ЦИФРОВЫЕ ФОТОАППАРАТЫ: СРАВНИТЕЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПРИМЕНЕНИЕ

О.В. Павлушко

Рассмотрены принципы работы и особенности цифровых фотоаппаратов, а также их преимущества и недостатки по отношению к традиционной технике. Приведены основные сравнительные характеристики цифровых фотоаппаратов различных модификаций и области применения цифровой фотографии.

Введение

Сфера применения цифровых фотоаппаратов довольно разнообразна, они широко используются в полиграфии, научных исследованиях, медицине, геологии, криминалистике. В этих и многих других отраслях довольно часто возникает необходимость получения снимков практически мгновенно с последующей обработкой и пересылкой их на большие расстояния через сеть Интернет. Обширный рынок цифровой фототехники и разнообразные характеристики цифровых фотоаппаратов обуславливают необходимость сравнительного анализа научно-технических решений, представленного в настоящей работе.

Основные виды и характеристики цифровых фотокамер

Для получения изображения невысокого качества достаточно разрешения VGA (640x480). Для того, чтобы изображение было четким, прорисовывались мелкие детали, разрешение должно быть не менее XGA (1024х768). На сегодняшний день существуют камеры, разрешение которых достигает 1600х1200 и выше, вполне сравнимое с профессиональными фотоаппаратами. Разрешение определяется числом светочувствительных элементов (пикселов) на поверхности светочувствительного сенсора. На рынке светочувствительных сенсоров на сегодняшний день конкурируют две технологии: на основе ПЗС-матриц (приборов с зарядовой связью) и КМОПкристаллов (комплементарных структур металл-окисел-полупроводник).

Кристаллы КМОП значительно дешевле и проще в изготовлении, к тому же они потребляют существенно меньше энергии, чем ПЗС. Светочувствительная микросхема

– самый дорогой элемент цифрового фотоаппарата. Стоимость КМОП-датчика, сопоставимого по характеристикам с ПЗС-матрицей примерно вдвое ниже стоимости последней. Кроме этого, приборы ПЗС чаще всего выполняют единственную функцию регистрации интенсивности света. В кристаллах КМОП можно реализовать множество дополнительных функций, таких как аналого-цифровое преобразование, фильтрация сигнала, управление балансом белого и параметрами камеры и др. Плотность КМОПэлементов на кристалле и диапазон представления цвета можно повысить без существенного увеличения цены изделия.

КМОП-кристаллы работают с более низкими напряжениями питания, что уменьшает потребляемую мощность и позволяет строить портативные камеры с более высокими тактовыми частотами.

Одним из главных отличий между КМОП и ПЗС-сенсорами является то, что в КМОП-сенсоре АЦП интегрирован в кристалл, а при использовании ПЗС-сенсора он находится на внешнем чипе. Но по этой же причине КМОП-сенсор имеет более высокий уровень шума.

По указанным причинам в ближайшем будущем почти все камеры “начального уровня” будут выполнены на базе КМОП-приборов, а ПЗС будут применяться только в устройствах среднего и высокого класса.

Поскольку обычный сенсор регистрирует только яркость, то обычный цифровой фотоаппарат может воспроизвести только черно-белое изображение. Профессиональные модели выделяют данные о красном, зеленом и синем цветах

183

каждого пиксела при помощи трех отдельных сенсоров, причем изображение предварительно разделяется призмой на три компонента, каждый из которых попадает на свой сенсор. Такая технология позволяет предотвратить наложение цветов (когда границы красного, синего и зеленого цвета сдвинуты на изображении). Однако подобные камеры требуют прецизионной технологии изготовления, а из-за наличия призмы они более массивны и менее надежны. Кроме этого, в них должна использоваться улучшенная оптическая система, так что общая цена такой камеры существенно выше.

Другие виды камер используют какую-либо комбинацию главных цветов на каждом сенсоре и сложные алгоритмы для получения цветного изображения. В полупрофессиональных моделях обычно применяется только однокристальный сенсор, захватывающий только одно значение красного, зеленого или синего цветов для каждого пиксела. После этого камера рассчитывает недостающие значения цветов при использовании цветов в соседних пикселах. Хотя такой подход довольно эффективен, при захвате повторяющихся цветовых узоров могут возникать искажения цветов.

Оптическая система

Помимо характеристик сенсора, важным фактором для качественной работы является оптическая система цифрового фотоаппарата. Она включает в себя высококачественный высокоразрешающий объектив, эффективность вспышки и возможность ручной установки параметров экспозиции.

