Матрица фотоаппарата: типы, размер, разрешение, светочувствительность, уход

Фиксация изображения в цифровой фотокамере

Главное отличие пленочного фотоаппарата от цифрового заключается в способе фиксации света, прошедшего через объектив. Там, где в традиционных пленочных фотоаппаратах располагается пленка, у цифровой камеры находится электронная матрица со светочувствительными элементами. Именно на поверхности электронно-оптического преобразователя (матрицы) создается изображение, которое затем превращается в электрические сигналы, обрабатываемые процессором камеры. От матрицы цифрового фотоаппарата напрямую зависит не только качество получаемых фотографий, но и стоимость самой камеры. Что же собой представляет светочувствительная матрица и каким образом создается цветное изображение в цифровом фотоаппарате?

 Матрица: типы и принцип работы

Светочувствительная матрица является ключевым элементом любой современной цифровой камеры. Ее можно назвать «сердцем» цифрового фотоаппарата. Если же сравнивать камеру с человеческим глазом, то матрица – это сетчатка цифрового аппарата, на которой оптический сигнал преобразуется в цифровое изображение. Матрица или сенсор представляет собой сложно структурированную пластинку из полупроводникового материала. На этой микросхеме имеется упорядоченный массив светочувствительных элементов. Миллионы таких светочувствительных элементов или пикселов изолированы друг от друга и формируют только одну точку изображения. Нужно отметить, что, несмотря на высокую точность в изготовлении матриц цифровых фотоаппаратов, каждый сенсор по своему уникален и потому двух совершенно одинаковых камер по своему характеру не существует.

Основная задача матрицы фотоаппарата заключается в том, чтобы обеспечить преобразование оптического изображения в электрическое. При спуске затвора фотоаппарата на миллионы крошечных ячеек попадает свет, на них накапливается заряд, который, естественно, разнится в зависимости от количества света, попавшего на данную ячейку матрицы. Эти заряды передаются на электрическую схему, которая призвана усилить их и преобразовать в цифровой вид. Усиление сигнала выполняется в соответствии с настройками чувствительности ISO, выбираемых камерой автоматически или самостоятельно устанавливаемых пользователем. Чем больше выбираемая чувствительность ISO отличается от реальной светочувствительности матрицы, тем сильнее сигнал. Но усиление сигнала может негативно сказаться на итоговом изображении – появляется так называемый «шум» в виде случайных помех.

Матрица фотокамеры Nikon D40

На сегодняшний день при производстве светочувствительных матриц для цифровых фотоаппаратов используются, главным образом, две технологии – CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) и CCD (Charge Coupled Device). В русском переводе эти два типа сенсоров известны как КМОП и ПЗС-матрицы.

КМОП-матрицы изготавливаются из комплементарных металлооксидных полупроводниковых материалов. Их ключевая особенность состоит в том, что они умеют считывать и усиливать световой сигнал с любой точки своей поверхности. КМОП-матрица может преобразовывать заряд в напряжение сразу в пикселе. Эта особенность позволяет значительно повысить скорость работы фотоаппарата при обработке информации с матрицы.

Кроме того, подобная технология дает возможность интегрировать матрицы непосредственно с аналогово-цифровым преобразователем (АЦП), что обеспечивает удешевление цифрового фотоаппарата за счет некоторого упрощения его конструкции. Плюс ко всему, КМОП-матрицы отличаются более низким энергопотреблением. Однако у них есть существенный недостаток – для того, чтобы повысить светочувствительность матрицы и улучшить, тем самым, качество изображения производителям приходится существенно увеличивать физические размеры сенсора.

ПЗС-матрицы получили большое распространение в современных цифровых фотоаппаратах любительского и профессионального уровня даже несмотря на то, что они отличаются чуть большей трудоемкостью в производстве. Принцип работы такой матрицы основывается на построчном перемещении накопленных электрических зарядов.  В процессе считывания заряда осуществляется перенос зарядов к краю матрицы и в сторону усилителя, который далее передает усиленный сигнал в аналогово-цифровой преобразователь (АЦП). Поскольку информация из ячеек считывается последовательно, то сделать следующий снимок можно только после того, как предыдущее изображение сформировано целиком. В то же время преимуществом ПЗС-матриц являются их сравнительно небольшие размеры.

ПЗС-матрицы, используемые в современных цифровых фотоаппаратах, по своей конструкции делятся на полнокадровые, с буферизацией кадра, буферизацией столбцов, с прогрессивной разверткой, чересстрочной разверткой и с обратной засветкой. Например, в чересстрочных ПЗС каждый пиксель обладает как приемником света, так и областью для накапливания заряда. В свою очередь, в полнокадровых матрицах весь пиксель выполняет функцию приема светового потока, а каналы передачи заряда спрятаны под пиксель.

Довольно долгое время считалось, что ПЗС-матрицы обладают большей светочувствительностью, более широким динамическим диапазоном и лучшей устойчивостью к шумам, по сравнению с КМОП-сенсорами. Поэтому цифровые фотоаппараты с ПЗС-матрицами использовались там, где требуется обеспечить высокое качество изображения, а камерам с КМОМ-сенсорами отводилась роль недорогих любительских устройств. Однако за последние годы производителям вследствие улучшения качества кремниевых пластин и схемы усилителя удалось существенно повысить характеристики КМОП-матриц. И теперь по качеству изображения камеры на основе КМОП-матриц практически ни в чем не уступают фотоаппаратам, в которых используются ПЗС-сенсоры.

Новейшие КМОП-сенсоры способны гарантировать профессиональное качество снимков. А потому с точки зрения качества фотоизображения, собственно, тип матрицы уже мало о чем говорит, гораздо более важным фактором являются конкретные характеристики данного сенсора — его физические размеры, разрешающая способность, светочувствительность, соотношение сигнал — шум.

