Цифровые камеры

Цифровые камеры

Драйверы для цифровых фотоаппаратов

Цифровая камера (или цифровая камера ) — это камера, которая кодирует цифровые изображения и видео в цифровом виде и сохраняет их для последующего воспроизведения. Большинство камер, продаваемых сегодня, являются цифровыми, и цифровые камеры встроены во многие устройства, начиная от КПК и мобильных телефонов (называемых телефонами с камерой) и заканчивая транспортными средствами.

Цифровые и пленочные камеры используют одну оптическую систему, обычно использующую объектив с регулируемой диафрагмой для фокусировки света на устройстве съемки изображения. Диафрагма и затвор пропускают к формирователю изображения необходимое количество света, как и в случае с пленкой, но устройство съемки изображения является электронным, а не химическим. Однако, в отличие от пленочных камер, цифровые камеры могут отображать изображения на экране сразу после записи, а также сохранять и удалять изображения из памяти. Многие цифровые камеры также могут записывать движущиеся видео со звуком. Некоторые цифровые камеры могут обрезать и сшивать изображения, а также выполнять другие элементарные операции редактирования изображений.

Стивен Эдвардс, инженер компании Eastman Kodak, в 1975 году изобрел и построил первую электронную камеру с датчиком изображения с зарядовой связью. Раньше в ней использовалась трубка камеры; более поздние оцифровали сигнал. Раннее использование было в основном военным и научным; за которыми следуют медицинские и новостные приложения. В середине-конце 1990-х годов цифровые фотоаппараты стали обычным явлением среди потребителей. К середине 2000-х годов цифровые камеры в значительной степени заменили пленочные камеры, а сотовые телефоны более высокого класса имели встроенную цифровую камеру. К началу 2010-х почти все смартфоны имели встроенную цифровую камеру.

Датчики изображения

Двумя основными типами цифровых датчиков изображения являются CCD и CMOS. Датчик CCD имеет один усилитель для всех пикселей, тогда как каждый пиксель в датчике CMOS с активными пикселями имеет свой собственный усилитель. По сравнению с ПЗС-сенсорами КМОП-сенсоры потребляют меньше энергии. Почти все камеры с небольшим сенсором используют датчики CMOS с обратной подсветкой (BSI-CMOS), в то время как камеры с большим сенсором, такие как зеркальные фотокамеры, редко используют датчик BSI-CMOS, поскольку датчик слишком дорогой, а польза от него невелика. При ярком солнечном свете ПЗС-матрица по-прежнему остается лучшей. Общее конечное качество изображения больше зависит от возможностей обработки изображения камерой, а не от типа датчика.

Разрешение цифровой камеры часто ограничивается датчиком изображения, который преобразует свет в дискретные сигналы. Чем ярче изображение в данной точке датчика, тем больше значение, считываемое для этого пикселя. В зависимости от физической структуры датчика может использоваться массив цветных фильтров, который требует демозаики для воссоздания полноцветного изображения. Количество пикселей в сенсоре определяет «количество пикселей» камеры. В типичном датчике количество пикселей является произведением количества строк и количества столбцов. Например, датчик размером 1000 на 1000 пикселей будет иметь 1 000 000 пикселей или 1 мегапиксель.

Методы захвата изображения

Цифровая камера, частично разобранная. Блок объектива (внизу справа) частично снят, но датчик (вверху справа) по-прежнему захватывает изображение, как это видно на ЖК-экране (внизу слева).

С момента появления первых цифровых задников существовало три основных метода захвата изображения, каждый из которых основан на аппаратной конфигурации датчика и цветных фильтров.

В системах однократного захвата используется либо один сенсорный чип с мозаикой фильтра Байера, либо три отдельных датчика изображения (по одному для каждого из основных аддитивных цветов — красного, зеленого и синего), которые подвергаются воздействию одного и того же изображения через светоделитель.

При режиме «Мультикадр» сенсор подвергается воздействию изображения в результате трех или более открытий диафрагмы объектива. Существует несколько способов применения многозарядной техники. Первоначально наиболее распространенным было использование одного датчика изображения с тремя фильтрами, последовательно проходившими перед датчиком для получения аддитивной информации о цвете. Другой метод многократной съемки называется микросканированием. В этом методе используется один сенсорный чип с фильтром Байера и физическое перемещение датчика в плоскости фокусировки объектива для создания изображения с более высоким разрешением, чем исходное разрешение чипа. Третья версия объединила два метода без фильтра Байера на чипе.

Третий метод называется сканированием , поскольку датчик перемещается по фокальной плоскости так же, как датчик сканера изображений. Линейные или трилинейные датчики в сканирующих камерах используют только одну линию фотодатчиков или три линии для трех цветов. Сканирование можно осуществлять путем перемещения датчика (например, при использовании совмещенной выборки цвета) или поворотом всей камеры. Цифровая вращающаяся линейная камера обеспечивает изображения очень высокого общего разрешения.

Выбор метода для того или иного захвата во многом определяется предметом исследования. Обычно нецелесообразно пытаться запечатлеть движущийся объект чем-либо, кроме системы одиночного снимка. Однако более высокая точность цветопередачи, большие размеры файлов и разрешение, доступные при многокадровой съемке и сканировании, делают их привлекательными для коммерческих фотографов, работающих со стационарными объектами и крупноформатными фотографиями.

Усовершенствования в однокадровых камерах и обработке файлов изображений в начале 21 века сделали однокадровые камеры почти полностью доминирующими, даже в коммерческой фотографии высокого класса.

Фильтрация мозаики, интерполяция и наложение псевдонимов

Расположение цветных фильтров Байера на матрице пикселей датчика изображения.

В большинстве современных потребительских цифровых камер используется мозаика фильтров Байера в сочетании с оптическим фильтром сглаживания для уменьшения наложения спектров из-за уменьшения выборки различных изображений основных цветов. Алгоритм демозаики используется для интерполяции информации о цвете для создания полного массива данных изображения RGB.

Камеры, использующие 3CCD-подход с однокадровым светоделителем, многокадровый подход с тремя фильтрами, совмещенную выборку цвета или датчик Foveon X3, не используют фильтры сглаживания или демозаику.

Прошивка камеры или программное обеспечение в программе преобразования необработанных данных, такой как Adobe Camera Raw, интерпретирует необработанные данные с датчика для получения полноцветного изображения, поскольку цветовая модель RGB требует трех значений интенсивности для каждого пикселя: по одному для каждого пикселя. красный, зеленый и синий (при использовании других цветовых моделей также требуется три или более значений на пиксель). Один сенсорный элемент не может одновременно регистрировать эти три интенсивности, поэтому необходимо использовать массив цветовых фильтров (CFA) для выборочной фильтрации определенного цвета для каждого пикселя.

Шаблон фильтра Байера представляет собой повторяющуюся мозаичную структуру светофильтров 2x2, с зелеными в противоположных углах и красным и синим в двух других положениях. Высокая доля зеленого использует свойства зрительной системы человека, которая определяет яркость в основном по зеленому цвету и гораздо более чувствительна к яркости, чем к оттенку или насыщенности. Иногда используется четырехцветный фильтр, часто включающий два разных оттенка зеленого. Это обеспечивает потенциально более точную цветопередачу, но требует немного более сложного процесса интерполяции.

Значения интенсивности цвета, не зафиксированные для каждого пикселя, могут быть интерполированы из значений соседних пикселей, которые представляют вычисляемый цвет.