Реферат: Цифровые фотоаппараты, как средство съема визуально - оптической информации

преобразователи

После прохождения оптики световой поток попадает на регист­рирующий элемент - электронно-оптический преобразователь(ЭОП). Как уже упоминалось, в основном в этих целях исполь­зуются матрицы ПЗС - приборов с зарядовой связью. Несмотря на то что ЭОП на КМОП-элементах в последнее время появля­ются даже на профессиональных моделях, подавляющее боль­шинство любительских фотоаппаратов оснащены именно П3С­матрицами. Рассмотрим подробнее конструкцию этих устройств.

Общие принципы

Для того чтобы досконально понять, каким образом свет преобра­зовывается в электрический заряд, необходимо вспомнить раздел «Полупроводниковые приборы» школьного курса физики, точ­нее -р-n-переход. Однако тема эта слишком объемна, чтобы рас­сматривать ее в рамках данной работы. Вкратце принцип устрой­ства и функционирования П3С-матриц сводится к следующему.

В кремниевой подложке р-типа создаются каналы из полупро­водника n-типа. Сверку наносится изолирующий слой окиси кремния. Над каналами размещаются электроды из поликрис­таллического кремния. При подаче электрического потенциала на электрод в обедненной зоне под каналом n-типа образуется так называемая потенциальная яма, которая способна хранить электроны. После попадания фотона на поверхность n-канала

последний генерирует электрон, который хранится в потенци­альной яме. Чем больше фотонов попадает на поверхность, тем выше накапливаемый заряд. Чем больше электронов может на­копить потенциальная яма, тем больший диапазон освещеннос­ти можно зафиксировать, и от этого, в конечном итоге, зависим динамический диапазон (о нем более подробно будет рассказано ниже). Все, что требуется сделать, - считать значение этого за­ряда и усилить его.

Рис 3.1. Элемент ПЗС – матриц.

Для считывания заряда используются устройства, называемые регистрами сдвига, преобразующие строку зарядов на входе в последовательность импульсов на выходе. Полученный сигнал затем поступает на усилитель. Таким устройством можно счи­тать значение строки ПЗС-элементов.

В нашем же случае требуется определить заряд каждого из эле­ментов матрицы. При этом используется способность ПЗС к пе­ремещению потенциальной ямы. Для этого достаточно подать больший потенциал на соседний электрод, под который должна переместиться потенциальная яма. При этом яма из-под сосед­него электрода, в свою очередь, смещается под слёдующий элек­трод и так далее до регистра сдвига. Таким образом, необходимо согласовать по времени импульсы, подаваемые на электроды, а также работу регистров сдвига.

Поэтому используются два дополнительных устройства: во-пер­вых, управляющая

микросхема, обеспечивающая подачу импуль­сов на электроды матрицы, и во-

вторых, тактовый генератор.

Одним из первых типов ЭОП были полнокадровые ПЗС-матрицы. После

того как отработал затвор фотоаппарата и все пикселы накопили заряд,

эквивалентный световому потоку, упавшему на них, происходит процесс

считывания зарядов.

Рис. 3.2. Полнокадровая матрица.

4 Устройства хранения информации

Итак, световой поток пропел через оптическую подсистему, попав на электронно-оптический преобразователь. Полученное аналоговое изображение посредством преобразователей стало цифровым. Как было сказано ранее, подавляющее большинство фотоаппаратов использует схему с чередованием элементов, ко­торая требует дополнительной обработки встроенным программ­ным обеспечением для получения полноценного кадра. Также требуется обработка изображения с целью его сжатия (об этом будет рассказано далее). Кроме того, скорость считывания кадра с ПЗС-матрицы значительно выше скорости записи на устрой­ство долговременного хранения информации, какого бы типа оно ни было. Для промежуточного хранения и обработки изображе­ния используется буферная память.