Как мы уже выяснили, матрица цифрового фотоаппарата состоит из огромного количества светочувствительных полупроводниковых элементов прямоугольной формы, называемых пикселями. Каждый такой пиксель собирает электроны, возникающие в нем под действием фотонов, пришедших от источника света. Но как же происходит процесс формирования изображения матрицей фотоаппарата?

В упрощенном виде об этом можно рассказать на примере ПЗС-матрицы. Во время экспозиции кадра, регулируемой с помощью затвора фотоаппарата, каждый пиксель постепенно заполняется электронами пропорционально тому количеству света, которое попало на него. Далее затвор фотоаппарата закрывается, и столбцы с накопленными в пикселях электронами начинают сдвигаться к краю сенсора, где размещается аналогичный измерительный столбец.

В этом столбце заряды сдвигаются уже в перпендикулярном направлении и, в конечном счете, попадают на измерительный элемент. В нем создаются  микротоки, пропорциональныепопавшим на него зарядам. Благодаря такой схеме становится возможным определить не только значение накопленного заряда, но и какому пикселю на матрице, то есть номер строки и номер столбца, он соответствует. На основе этого строится картинка, соответствующая сфокусированному на поверхности светочувствительной матрицы изображению. В матрицах, построенных по технологии КМОП, заряд преобразуется в напряжение прямо в пикселе, после чего он может быть считан электрической схемой фотоаппарата.

Формирование цветного изображения

Сенсоры цифровых фотоаппаратов способны реагировать только на силу попадающего на них света. То есть они могут определять исключительно градации интенсивности света — от полностью белого до полностью черного. Чем больше фотонов попало на пиксель, тем, соответственно, выше яркость света. Но как в таком случае цифровой фотоаппарат распознает цветовые оттенки? В традиционных пленочных фотокамерах используется негативная пленка, состоящая из трех слоев, которые позволяет пленке сохранять различные цветовые оттенки света. В цифровых же камерах реализуются иные технические решения для формирования цветного изображения.

Для того, чтобы сенсор цифрового фотоаппарата мог различать цветовые оттенки, над его поверхностью устанавливают блок микроскопических светофильтров. Если в матрице используются микролинзы, служащие для дополнительной фокусировки света на пикселях с целью повышения их чувствительности, то фильтры размещаются между каждой микролинзой и ячейкой.

Как хорошо известно, любой цвет в спектре можно получить путем смешения всего нескольких основных цветов (красного, зеленого и синего). Распределение светофильтров по поверхности сенсора для формирования цветного изображения может быть разным, в зависимости от выбранного алгоритма. В большинстве цифровых фотоаппаратов сегодня применяется цветовая модель Байера (Bayerpattern).

В рамках этой системы цветовые фильтры над поверхностью матрицы располагаются вперемежку между собой, в шахматном порядке. Причем количество зеленых фильтров в два раза больше, чем красных или синих, поскольку человеческий глаз более чувствителен к зеленой части светового спектра. В результате, получается так, что красные и синие фильтры располагаются между зелеными. Шахматный порядок в расположении фильтров необходим для того, чтобы одинаковые по цвету изображения получались вне зависимости от того, как пользователь держит фотокамеру – вертикально или горизонтально.

Цветовая модель Байера (ист. www.figurative.ru)

Таким образом, цвет каждого пикселя определяется прикрывающим его светофильтром. В получении информации о цвете участвуют все экспонированные элементы ячейки. Само же цветное изображение строится электроникой камеры уже после того, как снимаемый с ячеек сенсора камеры электрический сигнал преобразуется в цифровой код аналого-цифровым преобразователем (АЦП). Впрочем, КМОП-сенсоры могут и самостоятельно обрабатывать цветовую составляющую сигнала.

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП)

Как мы уже поняли, работа светочувствительной матрицы тесно связана с аналого-цифровым преобразователем камеры (АЦП). После того, как каждый из миллиона светочувствительных элементов матрицы преобразует энергию падающего на него света в электрический заряд, этот накопленный заряд усиливается до необходимого уровня для последующей его обработки аналого-цифровым преобразователем.

Аналогово-цифровой преобразователь – это устройство, отвечающее за преобразование входного аналогового сигнала в цифровой сигнал.  АЦП переводит аналоговые величины полученного каждым светочувствительным элементом электрического заряда в цифровые величины, которые далее автоматика камеры, в частности, встроенный микропроцессор, получает уже в двоичном коде.

Главной характеристикой АЦП является его разрядность, то есть количество дискретных уровней сигнала, которые кодируются преобразователем. К примеру, одноразрядный аналогово-цифровой преобразователь может классифицировать сигналы светочувствительных  датчиков только как черные (0) или белые (1). А восьмиразрядный АЦП способен построить уже 256 различных значений яркости для каждого датчика. В современных моделях цифровых фотоаппаратов с сенсорами большого размера используются 12-, 14- либо 16-разрядные аналого-цифровые преобразователи. Высокая разрядность установленного в камере АЦП может свидетельствовать о том, что данный цифровой фотоаппарат способен создавать изображения с широким тональным и динамическим диапазонами.

После того, как АЦП выполнит преобразование аналоговых напряжений, полученных с датчиков, в двоичную кодированную метку, состоящую из нулей и единиц, он передает эти оцифрованные данные нацифровой процессор сигналов камеры. В процессоре эти данные уже преобразуются в цветную картинку в соответствии с внесенными производителем алгоритмами, включающими в себя, в частности, определение координат точек изображения и присвоения им определенного цветового оттенка. При построении цветового изображения встроенная электроника камеры обеспечивает регулировку яркости, контрастности и насыщенности картинки. Также она убирает с него различные помехи и «шумы».

Безусловно, сенсор и связанный с ним аналого-цифровой преобразователь – это не единственные составляющие цифровой камеры, которые определяют ее качество. Оптика, электроника и другие элементы также очень важны для обеспечения высокого качества создаваемых фотоизображений. Тем не менее, уровень современного цифрового фотоаппарата принято определять именно исходя из технического совершенства установленной в нем светочувствительной матрицы. Более того, развитие фототехники в целом сегодня во многом определяется скоростью разработки все более совершенных сенсоров.

