядов».

тремя ламелями по длине линейки (6+6+6+2=20мкм) и 20 мкм Теперь, если приложить к электроду 3 напряжение по ширине.(Как уже было сказано, постепенно эти размеры сокращаются). В современных фотоаппаратах, использующих Однако за время накопления зарядов в потенциальных линейки ПЗС, сканирующих изображение в направлении, ямах под действием освещенности накапливаются также терперпендикулярном ширине кадра, файл получаемого снимка могенерированные носители заряда, которые составляют паможет достигать 300 Мбайт (т.е. количество элементов в кад- разитную добавку к информационному заряду, что приводит к ре составит до 80 млн. пикселей). появлению «темнового» тока при считывании сигнала, аналогично явлению возникновения вуали в светочувствительных материалах. Этот недостаток можно уменьшить, перекрывая экраном (затвором) световой поток на момент считывания информации или разделяя процессы накопления и считывания зарядов в различных линейках (см. рис. 1.4.).

Рис. 1.4 Устройство перекрытия ПЗС – линеек для уменьшения темнового тока Из нескольких линеек ПЗС изготавливают двумерные матрицы ПЗС, в которых каждый светочувствительный регистр соединен с элементом сдвигового регистра, выводящего зарядовые пакеты из матрицы. Выходной сдвиговый регистр не должен быть светочувствительным, так как он выполняет только функцию переноса зарядов, то есть – формирования видеосигнала.

Рис. 1.3 Вывод зарядов с ПЗС - линейки В настоящее время находят применение ПЗС - матри- габаритов, КМОП-структуры обладают также пониженной цы с построчным, покадровым и построчно-кадровым пере- энергоемкостью. Однако на данное время эти элементы еще носом зарядов (см. рис. 1.5.), причем построчно-кадровый не лишены ряда недостатков: несмотря на повышенное коливариант переноса считается оптимальным. чество пикселей в подобных матрицах, а следовательно и увеличенной разрешающей способности, они требуют повышенной освещенности по сравнению с обычными матрицами, так как фотоячейки перекрываются дополнительными электросхемами. Это требует при использовании таких структур более длительных значений выдержек в процессе съемки.

1.3. Регистрация цветного изображения в ЦФА Получение цветного изображения в электронной (цифровой) происходит почти также, как и в видеокамерах. Необходимо наличие цветоделительных устройств для создания и фиксации трех основных цветов R, G и B различной интенсивности.

Известны фотоаппараты с несколькими способами получения цветного изображения:

1)При помощи одной линейки ПЗС;

2)При помощи одной ПЗС- матрицы с трехкратным экспонированием изображения;

3).При помощи одной ПЗС - матрицы с однократным экспонированием изображения;

Рис. 1.5 ПЗС - матрица 4) При помощи трех ПЗС- матриц с однократным экспонированием с однократным экспонированием изображения.

В последнее время разработан новый тип фотоВ зависимости от способа получения цветного изобраматрицы: так называемая КМОП – матрица (комплиментаржения и цифровые фотоаппараты подразделяются на сленый металл – окисел – полупроводник). КМОП -матрица – это дующие типы:

микросхема, содержащая как сами ячейки ПЗС, так и цепи Фотоаппараты с задней разверткой;

считывания сигнала, аналого-цифрового преобразователя и Трех-кадровые фотоаппараты;

первичной обработки изображения. Помимо уменьшенных Однокадровые фотоаппараты с одной матрицей;

Такие фотоаппараты обладают высокой разрешающей Однокадровые фотоаппараты с тремя матрицами.





способностью, но для экспонирования им требуется очень На рис. 1.6. показан принцип действия фотоаппарата с большое время выдержки. Поэтому они используются только задней разверткой. Сканирующая головка содержит три ПЗС - для съемки неподвижных объектов, причем затвор должен линейки, перекрытые синим, зеленым и красным фильтрами, быть открыт в течение всего экспонирования. Нетрудно витак что каждая линейка считывает свой цвет, а другой – не деть, что в процессе съемки возможно использование только пропускают фильтры. Головка перемещается с небольшим постоянного освещения объекта, и нельзя применять фотошагом вдоль фокальной плоскости объектива, регистрируя за вспышку.

один шаг одну линейку пикселей. На рис. 1.7. изображен трехкадровый фотоаппарат.

Он также предназначен для съемки неподвижных объектов.

В качестве фото-преобразователя у таких фотоаппаратов используется одна плоская ПЗС -матрица. Такие фотоаппараты имеют меньшую разрешающую способность, чем те, что оснащены ПЗС - линейками, но требуют и меньшего времени выдержки, а следовательно позволяют использовать фотовспышку.

