Цифровая камера
Цифровая камера имеет не только лишь наружное, да и функциональное сходство с обыкновенной фотокамерой, используемой в галогенсеребряной фото, и представляет собой:
Стоит отметить, что 1-ый в мире электрический фотоаппарат «Мавика» имел матрицу ПЗС 280 тыщ пикселей, а цветное изображение при таковой низкой разрешающей возможности было низкого свойства. Середина 1990-х годов ознаменовалась новым пришествием электрической фото на галогенсеребряную фотографию. На рынке появились новые цифровые камеры, у каких разрешающая способность стала соизмеримой с цветными негативными фотоматералами.
Рассматривая конструкцию цифровой камеры нужно тормознуть на вопросе формирования цветного изображения. Более обширно всераспространенным методом получения цветного изображения в любительской и проф цифровой фото является фотосъемка камерой с одним цветным чипом ПЗС и однократной выдержкой.
Цветоделение в данном случае осуществляется мелкими аддитивными светофильтрами: красноватым, зеленоватым и голубым, нанесенными на пиксели. При этом половина всех пикселей покрыта зеленоватыми светофильтрами, а остальную часть поровну делят меж собой красноватые и голубые светофильтры, покрывая пиксели. Данным методом есть возможность проводить фотосъемку передвигающихся объектов при дневном освещении и применяя лампу-вспышку. Для фотосъемки недвижных объектов и получения высочайшего свойства цветного конечного изображения в большинстве случаев используют иной метод цветоделения. Матрица ПЗС при всем этом экспонируется трижды за зональными аддитивными светофильтрами, закрепленными во вращающейся турели.
Не считая того, есть цифровые камеры (SESP-1000), в каких при помощи призмы происходит разделение изображения на красноватую, зеленоватую и голубую со ставляющие, попадающие любая на свою матрицу ПЗС. Такие цветоделящие системы обеспечивают высочайшее качество цветовоспроизведения и избавляют помехи, которые могут появиться меж цветными составляющими.
Последующий вариант цветоделительной системы употребляется в цифровых фотокамерах с разверткой кадра строчным ПЗС. Чип ПЗС в данном случае представляет собой три ряда пикселей, соответственных одной строке изображения. Один ряд пикселей покрыт красноватым фильтром, иной - зеленоватым, 3-ий - голубым. При фотосъемке ПЭС перемещается и в каждый момент времени регистрирует только одну строчку изображения, что в конечном счете обеспечивает высочайшее качество. В дорогих любительских и проф цифровых фотокамерах используются три чипа ПЗС и цветоделительная система с дихроическими полупрозрачными зеркалами.
Любой из 3-х чипов ПЗС при фотосъемке принимает только свою часть диапазона красноватую, зеленоватую либо голубую, подобно цветной мультислойной фотопленке, состоящей из 3-х зональных слоев, сенсибилизированных к трем зонам диапазона. Такие камеры позволяют проводить фотосъемку передвигающихся объектов, обеспечивая при всем этом высочайшее качество отображения, потому что разрешающая способность детектора цифровой камеры, состоящего из 3-х чипов ПЗС умножается втрое по сопоставлению с разрешающей способностью 1-го чипа ПЗС.
1-ые цифровые камеры, которые появились на рынке в 1995 году, рассчитывались на богатых и пытливых людей. Невзирая на то что камеры были дорогими, фотоизображение, получаемое при помощи таковой цифровой камеры, было нерезким и имело недостаточную насыщенность цветов. Но за последние годы цифровая фото более напористо и достаточно удачно стала наступать на классическую галогенсеребряную фотографию. Светочувствительность матриц ПЗС достигнула 400-800 ISO, что фактически соответствует светочувствительности современных цветных негативных галогенсеребряных фотопленок. Что касается разрешающей возможности матриц ПЗС, то она соизмерима с величиной разрешения фотопленки и составляет 15-20 млн. пикселей. Но на сегодня суровой неувязкой для цифровой фото является очень высочайшая цена камер, имеющих высокоразрешающие матрицы ПЗС. Не считая того, огромную стоимость имеет и сопутствующее оснащение - компьютер, монитор, принтер и т. д. Так, проф цифровые камеры высочайшего класса имеют наименьшую стоимость от 3000-9000 долларов США. Спецы в области цифровой фото все таки считают, что в обозримом будущем, по мере совершенствования технологии производства микросхем, цена цифровой камеры и классической камеры для галогенсеребряных материалов может выровняться, тем паче, что в разработках принимают активное роль не только лишь ведущие фотографические компании, да и гиганты компьютерной технологии, такие как IBM.
Цифровая камера
Цифровая камера - это устройство для получения оптических образов снимаемых объектов на светочувствительном элементе (матрице), адаптированное для записи передвигающихся изображений. Обычно оснащается микрофоном для параллельной записи звука.
Составными частями камеры являются:
В телевидении и кинематографии, по воззрению ведущих профессионалов, доминирующей тенденцией сейчас является съемка кинофильмов в главном на кинопленке, потому что она значительно расширяет творческие способности драматических сцен с конфигурацией контраста изображения, введением теней, субтитров и т. д. Качество отображения на цветной кинопленке при всем этом еще выше, чем на магнитном носителе; невзирая на то, что качество видеоизображения за последние годы стало лучше, передачи все еще смотрятся как репортажные.
По этой причине в почти всех странах мира на телевидении большая часть маркетинговой продукции, новые шоу-программы, некие мыльные оперы и т. д. снимаются лишь на кинопленку, потому что их создание еще дешевле; не считая того, имеется отменная возможность сбыта данной продукции в другие страны.
Что касается сотворения в обозримом будущем цифровой камеры, которая по качеству изображения выпихнет обыденную кинокамеру, то это смотрится очень проблематично, потому что разработка таковой передовой технологии съемки кинофильмов востребует больших денег. Невзирая на ряд плюсов электрической фото, творческие работники кинематографии знают, что лишь на кинопленке для сотворения чувственного содержания материала есть возможность обеспечить нужный динамический диапазон, аккуратное цветовоспроизведение цветовых цветов, проработку кадра и т.д. Для разработчиков электрического оборудования для кинематографии, по воззрению компании «Kodak», мирового фаворита сотворения ведущих технологий киносъемки и выпуску ПЗС-матриц, таковой путь пока не просматривается.
Информация с веб-сайтов:
Что такое цифровая камера? Цифровая камера – устройство для фотосъемки, в котором изображение регистрируется на систему ПЗС-матриц и сохраняется в цифровом виде. Цифровая камера может не только фиксировать и преобразовывать в цифровую форму изображение, но и записывать звук, параметры съемки. В зависимости от конструктивного исполнения различают следующие цифровые камеры: с задней разверткой; трех кадровые; однокадровые с одной матрицей; однокадровые с тремя матрицами.
Характеристики цифровой камеры К числу важнейших характеристик цифровых камер можно отнести следующие: разрешение; поддержка интерфейсов SCSI, WireFire, USB; объем носителя информации. Цифровые камеры удобны в использовании, поскольку имеют жидкокристаллический экран, позволяют вести запись как отдельных кадров, так и их последовательности, имеют возможность непосредственного подключения к принтеру. Носителем информации в цифровых камерах обычно служат карты флэш-памяти.