  Источник: Фотокомок.ру – тесты и обзоры фотоаппаратов (при цитировании или копировании активная ссылка обязательна)

Может ли лазерный луч прожечь дырку в матрице фотоаппарата

Это бред, утверждают одни фотографы. Ничего подобного, заявляют другие, предъявляя фотографии и видео, на которых видны вертикальные и горизонтальные белые полосы.

Если покопаться в интернете, вы найдете десятки историй от фотографов, которые снимали (в основном видео) на цифровые зеркальные фотоаппараты в клубах, на дискотеках и концертах, где активно использовалось лазерное оборудование.

Все шло хорошо до тех пор, пока лазерный луч не попадал в объектив таким образом, что портил матрицу. Окончательно и бесповоротно. После этого оставался только один вариант — ее замена. А это очень дорого. В официальных сервисах за новую матрицу и работу с вас возьмут не меньше половины стоимости самой камеры, которая и так стоит от 100К и выше. Или даже больше.

На данные виды поломок гарантия не распространяется.

В инструкции к фотоаппарату вы найдете только упоминание об опасности съемки яркого солнца на длинной выдержке и в ручном режиме. Однако там нет ни слова про лазерные лучи.

Недавно один блогер сфотографировал на выставке новый беспилотный автомобиль Aeye. А вечером, просматривая кадры, увидел, что матрица повреждена: появились белые полосы. Они возникли именно после съемки беспилотника. Предположительно, виновата система лидаров — активных дальномеров, которые с помощью лазерных лучей сканируют окружающее пространство.

В то же время вы можете найти в интернете и противоположное мнение. Люди пишут, что годами снимают в клубах и на вечеринках. Лазерные лучи не раз попадали на камеру, и никаких проблем.

Матрица от лазеров портится по-разному. Обычно появляются вертикальные или горизонтальные белые линии. Иногда выбиваются отдельные пиксели.

Если вы только фотографируете там, где есть установки с лазерными лучами, риск повреждения матрицы близок к нулю. Лазерный луч постоянно перемещается, а матрица фотоаппарата открывается на очень короткое время. Если же снимать видео, риск повышается многократно, так как матрица постоянно открыта. Но все равно испортить ее не так-то просто. Для этого лазерный луч должен попасть на матрицу в сфокусированном виде.

В местах массового скопления людей можно применять только сертифицированные лазерные установки 1 или 2 класса опасности (у них невысокая мощность). Кроме того, лазерные лучи специально расфокусируют и пускают выше уровня глаз посетителей и зрителей. Если все сделано по уму, проблем быть не должно.

Если же используется непонятно кем произведенное лазерное оборудование или его неправильно настраивают, все может кончится печально не только для фототехники.

В июле 2008 года во Владимирской области прошел фестиваль техномузыки с демонстрацией лазерного шоу. После него к врачам обратилось как минимум два десятка зрителей. Предварительные диагнозы — сосудистые кровоизлияния в сетчатку одного или обоих глаз, подозрение на фотоожог сетчатки, травматический ожог глаза. Выяснилось, что лазерная установка периодически направлялась на зрителей.
При прямом попадании лазерного пучка в глаз возникают ожог сетчатки, ее разрыв. Могут быть поражены роговица, радужная оболочка, хрусталик, кожа век. Поражение, как правило, носит необратимый характер.

На одном из форумов встречается мнение, что появление белых точек и полос носит временный характер и связано с тем, что электроны покидают некоторые области. К сожалению, сколько времени матрица будет восстанавливаться, сказать сложно. Нагрев может ускорить этот процесс. Но полной гарантии нет. Впрочем, нет и сообщений от тех, у кого фотоаппараты чудесным образом исцелялись.

А где же ответ на вопрос, скажете вы? Отвечаем: лазеры, которые используют в клубах и на концертах не могут прожечь дырку в матрице. Промышленные, научные и военные могут. Но они вместе с матрице сделают дырку не только в фотоаппарате, но и в его владельце.

Можно ли испортить матрицу лазерным лучом? Можно. Вероятность невысокая, но она есть. Поэтому нужно думать, стоит ли идти на риск, снимая в помещении с лазерными лучами. Возможно, в таких фотоаппаратах матрица недостаточно качественная. Сказать сложно.

Есть ли опасность для глаз? Если на мероприятии все правильно организовано и используются безопасные лазеры, все будет хорошо. Концертное лазерное оборудование обычно базируется на лазерах зеленого цвета мощностью не более 60 мВт. При попадании такого луча на сетчатку глаза вреда не будет. Луч специально фокусируют на далекое расстояние, чтобы сфокусированный луч не попал на сетчатку глаза.


Матрица цифрового фотоаппарата. Принцип работы.

Продолжаю начатый в предыдущей публикации разговор об устройстве цифрового фотоаппарата.

Одним из главных элементов цифрового фотоаппарата, отличающих его от фотоаппаратов пленочных является светочувствительный элемент, так называемый ЭОП или светочувствительная матрица цифрового фотоаппарата. О матрицах фотоаппаратов уже говорилось ранее, теперь же рассмотрим несколько подробнее устройство и принцип работы матрицы, хотя и достаточно поверхностно, чтобы не слишком утомлять читателя.

В настоящее время большинство цифровых фотоаппаратов оснащены ПЗС-матрицами.

Рассмотрим в общих чертах устройство ПЗС- матрицы

.

 

 

Полупроводники, как известно, делятся на полупроводники n-типа и p-типа. В полупроводнике n-типа имеется избыток свободных электронов, а в полупроводнике p-типа избыток положительных зарядов, «дырок» (а следовательно недостаток электронов). На взаимодействии таких двух типов полупроводников и основана вся микроэлектроника.