Рис. 1.6 Цифровой фотоаппарат с задней развёрткой Рис. 1.7 «Трёхкадровый» цифровой фотоаппарат Для получения одного кадра производится три после- раты иначе называются фотоаппаратами « с вычислением довательных снимка через три фильтра: красный, зеленый, цветов». В них используется одна матрица, покрытая пленкой, синий. Диск, на котором расположены фильтры, поворачива- содержащей слой светофильтров из основных цвеется таким образом, чтобы в процессе экспонирования одно- тов(красного, зеленого и синего).В результате на поверхности цветный фильтр располагался между объективом и ПЗС - матрицы образуются так называемые «триады цвета». Проматрицей. Иногда с целью повысить качество цветопередачи цесс фиксации изображения на поверхности матрицы проте«зеленое» экспонирование производится дважды. Это связано кает быстро и позволяет использовать в качестве источника с неодинаковой спектральной чувствительностью ПЗС - эле- света фотовспышку. Поэтому этот способ получения цветного ментов к различным цветам. изображения. В этом случае можно использовать фотовспышОднокадровый фотоаппарат с одной матрицей показан ку. Для улучшения качества изображения наиболее широко на рис. 1.8. применяется процесс, называемый «интерполяцией». Этот процесс выполняется микропроцессором цифрового фотоаппарата. Цифровой обработке подвергаются 8 пикселей, окружающих обрабатываемую ячейку. Эта обработка усредняет и вычисляет цвета и яркости соседних ячеек и тем самым вводит в обрабатывающие информацию системы сведения о состоянии соседних ячеек.

На рис. 1.9. изображен однокадровый фотоаппарат с тремя матрицами. Каждая из трех матриц предназначена для приема информации об одном из основных цветов и его интенсивности. Методы цветоделения в цифровых фотоаппаратах, как уже было сказано, аналогичны методам, используемым в видео- и телекамерах. Цветоделительная призма расщепляет поступивший световой поток на три основных составляющих, которые направляются на соответствующие матрицы (иногда этих матриц не три, а четыре – устанавливается еще одна матрица, чувствительная к зеленому цвету. В некоторых фотоаппаратах фильтры расположены более Рис. 1.8 «Однокадровый» цифровой фотоаппарат с одной сложно: определенным образом размещены синие и красные матрицей фильтры, а зеленые – расположены в удвоенном количестве.

Такие фотоаппараты имеют не очень высокую разрешающую Эти фотоаппараты обладают высокой скоростью способность, и к тому же - достаточно высокую стоимость, съемки, но гораздо меньшей разрешающей способностью, а поскольку высококачественные ПЗС- матрицы до сих пор также – худшим качеством цветопередачи. Такие фотоаппадостаточно сложны и дороги в изготовлении.

1.4. Аналого-цифровые преобразователи Запись видеосигнала, поступившего с фотопреобразователя, может осуществляться как в аналоговой, так и в цифровой форме. Для перевода сигнала из аналоговой в цифровую форму необходимо устройство аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Функциональная схема цифровой записи сигнала представлена на рис.1.10.

Рис. 1.10 Функциональная схема цифровой записи сигнала В аналого-цифровом преобразователе происходят следующие процессы:

Рис. 1.9 «Однокадровый» цифровой фотоаппарат с тремя - дискретизация аналогового видео сигнала с опредематрицами ленным шагом;

- квантование сигнала – замена действительного мгноСуществуют комбинированные цифровые фотоаппаравенного значения сигнала округленным целым числом;

ты, в которых сочетается однокадровая и многокадровая тех- кодирование сигнала - образование кодовых комбинологии.

наций импульсов в двоичной системе исчисления (пример см.

Необходимо помнить, что пока ПЗС и КМОП элеменна рис 1.11).

ты не обладают изопанхроматической спектральной чувствиВ результате дискретизации аналоговый сигнал заметельностью. Наиболее чувствительны ПЗС - элементы на базе няется на ряд коротких импульсов,амплитуды которых равны кремния к красной и инфракрасной части спектра. Другие позначениям аналогового сигнала через шаг дискретизации (см.

лупроводники, (например, теллур или германий) имеют трерис. 1.11.). Отсчеты, полученные в результате дискретизации, буемую чувствительность, но нуждаются в охлаждении в поступают на вход преобразователя, в котором весь возможпроцессе работы, тогда как кремниевые основы работают при ный диапазон аналогового сигнала делится на ряд уровней комнатной температуре (18 –20 град. С).

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 12 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.