Студийные камеры Названия фирм, производящих эту технику, не скажут ничего не только обычному пользователю, но и профессиональному фотографу - Leaf, Phase One, Dicomed. Студийные камеры предназначены для стационарной съемки в специально отведенном для этого помещения - фотостудии. Для студийных камер не существует ограничений ни на время экспонирования, ни (теоретически) на габариты устройства. В связи с этим данные приборы в основном представляют собой приставку к среднеформатной или крупноформатной камере, устанавливаемую вместо задней стенки аппарата. Конструктивно эти устройства можно разделить на два основных типа - сканирующие и полнокадровые. Поскольку в студийной технике применяются дорогостоящие ПЗС-матрицы высокого разрешения, поток информации в таких системах очень интенсивный. назад
Полевые камеры Гораздо более распространенной категорией являются полевые камеры. Так как данные модели предназначены для эксплуатации в различных условиях освещения, а объекты съемки могут быть самым разнообразными, крайне необходим широкий диапазон выдержки и диафрагмы, а также встроенная вспышка. Фотоаппараты этого класса работают автономно, поэтому должны обладать большими объемами памяти и низким уровнем энергопотребления. Ввиду того, что полевые камеры постоянно находятся в руках своих владельцев, в крайнем случае, в сумке на плече, к этому типу техники предъявляются очень жесткие требования по массе и габаритами. В 2002 году появилась технология, которую можно назвать революционной - многослойные матрицы, в которых каждый элемент (пиксел) регистрирует полную информацию о цветовом диапазоне. Достигается это за счет того, что свет с разной длиной волны проникает в материал ЭОП на разную глубину. Применение сменной оптики и цена - вот что разделяет многочисленное семейство полевых фотокамер на две большие категории: профессиональные и любительские. назад
Профессиональные камеры К началу 2003 года основной из критериев - цена составляет от 2000 долларов для профессиональных камер. Тому виной два обстоятельства. Во-первых, категория покупателей профессиональной техники относительно немногочисленна и согласна с высокой ценой за хорошее качество. Кроме того, сменные объективы, используемые в камерах этого класса, зачастую стоят не намного дешевле самих фотоаппаратов. Вторая причина повышенной стоимости - конструкция этих устройств. Фактически профессиональная камера представляет собой корпус "зеркального" пленочного фотоаппарата высокого класса (и высокой стоимости), доработанного с учетом установки электронно-оптического преобразователя (ЭОП) и устройства хранения кадров. Большинство моделей снабжаются цветным ЖК - дисплеем расположенным на задней панели, - он используется для просмотра и удаления отснятых кадров, настройки камеры и т. д. Главное же конструктивное отличие данной категории: наличие байонетного разъема для сменной оптики, причем стоимость качественного объектива может в несколько раз превосходить стоимость камеры. Использование стандартной оптики накладывает также ограничение на минимальный размер ЭОП, по габаритам он должен быть максимально приближен к размерам кадра 35-мм пленки. Так как в качестве ЭОП в основном используются дорогостоящие крупногабаритные ПЗС-матрицы, общую цену камеры низкой назвать нельзя. Однако в последнее время наметилась тенденция использовать в качестве базы фотоаппараты среднего класса: Возможно, в недалеком будущем стоимость цифровой "зеркалки" опустится ниже планки в 2000 долларов. назад
Любительские камеры Поскольку фотолюбителей, готовых купить камеру за 2000 долларов и выше (это без учета стоимости оптики), не так уж и много, вскоре после профессиональных моделей появились и любительские, которым и будет уделено основное внимание на страницах данной книги. В англоязычной литературе часто встречаются определения consumer camera (буквальный перевод - потребительские камеры), а также prosumer camers - этот термин появился сравнительно недавно и образован за счет слияния слов ргоfеввiопа 1 и сопвитег. Им обозначаются недавно появившиеся модели с высоким разрешением, большим количеством ручных настроек и сервисных функций, с возможностью установки оптических насадок и подключения внешней вспышки - в общем, со всем тем, что до недавнего времени встречалось только в профессиональных моделях. Любительская цифровая камера в отличие от профессиональной разрабатывается, что называется, "с нуля", без использования корпуса и оптики пленочных камер. Есть, правда, модели, внешним видом напоминающие широко известные 35-мм любительские камеры. =>
">
Любительские камеры. Продолжение Как и следует ожидать, на внешнем виде сходство заканчивается даже такая, на первый взгляд, легко поддающаяся копированию часть пленочной камеры, как объектив, не годится для цифровой модели. Дело в том, что используемые в любительских цифровых фотоаппаратах ПЗС-матрицы значительно меньше тех, что применяются в профессиональных. Их размер не превышает 2/3 дюйма по диагонали, а наиболее часто встречаются матрицы с диагональю 1/2 дюйма. При этом оптика, перенесенная один в один с 35-мм камеры, дает изображение, значительно превосходящее по размерам ПЗС-матрицу. Кроме того, ЭОП обладают меньшей по сравнению с пленкой светочувствительностью, а с другой стороны, продолжительное воздействие яркого света губительно для них, что накладывает дополнительные ограничения на конструкцию затвора и светосильные характеристики оптики. Как ни прискорбно, до сих пор встречаются конструкции камер, оптика которых вызывает нехорошие воспоминания о дешевых китайских "мыльницах" с пластмассовыми линзами. Естественно, что никакие "мегапиксели" не помогут сформировать качественное изображение при эксплуатации таких моделей. В то же время появившиеся в 1998 году камеры с ЭОП на полтора миллиона элементов и хорошей светосильной оптикой до сих пор с успехом используются в достаточно сложных для съемки условиях, например при съемке в помещениях с плохой освещенностью. назад
Принцип работы издательских комплексов с использованием цифровой фотографии Для многих студийных камер необходимо специальное студийное освещение, и их нельзя синхронизировать со вспышкой или стробоскопом. В некоторых моделях отсутствует необходимый объем встроенной памяти для хранения цифровых изображений; такие камеры привязаны к компьютеру. Часто имеется возможность вместо объектива камеры использовать для предварительного просмотра изображения экран компьютера и видеомонитор. Полевые цифровые фотокамеры, напротив, имеют довольно короткую выдержку, что позволяет использовать их при ручной съемке движущихся объектов, в том числе людей; они обладают встроенной памятью, достаточной для хранения значительного количества цифровых фотографий, что делает подобные аппараты практически идеальными инструментами для фотожурналистов. Но приемлемое для ручной съемки время выдержки в полевых камерах обычно достигается за счет более низкого качества получаемых изображений, которые не годятся для высококачественных журналов и каталогов. Тем не менее деление на студийные и полевые камеры достаточно условно, и ряд моделей можно с равным основанием отнести к обеим категориям.