Так вот, элемент ПЗС-матрицы цифрового фотоаппарата устроен следующим образом. См. Рис.1:


Рис.1

Если не вдаваться в подробности, то ПЗС-элемент или прибор с зарядовой связью, в английской транскрипции: charge-coupled-device – CCD, представляет собой МДП (металл-диэлектрик-полупроводник) конденсатор. Он состоит из подложки p-типа — слоя кремния, изолятора из двуокиси кремния и пластин-электродов. При подаче на один из электродов положительного потенциала, под ним образуется зона обедненная основными носителями — дырками, т.

 к. они оттесняются электрическим полем от электрода вглубь подложки. Таким образом под данным электродом образуется потенциальная яма, т. е. энергетическая зона благоприятная для перемещения в нее неосновных носителей – электронов. В этой яме накапливается отрицательный заряд. Он может храниться в данной яме достаточно долго из-за отсутствия в ней дырок и, следовательно, причин для рекомбинации электронов.

В светочувствительных матрицах электродами являются пленки поликристаллического кремния, прозрачного в видимой области спектра.

Рис.2

Фотоны падающего на матрицу света попадают в кремниевую подложку, образуя в ней пару дырка-электрон. Дырки, как сказано выше смещаются вглубь подложки, а электроны накапливаются в потенциальной яме.

Накопившийся заряд пропорционален количеству фотонов падающих на элемент, т. е. интенсивности светового потока. Таким образом на матрице создается зарядовый рельеф, соответствующий оптическому изображению.

Далее используется  свойство ПЗС-элементов перемещать заряды под действием подаваемых тактовыми импульсами потенциалов на электроды смещения.

Перемещение зарядов в ПЗС-матрице.

В каждом ПЗС-элементе имеется несколько электродов, на которые подаются разные потенциалы.

Рис.3.

При подаче на соседний электрод (см. рис. 3) потенциала, большего, чем на данном электроде, под ним образуется более глубокая потенциальная яма, в которую перемещается заряд из первой потенциальной ямы. Таким образом заряд может перемещаться из одной ПЗС-ячейки в другую. Показанный на рис.3  ПЗС-элемент называется трехфазным, бывают еще и 4-х фазные элементы.

Рис.4. Схема работы трехфазного прибора с зарядовой связью – сдвигового регистра.

Для преобразования  зарядов в импульсы тока (фототока) используются последовательные регистры сдвига (см. рис.4). Такой регистр сдвига и является строкой ПЗС-элементов. Амплитуда импульсов тока пропорциональна величине передаваемого заряда, и пропорциональна,таким образом, падающему световому потоку.

  Последовательность импульсов тока, образующихся при считывании последовательности зарядов, затем подается на вход усилителя.

Линейки близко расположенных друг к другу ПЗС-элементов  объединяются в ПЗС-матрицу. Работа такой матрицы  основывается на создании и передаче локального заряда в потенциальных ямах, создаваемых электрическим полем.

Рис.5.

 Заряды всех ПЗС-элементов регистра синхронно перемещаются в соседние ПЗС-элементы. Заряд, который находился в последней ячейке, поступает на выход из регистра, а затем подается на вход усилителя.

На вход последовательного регистра сдвига подаются заряды перпендикулярно расположенных регистров сдвига, которые в совокупности называются параллельным регистром сдвига. Параллельный и последовательный регистры сдвига и составляют ПЗС-матрицу (см. рис.4).

Перпендикулярные к последовательному регистру сдвиговые регистры носят название столбцов.

Перемещение зарядов параллельного регистра строго синхронизовано. Все заряды одной строки смещаются одновременно в соседнюю. Заряды последней строки попадают в последовательный регистр. Таким образом за один рабочий цикл строка зарядов из параллельного регистра попадает на вход последовательного, освобождая место для вновь образуемых зарядов.

Работа последовательного и параллельного регистров синхронизуется тактовым генератором. В состав матрицы цифрового фотоаппарата также входит микросхема, подающая потенциалы на электроды переноса регистров и управляющая их работой.

ЭОП такого типа носит название полнокадровой матрицы (full-frame CCD-matrix). Для его работы необходимо наличие светонепроницаемой крышки, которая сначала открывает ЭОП для экспонирования светом, затем, когда на него попало количество фотонов, необходимое для накопления достаточного заряда в элементах матрицы, закрывает его от света. Такая крышка является механическим затвором, как в пленочных фотоаппаратах. Отсутствие такого затвора приводит к тому, что при перемещении зарядов в сдвиговом регистре ячейки продолжают облучаться светом, добавляя к заряду каждого пиксела лишние электроны, не соответствующие световому потоку данной точки.

Это приводит к «размазыванию» заряда, соответственно к искажению получаемого изображения.

Скорость работы такого ЭОПа зависит не только от скорости считывания как с параллельного , так и с последовательного регистров, но еще и наличием механического затвора, который влияет на длительность интервала между экспонированием отдельных кадров.

С целью уменьшения интервала между экспонированием отдельных кадров была разработана матрица с буферизацией кадра.

Здесь была рассмотрена физика восприятия света светочувствительным элементом ПЗС-матрицы, но ничего не говорится о цвете. В принципе ПЗС-элемент воспринимает все цвета почти одинаково (есть некоторая спектральная чувствительность, но об этом позже). Каким же образом с помощью Пзс-элементов создается цветное изображение рассматривается далее.

Предлагаю вам на десерт ролик с изумительной музыкой, в котором представлены армянский дудук и скрипка:

Поделиться в соц.

сетях

Об авторе

Я живу в г Новосибирске. Образование высшее — НГТУ, физикотехнический факультет. В настоящее время на пенсии. Семья: жена, две дочери, две внучки. Работал в последнее время в электронной промышленности в ОКБ по разработке и производству приборов ночного видения. Люблю музыку- классику, джаз, оперу, балет. Главное увлечение — любительская фотография.