4.1Буферная память

Этот тип памяти аналогичен ОЗУ, используемому в персональ­ных компьютерах. Основное отличие в том, что при выборе тек или иных микросхем основное внимание уделяется не столько быстродействию (хотя и оно немаловажно), сколько надежнос­ти и малому энергопотреблению. До недавнего времени размеры буфера были сравнительно невелики, пока кому-то из произво­дителей не пришла в голову мысль увеличить объем этой памяти. При этом в буфер может помещаться и обрабатываться не один, а несколько кадров. Таким образом, значительно сокращается интервал, необходимый для подготовки камеры к следующейсъемке, практически время затрачивается только на зарядку вспышки. Если не использовать вспышку, то становится доступ­ным режим непрерывной сьемхи, когда камера делает несколько (до 10) кадров с высокой скоростью (до 3 кадров в секунду) и помещает их в буфер, где они обрабатываются и потом записы­ваются в долговременную память. Если АЦП матрицы обеспе­чивает высокую пропускную способность, то возможен режим видеосъемки - затвор при этом остается открытым на все время съемки. Характеристики получаемого видеоролика в основном такие: разрешение 320х240, частота 15 кадров в секунду, продол­жительность до 30 секунд.

После того как программное обеспечение камеры создало на ос­нове данных с ПЗС-матрицы полноцветное изображение, возни­кает задача его сохранения. Графические файлы очень велики и поэтому требуется их дополнительная обработка - сжатие. При этом используется алгоритм JPEG (Joint PhotographicExperts Group). Суть этого алгоритма сводится к трем основным шагам. На первом шаге кодировка RGB, основанная на представлении каждого цвета сочетанием красного, синего и зеленого оттенков, заменяется на кодировку YUV. В этом формате компонент У отве­чает за яркость, а U и V - за цветовой оттенок. Подобная схема применяется в телевещании - как уже было сказано, человечес­кий глаз больше реагирует на яркостные характеристики изоб­ражения, чем на цветовые.

На втором шаге следует разбиение изображения на отдельные участки размером 8х8 пикселов, затем над каждым участком про­изводится математическая операция - дискретное косинус-пре­образование. В результате изображение представляется в виде гармонических колебаний разной частоты и амплитуды.

А на третьем шаге происходит то, из-за чего компрессия JРЕС называется сжатием с потерями качества» - частотно-ампли­тудные характеристики каждого блока анализируются с учетом повторяемости цветов в изображении и особенностей человеческо­го зрения, в частности меньшей чувствительности глаза к верх­ней части спектра. При этом удается исключить до половины яркостной информации и до 3/4 цветовой. Естественно, что даже при минимальном сжатии, когда человеческий глаз не в состоянии отличить изображение в формате JPEG от оригинала, восстано­вить изображение с точностью до пиксела невозможно (а, в общем­то, и не нужно). Чем выше коэффициент сжатия, тем большее количество яркостных и цветовых характеристик исключается, тем меньше получаемый файл и тем больше шансов обнаружить при просмотре визуальные искажения (артефакты) JPEG. Эти искажения проявляются в виде размытая контрастных границ, проявления блочной структуры кадра и других нежелательных явлений.

В качестве альтернативы формату JPEG в некоторых камерах используется так называемый формат RAW когда в долговре­менную память записывается отпечаток» ПЗС-матрицы. При этом размер изображения в десятки раз больше кадра JPEG, и для его просмотра требуется специальная программа, поставля­емая фирмой-производителем камеры. Не всегда эти програм­мы обладают достаточным количеством операций по обработке изображения, иногда у них неудобный интерфейс. Данные об­стоятельства привели к появлению у фотокамер функции записи в формате TIFF. Он тоже позволяет производить сжатие кадра, но в отличие от JPEG потери информации при этом не происхо­дит. Но даже с минимальным сжатием файл JPEG в несколько раз меньше файла TIFF.

4.2Устройства долговременного хранения

К устройствам долговременного хранения предъявляется ряд жестких требований. Во-первых, необходима возможность про­должительного хранения без источников питания. Во-вторых, требуется минимальное энергопотребление при операциях запи­си/считывания/стирания. В-третьих, время записи/считыва­ния/стирания должно быть как можно меньше. В-четвертых, габариты должны быть минимальными. И наконец, самое глав­ное - устройство обязано быть стопроцентно надежным. Пере­численным требованиям в наиболее полной мере удовлетворяют конструкции, использующие так называемую флэш-память.

Флэш - память