Шлем виртуальной реальности Шлем виртуальной реальности устройство, позволяющее частично погрузиться в мир виртуальной реальности, создающее зрительный и акустический эффект присутствия в заданном управляющим устройством (компьютером) пространстве. Представляет собой устройство, надеваемое на голову, снабженное видеоэкраном и стерео- или квадрофонической акустической системой. Название «шлем» достаточно условное: современные модели гораздо больше похожи на очки, чем на шлем. Шлем создаёт объёмное изображение, подавая две разные картинки каждому глазу. Кроме того, шлем может содержать гироскопический или инфракрасный датчик положения головы.
Шлем виртуальной реальности На данный момент шлемы виртуальной реальности сильно дешевеют и в скором времени возможно превратятся в такой же необходимый атрибут компьютерных игр, как джойстик или мышь. На рынке уже представлено несколько доступных моделей видеоочков по цене, не превышающей стоимость хорошего руля для гоночных компьютерных игр. В основных недостатках бюджетных моделей отсутствие встроенного трекера для отслеживания позиции головы, небольшое разрешение видеоэкранов. Некоторые видео очки имеют только один видеоэкран и не способны создавать трехмерное изображение. Оператор в шлеме и перчатках виртуальной реальности.
Цифровые камеры
Цифровые камеры - сравнительно недавно появившийся класс компьютерных устройств. Пока приличные цифровые камеры еще достаточно дороги, что значительно ограничивает их популярность, но эти устройства постоянно дешевеют, и вполне возможно, что в недалеком будущем именно цифровые камеры будут наиболее часто использоваться для получения фотографий и съемки видео. Впрочем, что касается видео, то уже сейчас в профессиональных студиях цифра становится стандартом, да и в продвинутых бытовых видеокамерах тоже начинают активно использоваться цифровые технологии.
Мы не будем вдаваться в подробности функционирования камер и процесса съемки вообще, так как я не фотограф и не кинооператор, ограничимся лишь особенностями цифровых фотоаппаратов и видеокамер и их основными отличиями от нецифровой техники.
Цифровая камера предназначена для быстрой и простой фиксации изображения и ввода его непосредственно в компьютер, что во многих случаях представляется очень важным. Например, журналисты, персонал правоохранительных органов, страховые агенты и т. д. могут пользоваться цифровыми фото- и видеокамерами для оперативного получения информации с места события. И в таких областях цифра является значительно экономичнее, чем фотосъемка на пленку или видеосъемка с помощью аналоговой камеры на кассету. Единственное, правда, что служит ограничением, это то, что при большом объеме съемок необходимо сбрасывать информацию в компьютер, так как емкость памяти все же не позволяет хранить в устройстве много фотографий или видеоматериала.
В настоящее время существует достаточно большой (хотя не сказать, чтобы он был богатый) выбор цифровых камер самого разного назначения и соответственно различной ценовой категории. Не очень дорогие устройства в основном предназначены для широкого круга пользователей, но есть и весьма солидные камеры для профессионального применения. Правда, стоимость последних может составлять несколько тысяч или даже десятков тысяч USD.
Фотокамеры
Беспленочные камеры очень похожи на традиционные фотоаппараты. Здесь также имеются объектив, затвор и диафрагма. Фактически в некоторых профессиональных беспленочных камерах используются готовые корпуса от 35-миллиметровых аппаратов Nikon, Minolta, Canon или других производителей. Главное различие же заключается во внутреннем устройстве и в способе сохранения изображения. В традиционных фотокамерах изображение фокусируется на пленке, покрытой светочувствительным слоем кристаллов галлоидного серебра. Затем пленка последовательно погружается в растворы химических реактивов для проявки и фиксации отснятого изображения. В цифровых камерах изображение фокусируется на фоточувствительном ъ размером с почтовую марку кристалле полупроводника, называемом прибором с зарядовой связью (сокращенно ПЗС). Эти приборы, кстати, используются и в большинстве планшетных сканеров. ПЗС содержат сотни тысяч или даже миллионы резисторов, или элементов выборки. Чем больше элементов-ячеек в ПЗС, тем выше разрешение и, следовательно, качество изображения. При открывании затвора фотокамеры свет, попадая на ячейки ПЗС, приводит к образованию электрического заряда, причем чем больше света, тем больше заряд. Для получения цветного изображения последнее пропускается через набор (красный, синий и зеленый) светофильтров. После этого свет попадает на пикселы ПЗС, которые чувствительны к красному, синему или зеленому цвету, и эта комбинация пикселов и образует полноцветную картинку. Затем электрические заряды усредняются и преобразуются посредством аналого-цифрового преобразователя (АЦП) в сочетания нулей и единиц, а после этого цифровые данные подвергаются сжатию (наиболее часто используется JPEG) и запоминаются в памяти камеры.
Наиболее популярны камеры среднего или низшего ценового диапазона. Они очень похожи на пленочные аппараты (рисунок слева) и имеют много необходимых для бытового применения функций. Например, практически все устройства имеют систему подавления эффекта "красных глаз", автофокус, возможна вставка некоторых эффектов (впечатывание даты/времени, включение черно-белого режима и т. п.). Для профессиональной и фотографии существуют более продвинутые устройства, которые обычно располагают большим LCD-видоискателем, TV-выходом, а также, естественно, имеющие более высокое качество изображения и расширенный набор функций и настроек. Качество получаемого изображения в значительной степени определяется разрешением камеры. Очевидно, что имеется ввиду разрешение ПЗС-матрицы. Например, разрешающая способность чувсвительного элемента может быть равна 1901x1212 точек. Причем можно при желании уменьшать разрешение до какого-либо определенного камерой, это может быть полезно, например, для уменьшения размера файлов. Часто производители указывают количество чувствительных точек в матрице, оно может быть получено в результате произведения максимального разрешения камеры по ширине на соответственно максимальное разрешение по высоте. Так, в нашем случае матрица должна иметь как минимум 1901*1212=2304012 пикселов. Как минимум потому, что при применяемых при изготовлении ПЗС-матриц технологиях в последней неизбежно будут иметься бракованные элементы (несколько процентов от общего числа), и поэтому производители изготовляют ПЗС с определенным запасом светочувствительных элементов. Как всегда, следует помнить, что более высокое разрешение часто достигается программным способом путем интерполяции, и максимальное значение для той или иной камеры не обязательно должно совпадать с истинной разрешающей способностью ПЗС-элемента.
Представляю вашему вниманию пару фотографий, полученных с помощью 3-мегапиксельной камеры Nikon Coolpix 990.
Как можно заметить, изображение весьма на уровне и в ряде случаев полученные фотографии могут поспорить качеством с обычными фотографиями, полученных путем съемки на пленку. Более дешевые цифровые фотоапараты конечно же имеют несколько более низкое качество картинки, но и его обычно вполне хватает для, скажем, ведения собственного фотоальбома или публикации достаточно качественных снимков в сети, что делает их пригодными для полупрофессионального применения. А качество совсем недорогих устройств, рассчитанных на самого широкого потребителя, часто оставляет желать лучшего и может сгодиться разве что только для создания небольших по размером картинок и посылки их по электронной почте, размещения их на сайте, если там не предъявляются высокие требования к качеству, или другого подобного применения, когда более всего важно просто наличие хоть какого-нибудь снимка.