Выгорает ли матрица фотоаппарата со временем?

Выгорает ли матрица фотоаппарата при его долгом использовании?

 

В этой заметке речь пойдет не о том, что будет с матрицей, если ее направить на полчаса на солнце или несколько секунд светить в нее лазером мощностью 200 милливатт. Очевидно, что в первом случае она очень сильно нагреется, что может привести к ее быстрой деградации и появлению «горячих» пикселей, во втором случае, она выйдет из строя прямо у вас на глазах.

 

Выгорает ли матрица фотоаппарата?

 

Вопрос в другом: многие, в том числе и профессиональные фотографы верят в миф, что матрица у зеркалок со временем портится, цвета тускнеют, снижается динамический диапазон (хотя большинство фотографов вообще не знают, что это такое) и что от зеркалки с пробегом 200 000 надо быстрее избавляться, потому что она уже не торт.

Собственно, меня эти заблуждения всегда только забавляли и не особо волновали, но как-то недавно мне моя знакомая (фотограф) вновь озвучила эту страшную болезнь зеркалок — выгорание матрицы. Я поинтересовался, откуда она это знает, на что она сказала, что ей это поведал продавец в фотомагазине (тоже фотограф). И ладно бы это был супермаркет, где продавцы имеют весьма отдаленное представление касательно технических процессов в фотографии. Но это специализированный магазин фототехники (у нас в городе их всего 2, но какой именно я писать не буду). А сказали этой девочке так, потому что она принесла свой Nikon D600, которому уже больше 2-х лет с жалобами, что на картинке появились дефекты изображения:

— А какой пробег у него?

— Ну под 100 000 уже.

— Так а что вы хотели, матрица уже выгорает.

 

Такого бреда я не ожидал услышать. Дальше знакомым фотографам лучше покинуть эту страницу, потому что некоторые предложения им могут не понравиться)))

Итак, предположим, что вы сделали 200 000 снимков. Среднее время выдержки примерно 1/200 секунды. (Хотя на самом деле, оно еще меньше, т.к. на улице днем снимают на диафрагмах F1.4 — F2.8 и шаттере 1/2000 — 1/8000. Но мы возьмем самый нереальный вариант — фотограф снимает только ночью в клубе со вспышкой)

Итак, сделав 200 000 фото на средней выдержке 1/200 получается, что свет падал на матрицу 1000 секунд. Это меньше 17 минут. Т.е. на основании логики «выгорания» матрицы, включив Live View или снимая видео, ровно через 17 минут ваша матрица начнет выгорать, цвета тускнеть, контрастность падать. Тогда каким образом миллионы людей, и я в том числе, снимают ЧАСАМИ видео на зеркалки в течение нескольких лет и никаких проблем с матрицей не происходит? На современных фотоаппаратах она даже не перегревается от непрерывной съемки в течение многих часов!

Вот вам и ответ: матрица не «выгорает» от долгого использования. Если у вас дефекты изображения после длительного общения с фотоаппаратом — то вам просто нужно сдать матрицу на чистку.


А теперь, собственно, хочу перейти к главной части этой заметки: почему люди верят в такую чушь? И не простые люди, а фотографы, профессиональные фотографы. Итак, для начала, следует задать вопрос: почему современные фотографы вообще не шарят в том, как работает фотоаппарат на котором они зарабатывают деньги? Почему любой видеограф знает про DSLR в 10 раз больше фотографа? Я не хочу тут разводить писанину на тему, что сложнее — делать видео или снимать фото, это и так очевидно.

Но вот почему любой человек, который освоил режим «M» на фотоаппарате, автоматически причисляется к рангу профессиональных фотографов  и считает, что ему больше знать ничего не нужно? Я в 11 лет уже снимал на отцовский «Зенит» и знал, что такое экспонометр. Получается я тогда уже был профессиональным фотографом.

Итак, сколько фотографов из числа ваших знакомых знает ответы на простейшие вопросы о фототехнике:


— Что такое динамический диапазон, в чем он измеряется и как зависит от плотности пикселей на матрице?

— Что такое муар и алиасинг и зачем в некоторых фотоаппаратах стоит оптический фильтр низких частот (Canon 5Ds, Nikon D800), а в некоторых не стоит (Canon 5Ds R, Nikon D800E) и как он влияет на изображение?

— Что такое бандинг и чем 12-битный RAW отличается от 14-битного?

— Что такое Rolling Shutter? 

— Кто-то знает, что такое «Native ISO» и насколько радикально зависит динамический диапазон фото от значения светочувствительности?

— Что значит, что стабилизатор объектива компенсирует 4 стопа экспозиции?

— Много ли владельцев Nikon знают, что могут поменять фокусировочный экран и понимают ли они, что это вообще такое?

— Почему в режиме Live View  не может работать обычная система автофокуса и нужно ставить дополнительные датчики фокуса прямо на матрицу?

 
Это абсолютно несложные вопросы, ответы на которые знает практически любой видеограф. Но не знает практически любой фотограф).

Заметьте, здесь нет вопросов про EOS iTR и EOS iSA, нет и о том, чем матрицы с обратной засветкой засветкой лучше обычных КМОП, никто даже не просит расшифровать этот КМОП (CMOS). Нет вопросов про систему экспозамера из 150 000 RGB датчиков, которые объединяется в 252-зонный TTL экспозамер, и чем крестообразный датчик автофокуса лучше обычного, и какие из них могут работать с диафрагмами меньше F2.8, а какие не могут?

Разумеется, чтобы снимать фотографии, можно всего этого и не знать. И продолжать считать, что матрица со временем выгорает. Более того, если человек зарабатывает только фотографией — то он уже автоматически является «профессионалом», потому что это, как не крути, его профессия. Кто-то может сказать, что для того, чтобы делать крутые фотки, все это можно и не знать. Это правда, миллиарды людей на планете вообще в школе не учились и как-то же живут.