Более дешевые модели имеют простые объективы и фиксированную или автоматическую фокусировку без возможности ручной настройки. В настоящее время существуют камеры, выполненные на основе зеркального объектива, включающего в себя несколько асферических элементов, что позволяет получить хорошее качество изображения по всей площади кадра, а не только в его центре, даже при крайних положениях диапазона увеличения. Наряду с автоматической фокусировкой у таких камер есть ручная. К моделям рассмотренного класса можно отнести Olympus D-600L, D-620L, Canon Powershot Pro-70, Nikon Coolpix 950, Minolta EX-1500, Kodak DC-260,

Minolta Dimage 5(7), Olympus E−10.

Значимость качества оптической системы для цифрового фотоаппарата не меньшая, чем для обычного фотоаппарата. Размер ПЗС-матрицы составляет примерно 1,5 см по диагонали, в то время как диагональ кадра обычной пленки равна приблизительно 4,3 см. При этом обычный фотоаппарат обеспечивает от 30-ти до 60-ти пар черно-белых линий на миллиметр, в то время как цифровой фотоаппарат может обеспечить до 150-ти пар линий на миллиметр. В результате цифровой фотоаппарат очень чувствителен к условиям освещенности и количеству света, прошедшего через оптическую систему. При всем совершенстве современных технологий обработки данных неправильным было бы думать, что они способны обеспечить высокое качество изображения при неправильной экспозиции или недостаточном освещении.

У цифровой и обычной фотографии много общего, и поэтому многие приспособления могут использоваться как с теми, так и с другими фотоаппаратами. Учитывая вышесказанное, рынок профессиональных цифровых фотокамер изначально ориентировался на полную совместимость принадлежностей, однако оказалось, что эта совместимость дается очень дорогой ценой.

Примером оригинального технического решения является разработанный компанией Silicon Film миниатюрный модуль цифровой камеры в виде специальной вставки для 35-мм пленочных камер, которая позволяет перейти на цифровую фотографию, сохранив при этом возможность применения всех своих объективов и функциональность фотоаппарата. Устройство обеспечивает разрешение 1280х1024 и

совместимо с камерами Canon EOS 1N, Canon EOS A2/5, Nikon F-5, Nikon N-90/F90 и

184

Nikon F-3. Конструктивно устройство выполнено как катушка с пленкой. Для съемки цифровых фотографий достаточно вынуть из камеры пленку и установить вместо нее модуль EFS-1 Film. Устройство позволяет сделать 24 снимка, после чего при помощи специального переходника миниатюрную камеру можно подключить к компьютеру для переноса изображений и последующей их обработки. Устройство значительно повышает возможности при фотосъемке, совмещая функциональность зеркального фотоаппарата и цифровой камеры.

В качестве другого примера отметим объектив камеры для научных исследований типа FujiFilm FinePix 4700, характеристики которого очень близки к характеристикам глаза, что позволяет выполнять съемку прямо через окуляр микроскопа, причем изображение занимает почти всю площадь кадра. Обычно приходится подбирать для объектива камеры специфический "окуляр", в рассматриваемом случае можно просто поместить камеру на место глаза наблюдателя и выполнить съемку.

Специфика цифровой технологии подразумевает использование более короткофокусных объективов, и отказ от совместимости позволил создать ряд дешевых моделей, не уступающих по качеству дорогим. Но при этом обнаружилось полное отсутствие каких бы то ни было аксессуаров к этим камерам. Финансовая ситуация, на наш взгляд, сегодня такова. Существует ряд профессиональных камер в ценовом диапазоне от 6000 до 50000 USD, с которыми может использоваться стандартное фотографическое оборудование, а суммарная стоимость доступного ассортимента для каждой из этих камер может составлять сотни тысяч USD. При этом существуют камеры ценой менее 2000 USD, имеющие почти такое же качество изображения, но при отсутствии специальных принадлежностей к ним.

Емкость памяти

Изображения содержат большой объем информации, поэтому особенно важное значение имеют электронные средства записи и архивирования изображений, т.е. “электронная память”.

Существуют несколько стандартов, которые используются в цифровых фотокамерах. Это стандарт PCMCIA Type I, II, III, хорошо знакомый владельцам ноутбуков, и стандарты CompactFlash и SmartMedia. Практически во всех полупрофессиональных и любительских камерах в настоящее время используется стандарты CompactFlash и SmartMedia.