Отснятый материал сохраняется в памяти камеры. Для этого используются специальные карты памяти, они бывают различных форматов (см. cменные носители), сегодня наиболее распространенными являются три: CompactFlash, SmartMedia Card и MultiMedia Card. Обычно в стандартную комплектацию приличной камеры входит карта объемом около 8-20 Mb, что позволяет записать примерно столько же снимков, сколько можно сделать при фотографировании на одну кассету с пленкой. Дешевые камеры могут оснащаться менее емкой картой (2-4 Mb). Если такой объем вас не устраивает, то придется покупать другую карту. На момент написания статьи максимальная емкость карт формата CompactFlash составила 256 Mb.
Естественно, максимальное количество вмещаемых картой файлов зависит от разрешения, при котором производилась съемка, и применяемом коэффициенте сжатия, но пользователи обычно очень быстро усваивают, что следует избегать любых режимов, кроме режима самого высокого качества. В камерах могут применяться различные алгоритмы компрессии, например JPEG, TIFF, DPOF, RAW, но обычно ограничиваются двумя первыми (чего уже достаточно) или вовсе только JPEG. После того, как место на карте закончилось, необходимо заменить карту, сбросить ее содержимое в компьютер либо удалить соответствующее число фотографий из памяти. Для соединения с РС обычно используется шина USB как наиболее универсальный интерфейс, иногда также возможно соединение другим способом (скажем, через COM-порт или с помощью PC Card, смотрите интерфейсы).
Существенное различие между беспленочными и обычными камерами состоит в задержке длительностью в несколько секунд, которая требуется беспленочной камере для фиксации изображения, его преобразования, сжатия и сохранения в цифровом виде. Также требуется некоторое время для приведения фотоаппарата в готовность, так как камера должна загрузить свою операционную систему. Многие приличные камеры позволяют производить съемку серии фотографий в непрерывном режиме со скоростью несколько кадров в секунду, что делает их пригодными для скоростной съемки объектов, например спортивных эпизодов.
Видеокамеры
Цифровые видеокамеры очень похожи на фотоаппараты. Отличие состоит лишь в том, что они производят съемку кадров со скоростью не менее 25 в секунду и записывают результат в файл (естественно, в сжатом виде). Такая скорость вообще является стандартной для видеотехники и обусловлена тем, что фотохимические реакции в человеческом глазу длятся обычно не менее 1/25 секунды. Эта частота кадров используется и в телевидении. Правда, более предпочтительна все же частота 30 Hz, так как при 25 неплавность изображения немного ощущается, хотя и не все это могут заметить.
Запись обычно производится на ленту, так как большой объем информации не позволяет использовать традиционные дисковые накопители, хотя существуют и камеры с жестким диском. Но зато от этого резко увеличивается ее цена, а диск не является таким же удобным как кассета носителем, так как при необходимости последнюю можно вынуть и вставить другую, а емкость жесткого диска, пусть даже очень большого, не позволит записать много видеоматериала. Поэтому кассетные видеокамеры получили наибольшее распространение (в последнее время, правда, стали появляться камеры, в которых информация пишется на CD-R/RW).
Практически все сегодняшние камеры совместимы со стандартом DV. Этот формат обеспечивает высокое качество изображение и не уступает аналоговому формату Betacam SP - основному формату телетехники профессионального качества. Единственный параметр, по которому DV хуже Betacam SP - это разрешение: 500 твл против 650 твл. Но это не так уж и важно, так как, во-первых, при обычной телевизионной трансляции разрешение редко бывает выше 380 твл (обычно 250-350 твл), а, во-вторых, существующие стандарты бытовой записи (я имею ввиду MPEG-2, который широко используется в DVD и при спутниковом вещании) и рассчитаны где-то на 500 твл, да и не все телевизоры способны обеспечить большее разрешение при воспроизвении. Зато соотношение сигнал/шум составляет 54 Db (по сравнению с 49 для Betacam SP), а полоса частот сигнала цветности равна 1.5 MHz, что совпадает с Betacam SP и певышает полосу частот у S-VHS и Hi-8. Сжатие сигнала осуществляется в соотношении 5:1 по технологии, аналогичной M-JPEG), при этом скорость потока равна 3.4 Mb/s. Стандарт также предусматривает схему исправления ошибок, так что можно без потерь воспроизвести кадры даже в случае, если на ленте будут испорчены две из десяти дорожек. Кассета имеет весьма меленькие размеры (примерно как коробочка из-под Tic-Tac), в ней используется лента шириной 6.35 mm. Уменьшение размера кассеты приводит к уменьшению размеров и массы самой камеры - масса современной DV-камеры составляет около 1 Kg, в то время как камеры формата Betacam SP имеют массу около 6 Kg и больше.
Видеокамеры стандарта DV для связи с компьютером имеют интерфейс Fire Wire. Таким образом, передача данных в компьютер происходит в полностью цифровом виде, что обеспечивает высокое качество изображения. В то же время DV-камеры имеют и TV-выходы, и их можно подключать напрямую к телеаппаратуре. Другим большим преимуществом таких камер является их цена - по сравнению со стоимостью аналогичных камер Betacam SP она ниже в несколько раз. Поэтому видеокамеры стандарта DV очень хорошо подходят для профессионального видео и могут составить сильную альтернативу набору "аналоговая камера плюс плата монтажа" . Обычно с помощью DV-камер можно и фотографировать (данные пишутся на карту памяти или диск, как у обычных фотоаппаратов), но качество при этом довольно неважное по сравнению со специализированными фотокамерами.
Другой, более простой и дешевый класс видеокамер - USB-камеры, или, как их еще часто называют, Web-камеры, так как они хорошо подходят для проведения телеконференций в сети (естественно, при модемном соединении все равно вряд ли выйдет что-нибудь путное). Принцип действия их аналогичен DV-камерам, но они не всегда имеют собственный накопитель (а если он и есть, то очень скромного объема - в комплект поставки входит небольшая карта памяти), а передача видео осуществляется по шине USB. Так как шина USB имеет пропускную способность всего 12 Mbps, то качетво картинки очень низкое. Разрешение у этих камер может быть равно 640х480, но тогда частота кадров будет не более 12-15 в секунду. Необходимая скорость в 25-30 кадров в секунду достижима только при разрешении 320х240 и меньше. При этом все это возможно, как правило, только в случае использования фирменного программного обеспечения, а с альтернативными программами качество обычно гораздо хуже. Цветопередача тоже часто оставляет желать лучшего, так как никто не захочет делать особо качественным продукт максимального удешевления и спроса. В целом же качество сравнимо с качеством видеокассеты средней паршивости. Впрочем, с телеконференциями USB-камеры справляются неплохо, да это и есть их основная задача. Хотя можно также записывать и ролики, если требования к изображению не высоки. Большинство камер для этого имеют встроенный микрофон (неважный, правда) для записи звукового сопровождения. Аналогично DV-камерам, некоторые USB-камеры тоже позволяют фотографировать. Однако в связи со все той же аналогией качество мало куда годится.