Но вот вам один пример: зависимость динамического диапазона Canon 5D Mark III и Nikon D800 от значения ISO.

 

 

Теперь вам понятно, почему у Nikon из RAW тени тянутся на «ура», а у Canon это выглядит как грязная каша? Все дело в дополнительных 2-х стопах динамического диапазона. Наверное, вы также замечали, что на больших ISO картинка выглядит более плоской? Теперь вы, хотя бы, будете знать почему. А ведь это непосредственно влияет на качество картинки.

 

Так, может, лучше немного разобраться, как, все-таки, работает фотоаппарат?

Какие факторы стоит учитывать при выборе цифрового фотоаппарата

1. Матрица
Матрица — это множество светочувствительных элементов – пикселов. Каждый пиксель матрицы реагирует на попадание света на него – вырабатывает электрический сигнал, который зависит от интенсивности пришедшего света. Зная только интенсивности света в пикселях можно получить черно-белую картинку. Чтобы получить цветное изображение каждый пиксель покрывают одним из трех фильтров: красным, зеленым или синим, в соответствии с цветовой схемой RGB. В этой схеме все остальные цвета получают путем смешивания трех основных. То есть, снимая в формате RAW мы получим файл, в котором каждый пиксель будет одного из трех цветов. При съемке в форматы JPEG и TIFF камера вычисляет цвет в заданном пикселе, используя соседние с ним ячейки.
У матрицы есть два важных параметра, которые влияют на качество изображения.

Разрешение матрицы. Измеряется в мегапикселях. Например, если у матрицы фотоаппарата 4 Мегапикселя (Мп), то это значит, что матрица состоит из 4ех миллионов пикселей (ячеек). Чем больше разрешение, тем больше мелких деталей может отразить фотоаппарат на снимке. Однако гнаться за мегапикселями не стоит. Например, для печати фотографий размера 10х15 см вполне хватит и 1 мегапикселя. Оптимальным выбором будет камера с 3-5 мегапикселями, на ней можно будет печатать фотографии вплоть до формата A4 (20х30см).

Размер матрицы. В популярных моделях фотоаппаратов используются матрицы с линейными размерами от 1/1. 8 до 1/3.2 дюйма. В первом случае матрица больше. Большая матрица дает следующие преимущества:
  • может зарегистрировать больше света (может передать больше оттенков),
  • меньше шумит.

Таким образом, если сравнить две матрицы размерами 1/1.8 и 1/3.2 с одинаковым количеством пикселей (например, 4Мп), лучшей будет первая, так как 4 миллиона пикселей расположены на большей площади, и, следовательно, такая матрица будет давать лучшую картинку (более качественную и менее шумную). В другом случае, когда сравниваются две матрицы c одинаковыми линейными размерами, но разным числом мегапикселей, например, 6 и 7, предпочтение также следует отдать первой, так как это не только позволит сэкономить деньги, но и получить более качественные снимки в дальнейшем. Примечание: данное верно при сравнении матриц одного производителя или одной линейки фотокамер, так как у разных производителей могут быть разные типы матриц с несравнимыми характеристиками.

Чувствительность матрицы (ISO). Изменяется в диапазоне от 50 до 3200. Высокие значения чувствительности позволяют сделать четкий снимок в сумерках или даже ночью, правда при высоких значениях чувствительности неизбежно появление цифрового шума.

2. Объектив

Именно благодаря объективу свет попадает в камеру и формируется изображение на матрице. От качества объектива во многом зависит качество получаемого изображения – четкость, резкость, отсутствие искажений и т.п. Важными элементами объектива являются линзы и диафрагма. Линзы отвечают за характер света, а диафрагма позволяет контролировать количество этого света. Закрывая диафрагму до минимальных значений, мы можем уменьшить количество света попадающего на матрицу.

Основные характеристики объектива:

Светосила. Светосила – это значение максимально открытой диафрагмы. Чем больше светосила объектива, тем лучше и дороже фотоаппарат. При одних и тех же условиях освещенности, объектив с большей светосилой позволяет снимать на более коротких выдержках.

Обычно маркировка объектива выглядит так: 5.8-34.8mm 1:2.8-4.8. Первая пара чисел это фокусное расстояние (расстояние от передней линзы объектива до матрицы). Вторая пара чисел — это соответствующие значения светосилы объектива. Например, здесь в положении 34.8мм (на максимальном зуме) объектив имеет светосилу 4.8. Чем меньше числа светосилы, тем лучше. Объектив с характеристиками 5.8-34.8мм 1:2-3.2 считался бы более светосильным.

Фокусное расстояние. От фокусного расстояния зависит угол обзора объектива и то, как далеко он «видит». Для цифровых фотоаппаратов фокусное расстояние приводят также в 35мм эквиваленте. Это связано с тем, что диагональ матрицы меньше диагонали кадра 35мм пленки, те есть матрица охватывает не все поле кадра, откуда и возникает понятие увеличения фокусного расстояния (Focal Length Multiplier). У разных камер этот фактор колеблется от 1.3 до 1.6. Угол обзора. Напрямую зависит от фокусного расстояния. Примерно соответствующим углу обзора глаза человека считается объектив с фокусным расстоянием 50мм. Объективы с меньшим фокусным расстоянием- широкоугольники, с большим – телеобъективы.

Зум (zoom). Зум объектива вычисляется очень просто: для этого нужно большее фокусное расстояние разделить на меньшее. Для фотоаппарата, указанного выше, зум равен 34.8/5.8=6. Что и указано производителем. Если фотоаппарат снабжен объективом без зума, то на нем указывается его фокусное расстояние и светосила: например, 20mm 1:2.8. Чем больше зум фотоаппарата, тем сложнее его конструкция, и производителю приходится находить компромисс между стоимостью и качеством. Поэтому ультразумы (6-12x) обычно дают худшую картинку по сравнению с умеренными зумами (до 3x).