Максимальный объем SmartMedia-карточки достигает 256 Mb, хотя наиболее часто используются 32 и 64 Mb. Последняя разработанная CompactFlash-карточка имеет 120 Mb памяти, и максимальный объем постоянно растет.

Выбирая фотоаппарат, необходимо помнить о том, как удобнее будет считывать информацию с карточки. Например, владельцам ноутбуков имеет смысл использовать PCMCIA или CompactFlash (тогда для считывания нужен адаптер). Владельцам обычных персональных компьютеров больше подойдет SmartMedia. При этом требуется обычное устройство считывания с гибких дисков, при помощи которого можно считывать информацию. Существует ряд приспособлений, позволяющих использовать носители PCMCIA или CompactFlash с персональными компьютерами.

Наличие ЖК монитора

Практически все фотокамеры в настоящее время имеют ЖК монитор, поскольку он дает возможность быстрого просмотра отснятого материала, выбор наиболее удачных снимков и удаление лишних, т.е. обеспечивает основные преимущества цифровой фотографии. Во многих случаях ЖК монитор имеет совмещенную функцию видоискателя. Но нужно учитывать, что при работе с монитором используется большое количество энергии.

185

Поскольку на ЖК-панелях отображаются изображения, сохраненные в камере, более предпочтительными считаются большие ЖК-панели. Во многих камерах сохраненные изображения отображаются в виде групп уменьшенных набросков. Например, на 1,8-дюймовой (4,6 см) ЖК-панели Olympus D400 Zoom (размеры панели измеряются по диагонали) размещаются до 16-ти набросков. Для экономии времени работы батарей без перезаряда предусмотрена функция отключения ЖК-панели при съемке.

Светочувствительность

Чувствительность сенсоров цифровых камер обычно представляется как эквивалент чувствительности согласно стандарту ISO определенной пленки. Для камер полупрофессионального класса типично наличие возможности изменения чувствительности ISO от 100 до 400. В моделях с изменяемой чувствительностью, например, DC4800Kodak, при недостаточном освещении сигнал сенсора усиливается, но это может приводить к нежелательному усилению электронного шума сенсора. В настоящее время не существует стандартов в определении эквивалентных значений чувствительности ISO для сенсоров ПЗС. По этой причине, например, компания Casio не приводит эквивалент ISO для своей камеры QV-7000SX.

Увеличение

Оптическое увеличение изменяет размер изображения, сфокусированного на светочувствительной матрице. Менее качественное цифровое увеличение просто увеличивает изображение на основе математических преобразований масштаба и добавления пикселов. У большинства моделей цифровое увеличение функционирует только при съемке с разрешением 640х480 пикселов. Часто в качестве параметра увеличения указывают результат сочетания оптического и цифрового увеличения. Современные модели фотокамер обеспечивают шестикратное оптическое и двукратное цифровое увеличение.

Форматы данных и архивирование изображений

Основными форматами представления цифровых фотографий являются TIFF (Tagged Image File Format) и JPEG (Joint Photographers Expert Group). Первый из них первоначально был разработан для платформы Macintosh и затем дорабатывался и улучшался. Формат TIFF имеет ряд преимуществ, в частности, он поддерживает 32битную разрядность для цветового CMYK формата, что может быть полезно, например, при прямой печати данных с экрана монитора на принтере.

Формат JPEG совмещает две особенности – полный диапазон оттенков и низкий объем памяти, необходимой для хранения изображения (связанный однако с небольшой потерей качества). Сохранение цифровой фотографии в JPEG требует меньшего объема памяти, чем TIFF формат. Происходит это благодаря тому, что JPEG формат при компрессии распознает некоторые данные как неважные и отбрасывает их при сжатии, причем степень сжатия можно контролировать. Формат JPEG становится все более распространенным из-за удобства его использования при работе в информационной сети.

Удобство работы с цифровым изображением определяется скоростью передачи изображения из фотоаппарата в компьютер. Первоначально фотоаппарат напрямую подключался к компьютеру через последовательный порт RS-232, при этом передача данных (порядка 1 Мб) занимала около 15 мин. В настоящее время существует ряд других способов считывания данных со Smart Card напрямую. Основными устройствами считывания являются PCMCIA–адаптер (MA-2E), который позволяет быстро и удобно считывать данные с карты портативным компьютером; USB–адаптер

186