Различное программное обеспечение позволяет оснастить камеру различными полезными и не очень функциями. Скажем, фотографирование с заданной частотой с возможностью отправки снимков на e-mail, что может пригодиться, например, фермеру, если он захочет наблюдать процесс созревания (похищения) урожая на своей плантации. Или анализирование наличия движения в заданной области (при его обнаружении программа может предпринять какое-либо действие или запустить другую программу) - так вы сможете превратить свою камеру в своего рода охранную систему по совместительству. Правда, на очень медленные или незначительные движения программное обеспечение обычно не реагирует, так что злоумышленник все же может незаметно подкрасться и унести ваш компьютер вместе с пресловутой камерой.
December 30th, 2014
Сейчас цифровые фотоаппараты настолько вошли в нашу жизнь, что ни у кого уже не вызывают удивления. И мало кто задумывается о том, с чего все начиналось. Первая цифровая камера фирмы «Kodak»
Модель 1975 года.
Первая цифровая камера Eastman Kodak весила 3.6 кг. Она состояла из нескольких десятков плат и кассетного проигрывателя прикрепленного сбоку. Все это работало от 16 никель-кадмиевых батарей.
Давайте вспомним про это подробнее …
В декабре 1975 года инженер фирмы Kodak Стив Сассон (Steve Sasson) изобрел устройство, которое через несколько десятилетий приведет к революции в фотографии - первую цифровую фотокамеру.
Разрешение видеокамеры составляло всего 0.01 Мегапикселя (10 тыс пикселей, или приблизительно 125 х 80 пикселей). На создание одной черно-белой фотографии, цветные камера делать не умела, уходило 23 секунды, и они хранились на магнитной кассете.
Один из руководителей того проекта, инженер Стив Сассон (Steve Sasson) вспоминает о нем с теплотой - пускай устройство и не было доведено «до ума», оно стало интересным во многих смыслах - и вскоре благодаря нему Стив официально будет включен в «Зал славы потребительской электроники» (Consumer Electronics Hall of Fame), престижный список людей, внесших наиболее значительный вклад в эволюцию (а может - и революцию), произошедшую в последние годы в этой области.
Устройство собрано на основе элементов камеры Kodak Super 8, с использованием экспериментального прототипа ПЗС-матрицы, которой в наше время оснащаются все цифровые фотоаппараты. Носителем в нем служили, конечно, не флэш-карты, а обычные кассеты с магнитной лентой. Разумеется, ни скоростью работы, ни качеством снимков этот раритет похвастаться не мог: изображение с разверткой в 100 линий записывалось на пленку 23 секунды. Да и удобства оказалось немного - чтобы просмотреть картинку, кассету нужно было поместить в магнитофон, подключенный к компьютеру, который был, в свою очередь, подсоединен к телевизору. Неудивительно, что маркетологи Kodak, опробовавшие новинку на всевозможных фокус-группах, не решились финансировать продолжение проекта.
Для воспроизведения фотографий они считывались с пленки и выводились на обычный черно-белый телевизор.
Но это неважно, ведь даже это несовершенное устройство обладало главным преимуществом цифрового фотоаппарата - оно не нуждалось ни в фотопленке, ни в фотобумаге. Тогда даже это преимущество казалось странным. По словам Сассона, ему задавали вопросы: «Кому вообще может понадобиться смотреть фотографии в телевизоре? Где он будет их хранить? Как ты себе представляешь электронный фотоальбом? Возможно ли сделать технологию удобной и доступной массовому потребителю?»
Увы, тогда изобретатель не нашелся, что ответить скептикам. За него это сделало время.
Камера не предназначалась для продаж, да и не представляла интереса для фотографов в таком виде. Не удивительно что первые по-настоящему переносные цифровые камеры появились лишь практически 15 лет спустя в конце 80-х.
Этапы развития цифровой фотографии
- 1908 Шотландец Алан Арчибальд Кэмпбел Свинтон (Alan Archibald Campbell Swinton) печатает в журнале Nature статью, в которой описывает электронное устройство для регистрации изображения на электронно-лучевой трубке. В дальнейшем эта технология легла в основу телевидения.
- 1969 Исследователи из Bell Laboratories — Уиллард Бойл (Willard Boyle) и Джордж Смит (George Smith) сформулировали идею прибора с зарядовой связью (ПЗС) для регистрации изображений.
- 1970 Ученые из Bell Labs создали прототип электронной видеокамеры на основе ПЗС. Первый ПЗС содержал всего семь МОП-элементов.
- 1972 Компания Texas Instruments запатентовала устройство под названием «Полностью электронное устройство для записи и последующего воспроизведения неподвижных изображений». В качестве чувствительного элемента в нем использовалась ПЗС-матрица, изображения хранились на магнитной ленте, а воспроизведение происходило через телевизор. Данный патент практически полностью описывал структуру цифровой камеры, несмотря на то, что сама камера фактически была аналоговой.
- 1973 Компания Fairchild (одна из легенд полупроводниковой индустрии) начала промышленный выпуск ПЗС-матриц. Они были чёрно-белыми и имели разрешение всего 100х100 пикселей. В 1974 при помощи такой ПЗС-матрицы и телескопа была получена первая астрономическая электронная фотография. В том же году Гил Амелио (Gil Amelio), также работавший в Bell Labs, разработал техпроцесс производства ПЗС-матриц на стандартном полупроводниковом оборудовании. После этого их распространение пошло намного быстрее.
- 1975 Инженер Стив Сассон (Steve J. Sasson) работавший в компании Kodak сделал первую работающую камеру на ПЗС-матрице производства Fairchild. Камера весила почти три килограмма и позволяла записывать снимки размером 100×100 пикселей на магнитную кассету (один кадр записывался 23 секунды).
- 1976 Fairchild выпускает первую коммерческую электронную камеру MV-101, которая была использована на конвейере Procter&Gamble для контроля качества продукции. Это уже была первая, полностью цифровая камера, передававшая изображение в миникомпьютер DEC PDP-8/E по специальному параллельному интерфейсу
- 1980 Sony представила на рынок первую цветную видеокамеру на основе ПЗС-матрицы (до этого все камеры были чёрно-белыми).
- 1981 Sony выпускает камеру Mavica (сокращение от Magnetic Video Camera), с которой и принято отсчитывать историю современной цифровой фотографии. Mavica была полноценной зеркальной камерой со сменными объективами и имела разрешение 570×490 пикселей (0,28 Мп) Она записывала отдельные кадры в формате NTSC и поэтому официально она называлась «статической видеокамерой» (Still video camera). Технически, Mavica была продолжением линейки телевизионных камер Sony на основе ПЗС-матриц. Во многом, появление Mavica было переворотом, аналогичным изобретению химического фотопроцесса в начале 19-го века. На смену громоздким телекамерам с электронно-лучевыми трубками пришло компактное устройство на основе твердотельного ПЗС-сенсора. Полученные на ПЗС-матрице изображения сохранялись на специальном гибком магнитном диске в аналоговом видеоформате NTSC. Диск был похож на современную дискету, но имел размер 2 дюйма. На него можно было записать до 50 кадров, а также звуковые комментарии. Диск был перезаписываемый и назывался Video Floppy и Mavipak. Примерно в то же время в канадском университете Калгари была разработана первая полностью цифровая камера под названием All-Sky camera. Она предназначалась для научной фотосъемки, была сделана на основе ПЗС-матрицы Fairchild и выдавала данные в цифровом формате.