3. Стабилизатор изображения

Стабилизатор изображения призван бороться с так называемым эффектом «шевеленки» — вызванным дрожанием рук при фотографировании на достаточно больших выдержках или при большом зуме.

Варианты стабилизации: Оптическая стабилизация. Основана на том, что в объектив встроен подвижный стабилизирующий элемент, который искривляет путь света в нужном направлении. Также в объективе есть сенсоры, которые управляют движением этого элемента. В результате, при незначительных колебаниях фотоаппарата, проекция картинки на матрицу всегда остается неподвижной. Впрочем, у нее есть и свои минусы:
  • Снижается светосила объектива,
  • Возрастает стоимость

Для своих объективов Canon разработала систему стабилизации Image Stabilizer (IS). У Nikon аналогичная система обозначается как VR.

Anti-shake. В данной технологии стабилизации, в отличие от оптической, подвижным элементом является сама матрица. Главный плюс этого подхода состоит в независимости стабилизации от объектива, соответственно такая стабилизация может работать с любой оптикой. Первой такую стабилизацию разработала Konica Minolta. Наиболее ярким примером наличия встроенного antishake является новинка от Sony — модель Alpha DSLR-A100.

4. Видоискатель

Видоискатель позволяет увидеть будущую картинку перед нажатием на спуск. В цифровых компактных камерах он может вовсе отсутствовать, его роль выполняет дисплей, на котором в реальном времени формируется изображение. Видоискатель может быть:

  • Оптическим,
  • Зеркальным,
  • Электронным

Самым лучшим считается зеркальный видоискатель. Он позволяет увидеть реальную площадь кадра без искажений. То есть фотограф видит через него ровно то, что через мгновение окажется фотографией.

Оптический же видоискатель является просто сквозным отверстием в корпусе камеры и не соответствует тому что видит объектив, хотя бы потому, что смещен относительно него на некоторое расстояние, однако в этом случае на помощь фотографу приходит дисплей.

5. Дисплей фотоаппарата

На компактных цифровиках дисплей позволяет видеть картинку такой, какой она получится на фотографии и заранее увидеть недочеты в композиции, тенях, освещенности (некоторые фотоаппараты умеют показывать гистограмму будущего изображения в реальном времени). На зеркалках дисплей может служить для просмотра уже сделанных кадров. Также дисплей служит интерфейсом для управления фотоаппаратом, поэтому, чем он больше и ярче, тем лучше.

6. Вспышка Обычно каждый фотоаппарат снабжается встроенной слабомощной вспышкой, способной подсветить передний план. Также вспышки снабжаются различными функциями подавления эффекта красных глаз и т.п. В профессиональных и полупрофессиональных камерах также присутствует контакт для подключения внешней вспышки – горячий башмак. Внешние вспышки позволяют достичь гораздо лучших результатов во всех жанрах съемки.

4-мегапиксельная сетевая матричная ИК-турельная камера со встроенным микрофоном — купола / турели

Технические характеристики

Камера

Датчик изображения

1/3 «CMOS с прогрессивной разверткой

мин. Освещение

Цвет: 0.018 люкс @ (F1.6, AGC ON), 0 люкс с ИК-подсветкой

Выдержка

от 1/3 с до 1/100 000 с

Медленный затвор

Есть

День и ночь

ИК-фильтр

WDR

120 дБ

Регулировка угла

Поворот: от 0 ° до 360 °, наклон: от 0 ° до 75 °, поворот: от 0 ° до 360 °

Линза

Тип линзы

Фиксированный объектив, 2.8 мм

Диафрагма

F1.6

FOV

2,8 мм: горизонтальный угол обзора: 103 °, вертикальный угол обзора: 58 °, диагональный угол обзора: 123 °

Крепление объектива

M12

Осветитель

ИК-диапазон

До 30 м (98 футов)

Длина волны

850 нм

Видео

Макс.Разрешение

2688 × 1520

Основной поток

50 Гц: 25 кадров в секунду (2688 × 1520, 2560 × 1440, 2304 × 1296, 1920 × 1080, 1280 × 720)

60 Гц: 30 кадров в секунду (2688 × 1520, 2560 × 1440, 2304 × 1296, 1920 × 1080)

Дополнительный поток

50 Гц: 25 кадров в секунду (640 × 480, 640 × 360, 320 × 240)

60 Гц: 30 кадров в секунду (640 × 480, 640 × 360, 320 × 240)

Третий поток

50 Гц: 25 кадров в секунду (1280 × 720, 640 × 360, 352 × 288)

60 Гц: 30 кадров в секунду (1280 × 720, 640 × 360, 352 × 240)

Сжатие видео

Основной поток / третий поток: H.265 / H.264

Дополнительный поток: H.265 / H.264 / MJPEG

H.264 Тип

Основной профиль / Высокий профиль

H.264 +

Основной поток поддерживает

H.265 Тип

Основной профиль

H.265+

Основной поток поддерживает

Скорость передачи видео

от 32 Кбит / с до 16 Мбит / с

Масштабируемое кодирование видео (SVC)

Кодировка H.264 и H.265

Аудио

Сжатие звука

г.711 / G.722.1 / G.726 / MP2L2 / PCM / MP3

Скорость передачи аудио

64 Кбит / с (G.711) / 16 Кбит / с (G.722.1) / 16 Кбит / с (G.726) / 32-192 Кбит / с (MP2L2) / 8–320 Кбит / с (MP3)

Фильтрация шума окружающей среды

Есть

Частота дискретизации звука

8 кГц / 16 кГц / 32 кГц / 44.1 кГц / 48 кГц

camera-matrix · Темы GitHub · GitHub

camera-matrix · Темы GitHub · GitHub

Здесь 9 публичных репозиториев соответствует этой теме …

Виртуальная камера создается только с использованием opencv и numpy. Он моделирует камеру, где мы можем управлять всеми ее параметрами, внутренними и внешними, чтобы лучше понять, как каждый компонент в матрице проекции камеры влияет на окончательное изображение объекта, захваченного камерой.

