Тема 5.5. Общие сведения об устройстве цифровых фотокамер
В последних двух темах были рассмотрены устройства ввода графических изображений – сканеры, однако, в последнее время более популярным становится ввод изображений с использованием цифровых фото- и видеокамер. В роли оригинала в этом случае выступают реальные объекты окружающего мира, поскольку эти устройства предназначены для фото- и видеосъемки. В цифровых видео- и фотокамерах нет возможности считывать изображения построчно, как в сканерах. Кадр должен быть оцифрован мгновенно и целиком, поэтому в них применяются сенсоры другой конструкции. Они представляют собой прямоугольные матрицы, в которых число ячеек по горизонтали и вертикали соответствует размеру получаемого изображения. Так, для получения снимков размером 3072×2048 пикселей в цифровой камере применяется матрица с эффективным разрешением 6.3 млн пикселей, при этом размер светочувствительной матрицы 22.7×15.1 мм.
Необходимо учитывать, что количество заявленных в параметрах цифровой камеры пикселей разрешения не всегда соответствует реальному разрешению получаемого снимка. Это связано с тем, что в матрице часть пикселей идет на получение информации о фоновом излучении (шуме), который потом вычитается из величины зарядов, сформированных для получения снимка. Поэтому, например, матрица 3.3 Мр (в дальнейшем будем использовать обозначение Mp – Мегапиксель) имеет только 3.1 эффективных Мр.
Специфика устройства и использования цифровых фотокамер определяет некоторые особенности восприятия уже известных характеристик цифровых устройств применительно к ним. Так, разрешение камеры оценивается уже не в пикселях на дюйм (ppi), а указывается общее количество пикселей в получаемом цифровом изображении.
Современные цифровые фотокамеры практически не уступают по разрешению и глубине цвета наиболее массовым планшетным сканерам. Например, считывание планшетным сканером фотоснимка размером 10×15 см с разрешением 600 ppi формирует цифровое изображение из 8.4 миллионов пикселей (Mp). Текстовый документ формата А4, отсканированный с разрешением 300 ppi, представляется в компьютере изображением, состоящим из 8.7 Mp. Пленочный слайд-сканер при 2700 ppi позволяет получить с 35-миллиметрового кадра цифровую картинку из 9.8 Mp, а большинство современных любительских цифровых фотокамер на сегодняшний день используют матрицы от 5 до 8 Mp.
Матрицы фотокамер снабжены блоком светофильтров, в котором в шахматном порядке чередуются красный, зеленый, синий и снова зеленый цвета, как показано на рис. 5.5.1 (два зеленых фильтра применены исходя из того, что глаз человека наиболее чувствителен к этой части спектра). После снятия с сенсора цифровых данных недостающие цвета для каждого пикселя рассчитываются математически, при этом четкость и степень детализации изображения несколько ухудшаются.
Рисунок 5.5.1.
Таким образом, можно отметить, что принцип оцифровки изображений цифровыми фото- и видеокамерами аналогичен принципу, заложенному в работу планшетного сканера, за исключением отсутствия механизма перемещения оптикоэлектронного преобразователя и особой конструкции светочувствительной матрицы, объединяющей все те же CCD-элементы.
Существуют и альтернативные решения по устройству оптикоэлектронного преобразователя цифровых фотокамер. Так, например, в матрице Foveon ХЗ (разработана компанией Foveon) каждая ячейка воспринимает все три основных цвета. Глубина проникновения света в светочувствительный элемент зависит от длины волны. Основанные на этом явлении светочувствительные ячейки состоят из трех слоев, в которых электрический ток возникает под действием красного, зеленого и синего света.
Существуют решения, в которых оптикоэлектронный преобразователь оснащается тремя CCD-матрицами, каждая из которых обрабатывает один базовый цвет. Такие камеры относятся к профессиональным и отличаются более высоким качеством изображения, чем у камер с одной матрицей. С другой стороны, их конструкция сложнее и стоимость заметно дороже.