- 1984-1986 По примеру Sony, компании Canon, Nikon, Asahi также начали выпуск электронных видео- и фотокамер. Камеры были аналоговыми, стоили очень дорого и имели разрешение 0,3–0,5 мегапикселей. Картинки в формате видеосигнала писались на магнитные носители (как правило, дискеты). В этом же году Kodak ввёл в обиход термин «мегапиксель», создав промышленный образец CCD-сенсора с разрешением 1,4 Мп.
- 1988 Компания Fuji, которой и принадлежит право первенства в производстве полноценной цифровой видео-фотокамеры, совместно с Toshiba выпустила камеру Fuji DS-1P, основанную на ПЗС-матрице с разрешением в 0,4 Мп. DS-1P также стала первой камерой, записывавшей изображение в формате NTSC не на магнитный диск, а на сменную карту памяти статического ОЗУ (Static RAM) со встроенной для поддержания целостности данных батарейкой. В том же году Apple совместно с Kodak выпускает первую программу для обработки фотоизображений на компьютере - PhotoMac.
- 1990 Появилась уже полностью цифровая, коммерческая камера – Dycam Model 1, более известная под как Logitech FotoMan FM-1. Камера была чёрно-белая (256 градаций серого), имела разрешение 376×240 пикселов и 1 мегабайт встроенной оперативной памяти для хранения 32 снимков, встроенную вспышку и возможность подключить камеру к компьютеру.
- 1991 Kodak, совместно с Nikon, выпускает профессиональный зеркальный цифровой фотоаппарат Kodak DSC100 на основе камеры Nikon F3. Запись происходила на жесткий диск, находящийся в отдельном блоке, весившем около 5 кг.
- 1994 Apple совершает настоящий маркетинговый прорыв, выпустив Apple QuickTake 100. Фотокамера была выпущена в корпусе, напоминавшем бинокль (популярная в те годы форма для видео-фотокамер) и позволяла хранить во внутренней Flash-памяти восемь снимков размером 640×480 (0,3 Мп) или тридцать два снимка с половинным разрешением 320×200. Подключалась камера к компьютеру с помощью последовательного порта, питалась от трёх батареек формата AA и стоила меньше восьмисот долларов.
- 1994 На рынке появились первые Flash-карты форматов Compact Flash и SmartMedia, объёмом от 2 до 24 Мбайт.
- 1995 Выпущены первые потребительские фотоаппараты Apple QuickTake 150, Kodak DC40, Casio QV-11 (первая цифровая фотокамера с LCD-дисплеем и первая же - с поворотным объективом), Sony Cyber-Shot. Началась гонка за снижение цены и приближение качества цифровой фотографии к качеству плёнки.
- 1996 Приход на рынок компании Olympus, не только с новыми моделями, но и с концепцией комплексного подхода к цифровому фото, основанной на создании локальной пользовательской инфраструктуры: камера + принтер + сканер + персональное хранилище фотоинформации.
- 1996 Fuji представила первый цифровой минилаб. Технология нового устройства была гибридной – она сочетала в себе лазерные, цифровые и химические процессы. В дальнейшем к производству цифровых минилабов подключились и другие компании, в частности, Noritsu и Konica.
- 1997 Преодолён символический рубеж в 1 мегапиксель: в начале года выходит камера FujiFilm DS-300 c 1,2-мегапиксельной матрицей, в середине - зеркальная (на основе светоразделяющей призмы) однообъективная камера Olympus C-1400 XL (1,4 мегапиксела).
- 2000 Выпуск камеры Contax N Digital первой полнокадровой (24х36 мм) камеры с разрешением 6 Мп.
- 2000-2002 Цифровые камеры становятся доступными для массового потребителя.
- 2002 Sigma выпускает камеру SD9 c трехслойной матрицей Foveon.
- 2003 Начало выпуска Canon EOS 300D – первой доступной по цене широкому кругу фотографов зеркальной цифровой фотокамеры со сменными объективами. Благодаря этому факту, а также выпуску аналогичных камер другими производителями, произошло массовое вытеснение плёнки не только из среды непритязательных любителей и профессионалов, но и среди «продвинутых» любителей, до этого относившихся к цифровой фотографии довольно прохладно.
- 2003 Компаниями Olympus, Kodak и FujiFilm представлен стандарт 4:3, направленный на стандартизацию цифровых зеркальных камер и выпущена фотокамера Olympus Е-1 под этот стандарт.
- 2005 Начало выпуска Canon EOS 5D – первой доступной по цене (цена менее $3000) камеры с полнокадровым сенсором с разрешением 12.7 Мп
Вследствие совершившейся цифровой миниреволюции особенно выиграли японские компании, в отличие от осторожных «американцев». В частности, Sony и Canon сегодня считаются признанными лидерами рынка, а компания Kodak, являясь одним из ведущих разработчиков технологий для цифровой фотографии, рынок любительской цифровой фототехники практически потеряла. История эта не завершена, она активно продолжается в настоящее время.
> Как работает цифровая камера
Цифровая камера захватывает свет и фокусирует его через объектив на сенсор, сделанный из кремния. Она состоит из сетки мелких фотоэлементов, которые чувствительны к свету. Каждый фотоэлемент называется пикселем, сокращение от «элемент изображения». Миллионы этих отдельных пикселей находятся в датчике цифровой зеркальной фотокамеры.
Цифровая камера отбирает свет нашего мира, или космического пространства пространственно, тонально и по времени. Пространственная выборка означает, что изображение в камере разбивается прямоугольной сеткой пикселей. Тональная выборка означает, что постоянно меняющиеся тоны яркости в природе разбиты на отдельные дискретные шаги тона. Если есть достаточно выборок, как в пространстве, так и тонально, мы воспринимаем их в качестве верного представления исходной сцены. Время выборки означает, что мы делаем экспозицию заданной длительности.
Наши глаза также воспринимают мир на основе нескольких десятых долей секунды, когда количество света такое же, как в дневное время. В условиях низкой освещенности, экспозиция глаза, или время интегрирования может увеличиться до нескольких секунд. Вот почему мы можем увидеть более подробную информацию с помощью телескопа, если будем смотреть на слабый объект в течение долгого времени.
Глаз является относительно чувствительным детектором. Он может обнаружить один фотон, но эта информация не передается мозгу, потому что она не превышает минимального порога соотношения сигнала к шуму в схеме шумовой фильтрации в зрительной системе. Этот порог обуславливает поступление нескольких фотонов для фиксирования их мозгом. Цифровая камера почти также чувствительна, как глаза, и оба являются гораздо более чувствительными, чем фотопленка, которая требует множество фотонов для обнаружения.