  • Обновлено 15 июл.2020 г.
  • Python

Это забавный проект, который я создал, чтобы мотивировать энтузиастов компьютерного зрения и подчеркнуть важность понимания фундаментальных концепций, связанных с формированием изображения в камере.

  • Обновлено 15 июл.2020 г.
  • Python

Спроецировать (преобразовать) координаты точки из 3D в 2D и спроецировать их обратно.

  • Обновлено 30 октября 2021 г.
  • JavaScript

PixoCube — это цифровая версия фотокубов, которые люди обычно дарят другим. По сути, это трехмерный куб с разными изображениями, состоящими из разных сторон куба. Интересная часть этого проекта заключается в том, что я использовал концепции проекции камеры и только функции opencv для рендеринга куба.Кроме того, точка обзора камеры отображается так, что она смещается в зависимости от движения лица пользователя.

  • Обновлено 15 июл.2020 г.
  • Python

Калибровка камеры с использованием OpenCV

  • Обновлено 22 февраля 2019 г.
  • Python

Что такое калибровка камеры, зачем она нужна и как ее вычислить?

Конвейер для наложения и рисования изображений и трехмерных кубов на теге AR на полу в видеопоследовательности

  • Обновлено 13 нояб.2020 г.
  • Python

Этот проект представляет использование Z-Buffer для рендеринга основных 3D-объектов.

Программа с графическим пользовательским интерфейсом для отображения визуализации трехмерной сцены. В центре экрана расположена треугольная сетка цилиндра.

Улучшить эту страницу

Добавьте описание, изображение и ссылки на камера-матрица страницу темы, чтобы разработчикам было легче узнать о ней.

Куратор этой темы

Добавьте эту тему в свое репо

Чтобы связать ваш репозиторий с камера-матрица тема, посетите целевую страницу репо и выберите «управлять темами».

Учить больше

Вы не можете выполнить это действие в настоящее время.Вы вошли в систему с другой вкладкой или окном. Перезагрузите, чтобы обновить сеанс. Вы вышли из системы на другой вкладке или в другом окне. Перезагрузите, чтобы обновить сеанс.

Метод вычисления матрицы проекции системы Stereo Vision

Дата последней редакции: 7/3/2015

В этой статье подробно описаны расчеты, необходимые для вычисления матрицы проекции системы Stereo Vision по методу Фогераса.

ПРИМЕЧАНИЕ. Эта статья относится к Оливье Фогерасу, известному автору в области компьютерного зрения.Мы не можем гарантировать точность нашей интерпретации работы Фогераса. Эта статья относится к версии 1996 года (2-е издание) книги Фогераса «Трехмерное компьютерное зрение», изданной MIT Press.

«Общая» матрица P, кажется, дана на стр. 57 уравнение 3.31. В нашей системе стереозрения:

f = фокусное расстояние
ku = kv = 1, потому что наши пиксели квадратные. 90 435 theta = 90, потому что наши оси ортогональны.

Итак, P очень прост и похож на то, что дано внизу страницы 43 dq 3.12, но с ku = kv = 1:

[-f 0 u0 0]
P = [0 -f v0 0]
[0 0 1 0]

Например, при разрешении 1024×768 матрица проецирования может быть:

[-802,68 0-607,60 0]
[0 -802,68 -383,56 0]
[0 0 1 0]

Примечание: u0 = центральный столбец и v0 = центральный ряд. При этом мы делаем некоторые предположения, которые поясняются ниже.

С функцией triclopsRCDFloatToXYZ () мы применяем следующие уравнения:

X / Z = u / f
Y / Z = v / f
B = базовая линия
f = фокусное расстояние

В этих уравнениях начало координат (u, v) является главной точкой, а ось u параллельна оси X и плоскости XZ, аналогично оси v.

В этой геометрии положительный u == положительный X, а также для v и Y. Мы выравниваем эти оси со строкой / столбцом изображения. Таким образом, ось X в нашей мировой системе указывает вправо от камеры, ось Y направлена ​​вниз, а ось Z направлена ​​вперед. В этой схеме увеличение столбца == увеличение u == увеличение X и снова, также для строк, v и Y.

Для вычисления u, v используйте:

u = c — c0
v = r — r0

Где c0, r0 — «центр изображения», возвращенный функцией triclopsGetImageCenter ()

(u, v) находятся в тех же единицах (пикселях), что и (r, c), но (r, c) имеет начало в верхнем левом углу изображения, а (u, v) имеет начало в главной точке (или «имидж-центр»).Используя наши простые проективные уравнения выше:

u = Xf / Z, v = Yf / Z — преобразование в строку
col c = Xf / Z + c0, r = Yf / Z + r0

Применяя матрицу P из Faugeras, получаем:

[u] [-f 0 u0 0] [x] [-fx + u0z] [-fx / z + u0]
[v] = [0 -f v0 0] [y] = [-fy + v0z] = [-fy / z + v0]
[s] [0 0 1 0] [z] [z] [1]

Результат похож, но не идентичен. Если мы интерпретируем u, v Фогераса для нашей строки, столбца, тогда должно произойти следующее, чтобы системы совпадали.

1. Установите u0 = -c0, v0 = -r0. Теперь Фаугерас дает

u = -fx / z — c0
v = -fy / z — r0

2. Поменяйте местами оси u / c и v / r, т.е. u = -c, v = -r, что дает:

с = fx / z + c0
r = fx / z + r0

Это те же уравнения, которые мы используем, и почему мы интерпретируем u0 = -c0 и v0 = -r0.

ПРИМЕЧАНИЕ: Убедитесь, что вы понимаете, в каком направлении указывают ваши оси, когда вы конвертируете из библиотеки Triclops в ваше проекционное пространственное представление.

.
Матрица фотоаппарата: типы, размер, разрешение, светочувствительность, уход

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.

Пролистать наверх