Эти временные выборки с длинными экспозициями, которые действительно делают возможным волшебство цифровой астрофотографии. Истинная мощь цифрового датчика возникает от его способности интегрировать, или собирать, фотоны в течение более длительных периодов времени, чем глаза. Вот почему мы можем записать данные в длинных выдержках, которые невидимы для глаза, даже через большой телескоп.
|
Каждый светочувствительный элемент на CCD или CMOD чипе состоит из светочувствительной области из кристаллического кремния в фотодиоде, которая поглощает фотоны и высвобождает электроны посредством фотоэффекта. Электроны накапливаются в потенциальной яме в качестве электрического заряда, который накапливается в течение всей экспозиции. Заряд, который генерируется, пропорционален числу фотонов, которые попадают в датчик. Этот электрический заряд передается и преобразуется в аналоговое напряжение, которое усиливается и затем посылается в аналого-цифровой преобразователь, где оно оцифровывается (превращается в число). |
CCD и CMOD датчики работают аналогично друг другу в поглощении фотонов, генерации электронов и их хранении, но отличаются тем, как заряд переносится и где он преобразуется в напряжение. И оба имеют цифровой выход.
Весь файл цифрового изображения это набор чисел, которые представляют значения яркости и местоположения для каждого квадрата в массиве. Эти цифры хранятся в файле, с которым могут работать наши компьютеры.
Не все пиксели чувствительны к свету, только фотодиодные. Процент пикселей, которые является светочувствительными, называется коэффициентом заполнения. Для некоторых датчиков, таких как CMOD, коэффициент заполнения может быть только от 30 до 40 процентов всей площади фотоэлементов. Остальная часть области на CMOD -датчике состоит из электронных схем, таких как усилители и схемы шумоподавления.
Поскольку светочувствительная площадь мала по сравнению с размером пикселей, общая чувствительность чипа снижается. Для увеличения коэффициента заполнения, производители используют микро-линзы, чтобы направить фотоны, которые поражают не чувствительные участки и остаются незамеченными, на фотодиод.
Электроны генерируются тех пор, пока фотоны воздействуют на датчик в течение продолжительности воздействия или интеграции. Они хранятся в потенциальной яме до окончания облучения. Размер ямы называют полной емкостью, и это определяет, сколько электронов может быть собрано, прежде чем яма заполнится и зарегистрирует в полном объеме. В некоторых датчиках после заполнения одной ямы, электроны могут перекинуться на прилегающие ямы, вызывая блюминг, который виден в качестве вертикальных пиков на ярких звездах. Некоторые камеры имеют антиюлюминговые возможности для сокращения или предотвращения этого явления. Большинство DSLR-камер контролируют блюминг очень хорошо, и это не является проблемой для астрофотографии.
Количество электронов, которое может накапливаться в яме, определяет динамический диапазон сенсора и также диапазон яркости от черного до белого, где камера может записывать детали как в слабых, так и в ярких областях сцены. После коррекции шума датчик с большей емкостью обычно имеет больший динамический диапазон. Датчик с низким уровнем шума помогает улучшить динамический диапазон и улучшает детализацию в слабо освещенных местах.
Не каждый фотон, попадающий на детектор, будет зарегистрирован. Количество, которое будет зарегистрировано, определяется квантовой эффективностью датчика. Квантовая эффективность измеряется в процентах. Если датчик имеет квантовую эффективность в 40 процентов, это означает, что четыре из каждых десяти фотонов, которые попадают на датчик, будут зарегистрированы и преобразованы в электроны. Согласно Roger N. Clarke, квантовый КПД в современных цифровых зеркальных камерах составляет от 20 до 50 процентов, в зависимости от длины волны. Топовые модели астрономических CCD-камер могут иметь квантовую эффективность до 80 процентов и более, хотя это относится к изображениям в градациях серого цвета.
Число электронов, собирающихся в яме, пропорционально числу фотонов, которые зарегистрированы. Электроны в яме затем преобразуется в напряжение. Этот заряд является аналоговым сигналом (непрерывного изменения) и, как правило, очень мал, и должен быть усилен, прежде чем он может быть оцифрован. Выходной усилитель выполняет эту функцию, приводя в соответствие диапазон выходного напряжения датчика к диапазону входного напряжения АЦ преобразователя. АЦ преобразователь преобразует эти данные к виду двоичного числа.
Когда АЦ преобразователь оцифровывает динамический диапазон, он разбивает его в пошаговом режиме. Общее количество шагов задается битной глубиной преобразователя. Большинство камер DSLR работают с 12 битами (4096 шагов) тональной глубины.
Выходной сигнал датчика технически называется аналого-цифрового единицей (ADU) или цифровой номер (DN). Число электронов в ADU определяется коэффициентом усиления системы. Усиление 4 означает, что АЦ преобразователь оцифровывает сигнал так, что каждый ADU соответствует 4 электронам.
Класс экспозиции ISO соответствует классу скорости пленки. Это общая оценка чувствительности к свету. Цифровые датчики камеры имеют только одну чувствительность, но позволяют использовать различные настройки ISO путем изменения коэффициента усиления камеры. Когда усиление в два раза, то число электронов в ADU понижается в 2 раза.
При увеличении ISO в цифровой камере, меньше электронов преобразуются в один ADU. Повышение ISO уменьшает динамический диапазон. При ISO 1600 может быть использовано всего около 1/16 от полной емкости потенциальной ямы датчика. Это может быть полезно для астрономических изображений тусклых предметов, электроны от которых не могут быть собраны другим способом, чтобы заполнить потенциальную яму. Камера только преобразует небольшое количество электронов из этих редких фотонов и сопоставляет этот ограниченный динамический диапазон полной битовой глубине, при этом становится возможной большая дифференциации между шагами. Это также дает больше шагов, чтобы работать с этими слабыми данными, когда они растягиваются позже при обработке, чтобы увеличить контраст и видимость.
Для каждого пикселя в датчике, данные яркости, представленные числом от 0 до 4095 для 12-разрядного АЦ конвертера, вместе с координатами местоположения пикселя, хранятся в файле. Эти данные могут временно сохраняются во встроенной буферной памяти камеры, прежде чем записываются в съемной карте памяти камеры.
Этот файл из чисел реконструируется в образ, когда он отображается на мониторе компьютера, или распечатывается.
Это те цифры, которые производятся в процессе оцифровки, с которыми мы можем работать на наших компьютерах. Цифры представлены в виде битов, а представлении «двоичных цифр». Биты используют основание 2 в двоичной системе счисления, где есть только цифры один и ноль, а не на основе 10, где есть цифры от 0 до 9, с чем мы, как правило, работаем. Компьютеры используют двоичные числа, потому что транзисторы, из которых они сделаны, имеют только два состояния включено и выключено, которые представляются цифрами один и ноль соответственно. Все числа могут быть представлены таким образом. Это то, что делает компьютеры настолько мощными при работе с числами, транзисторы это делают очень быстро.
Пространственная выборка
Светочувствительный элемент в матрице камеры соответствуют один к одному с пикселями в цифровом изображении, когда он поступает на выход. Многие люди также называют такие элементы в матрице камеры общим термином "пиксели". Эти элементы расположены в прямоугольном массиве. В Canon 20D, массив 3504 х 2336 пикселей, что в общей сложности 8,2 миллиона пикселей. Эту сетку можно представить как шахматную доску, где каждый квадрат очень мал. Квадраты настолько малы, что, если смотреть с расстояния они заставляют глаз и мозг думать, что изображение является непрерывным. Если вы увеличите любое цифровое изображение до достаточно большого размера, вы сможете увидеть отдельные пиксели. Когда это происходит, мы называем изображение "нечетким".
Цветное изображение на самом деле состоит из трех отдельных каналов, по одному для красного, зеленого и синего цвета. Из-за способа ощущения цвета глазом и мозгом, все цвета радуги могут быть созданы из этих трех основных цветов.
Хотя цифровая камера может записывать 12 бит или 4096 шагов яркости информации, почти все выходные устройства могут отображать только 8 бит или 256 шагов в цветовой канал. Изначальные 12-битные (2 в 12 степени = 4096) входные данные должны быть преобразованы в 8 битные (2 в 8 степени = 256) данные для вывода.
В приведенном выше примере, номинальный пиксель имеет уровень яркости 252 в красном канале, 231 в зеленом канале, и 217 в канале сигнала синего цвета. Яркость каждого цвета может варьироваться от 0 до 255, при 256 общего количества шагов в каждом цветовом канале, когда он отображается на мониторе компьютера, или для вывода на настольном принтере. Ноль означает чистый черный цвет, а 255 указывает чистый белый.
256 цветов каждый из красного, зеленого и синего может показаться не много, но на самом деле это огромное количество, потому что 256 х 256 х 256 - это более 16 миллионов отдельных цветов.
Тональная выборка
Свет и тона в мире изменяются непрерывным образом. После захода Солнца в ясный день небо на западе варьируется от яркого вблизи горизонта до темно-голубого цвета над головой. Эти оттенки синего цвета постоянно меняться. Они плавно переходят от светлого к темному.
Цифровые камеры при измерении света разрывают его непрерывно изменяющиеся сигналы в дискретные шаги, которые могут быть представлены числами (цифры). Они оцифровывают изображение.
64 шага
32 шага
16 шагов
Благодаря способу, который использует наша визуальная система, если мы разделим непрерывные сигналы в достаточном количестве малых дискретных шагов мы можем обмануть глаз, думая, что это непрерывный сигнал, даже если это не так.
В приведенных выше примерах, мы можем увидеть эффект от различного числа тонов, когда мы переходим от черного цвета к белому. Мы можем четко дифференцировать небольшое количество тонов как прерывистость. Но когда число увеличивается, где-то около 128 шагов, они, кажутся непрерывными для нашего восприятия.
Компьютеры и цифры
Поскольку компьютер является очень мощным инструментом при манипулировании с цифрами, мы можем выполнять различные операции над этими цифрами быстро и легко.
Например, контраст определяется как разница в яркости между соседними пикселями. Для контрастности, должна быть разница, так чтобы один пиксель был ярче, а другой пиксель был темнее. Мы можем очень легко увеличить контрастность, просто добавив количество шагов по яркости для яркого пикселя и вычитания числа шагов из значения яркости темного пикселя.
Цвет в изображении представлен значением яркости пикселя в каждом из трех цветовых каналов - красным, зеленом и синем - которые составляют информацию о цвете. Мы можем так же легко изменить цвет пикселя, или группу пикселей, просто изменив число.
Мы можем выполнять другие трюки, такие как увеличение кажущейся резкости изображения за счет увеличения контрастности краевых границ объектов на изображении с помощью процесса, называемого нерезким маскированием.
Представление изображение в виде числа позволяет нам всецело управлять им. И, поскольку изображение является набором чисел, оно может быть дублировано любое количество раз без потери качества.
Линейные или нелинейные данные
Реакция записи цифрового датчика пропорциональна числу фотонов, которые попадают в него. Реакция является линейной. В отличие от фотопленки, цифровые датчики увеличивают записанный сигнал в два раза, когда в два раза увеличивается число фотонов попавших на датчик. Цифровые датчики также являются взаимозаместимыми, как и большинство фотопленок.
Данные, полученные с помощью датчика CMOS в цифровой зеркальной фотокамере и записанные в сыром файле, являются линейными. Линейные данные, как правило, выглядят очень темными по сравнению с нормальным фотографиями (см. рисунок ниже).
Линейная кривая
Человеческое визуальное восприятие яркости лучше описывается логарифмической кривой, чем линейной кривой. Другие человеческие чувства, такие как слух, и даже вкус, также логарифмические. Это означает, что мы лучше различаем разницу на нижнем конце шкалы восприятия, чем мы на высоком конце. Например, мы можем очень легко отличить по весу один фунт и два фунта, когда мы их поднимем. Но у нас возникают трудности при попытке отличить вес в 100 фунтов и 101 фунтов. Тем не менее, разница же, один фунт.
Логарифмическая кривая
Нормальные фотографии на пленке также записаны в нелинейной манере, которая похожа на способ человеческого восприятия. Вот почему мы можем держать слайд к свету, и это выглядит как разумное представления исходной сцены без каких-либо дополнительных модификаций.
Из-за того, что человеческая визуальная система восприятия не работает в линейном порядке, нелинейный закон должен быть применен при "растяжке" линейных данных из цифровой зеркальной фотокамеры, чтобы тональность фотографий лучше соответствовала нашему визуальному восприятию. Эти нелинейные поправки делаются с помощью программного обеспечения внутри камеры при записи изображения в файл в формате JPEG. Если сырой файл сохраняется в камере, эти нелинейные корректировки делаются в программном обеспечении позже, когда данные открыты в программе обработки изображений.
В примерах изображений, показанных выше, снимок экрана диалога Curves в Photoshop был включен в изображении, чтобы мы могли увидеть сравнение между линейными данными и теми же данными с нелинейной корректировкой. Кривая в темном изображении является линейной, то есть прямая линия. Кривая в светлом изображении показана при растяжке, которая должна быть применена к данным, чтобы сделать их ближе к нашему зрительному восприятию.
Кривая представляет входные и выходные значения яркости пикселей в изображении. Черные в левом нижнем углу, а белые в правом верхнем углу. Серые тона между ними. Когда линия прямая, входной сигнал, который проходит горизонтально вдоль дна, соответствует выходному сигналу, который проходит вертикально вдоль левой стороны.
На вставке показано, что когда прямую тянут вверх, так что ее наклон увеличивается, контрастность этой части кривой и соответствующих тонов в изображении увеличивается. В изображенном выше примере видно, что тон в указанной точке создается намного легче. Все тона в изображении ниже этой точки на кривой, и соответствующих тонов в изображении, растягиваются друг от друга и их контраст увеличился.
Вот почему важно работать с высоко битной глубиной при работе с необработанными изображениями. Из-за сильного натяжения и увеличения контраста, которые необходимы, тоны растягивают. Если у нас есть много тонов и глубина высокого тона позволяет, то их можно гладко перераспределять. Если у нас мало тонов для работы, мы рискуем получить постеризацию и полосы при растяжке данных.