20.Какие системы оптической стабилизации изображения Вы знаете? Каков механизм их действия?

Основная причина смазанных изображений – перемещением камеры в момент съемки, особенно при использовании телеобъективов. Влияние данного эффекта зависит от размера изображения (размера матрицы цифровой камеры). Чем меньше геометрический размер матрицы, тем более выражен эффект смазывания изображения, вызванный перемещением фотокамеры, так как печать фотографий потребует в случае меньшего размера изображения большего увеличения.

В результате перемещения фотокамеры в процессе экспонирования, лучи света от объекта отклоняются относительно оптической оси объектива, приводя к смазыванию изображения. Обычно, установив выдержку затвора не более чем величина, обратно пропорциональная фокусному расстоянию объектива (например, 1/300 с для объектива с фокусным расстоянием 300 мм), можно предотвратить смазывание изображения, вызванное перемещением камеры. Однако в условиях недостаточного освещения или при использовании низкой светочувствительности фотоматериала возникает необходимость использования более длительной выдержки, что приводит к смазыванию изображений при съемке с рук. Для разрешения этой проблемы разработаны различные системы стабилизации изображения.

Стабилизатор изображения на сдвиге линз. Стабилизация достигается за счет перемещения группы линз объектива параллельно фокальной плоскости. Центр изображения смещается вниз в фокальной плоскости. Перемещение камеры определяются двумя гироскопическими датчиками (по одному для горизонтальной и вертикальной плоскости). Гироскопические датчики определяют направление и скорость смещения камеры. В результате анализа степени перемещения микропроцессор управления системы стабилизации изображения выдает команду на перемещение группы линз вниз, чтобы вернуть центр изображения в центр фокальной плоскости. Группа линз приводится в движение с помощью электромагнитов. Так как сотрясения камеры происходят и в вертикальной и в горизонтальной плоскости, группа линз может смещаться вертикально и горизонтально в плоскости, перпендикулярной оптической оси, для компенсации смазывания изображения.

Стабилизатор изображения на сдвиге матрицы. Система стабилизации изображения работает аналогично рассмотренной раннее, но в качестве исполнительного механизма, вместо группы линз объектива, происходит перемещение специального блока стабилизации с установленной в нем матрицей. Матрица «плавает» в управляемом микропроцессором системы стабилизации изображения магнитном поле, компенсируя смещение фотокамеры

Схема работы стабилизатора изображения на сдвиге линз (А – точка объекта съемки, A' – изображение точки А)

Схема работы стабилизатора изображения на сдвиге матрицы (А – точка объекта съемки, A' – изображение точки А)

21.Какие настройки необходимо выполнить в цифровом фотоаппарате перед началом фотосъемки, для обеспечения наилучшего качества изображения?

Настройки цифрового фотоаппарата.

Светочувствительность (ISO), разрешение изображения, качество изображения (формат файла и степень сжатия) в цифровой фотографии можно регулировать с помощью соответствующих настроек меню.

Выбор ISO. Светочувствительность фотопленки измеряется числами, определенными Международной организацией по стандартизации ISO. Несмотря на различия в технологиях принято оценивать чувствительность фотосенсоров по той же шкале.

В фотосенсоре матрицы цифровой камеры происходит преобразование фотонов в эквивалентный их количеству электрический заряд (электроны). Чем больше фотонов достигает фотосенсора, тем больше скапливается электронов и ярче становится пиксель на результирующем изображении. Минимальное число фотонов, необходимых для регистрации изображения, определяет чувствительность сенсора. Светочувствительность зависит от площади фотосенсора. Геометрический размер матрицы и её разрешение однозначно определяют максимальный размер фотосенсора. Светочувствительность, уровень шума и физический размер пикселя взаимосвязаны: чем больше физический размер пикселя, тем меньше уровень шума, при заданной светочувствительности.

К матрицам цифровых фотоаппаратов применяется термин «эквивалентная чувствительность», так как значение чувствительности матрицы можно изменять в широком диапазоне (аналоговым усилением сигнала и последующей цифровой обработкой). Реальная светочувствительность матрицы, соответствует минимальному возможному значению чувствительности для данной фотокамеры. Выбор чувствительности фотосенсора можно осуществлять в автоматическом или ручном режимах. Также как в фотопленке при увеличении светочувствительности увеличивается зернистость изображения, в сенсорах увеличивается вероятность появления помех в виде цифровых шумов. Поэтому приходится искать компромисс между высокой светочувствительностью и качеством изображения.

Выбор разрешения изображения. Разрешение изображения снятого цифровой камерой зависит от различных факторов: качества объектива и его разрешающей способности, числа пикселей в матрице и алгоритма обработки цифровых данных в фотокамере.

Цифровое изображение состоит из миллионов пикселей. Разрешение изображения – количество пикселей на фотографии, захватываемых матрицей, наряду с качеством объектива определяет четкость получаемого снимка. Разрешение определяется количеством пикселей, которые может захватить сенсор (ширина × высота). Например, для 5-мегапиксельной камеры возможны следующие варианты настройки разрешения: 2560×1920, 1600×1200, 1280×960 и 640×480. Вы можете выбрать, какое разрешение Вам требуется исходя из задач фотосъемки: фотография на бумаге, иллюстрации, размещение на WEB сайте, экранное использование (слайд шоу на мониторе компьютера или экране телевизора). Для большинства задач, решаемых фотографом, вполне достаточно, если камера оснащена матрицей в 6 млн. пикселей (качественная печать до формата А4, и любое экранное использование отснятого материала). Если вы не готовите материал для конкретного использования, вам необходимо использовать максимальное разрешение, так как после съемки увеличить его без потерь в качестве и детализации изображения уже не возможно.

Снимок, состоящий из относительно малого количества пикселей выглядеть как мозаика. С увеличением числа пикселей изображение становится более четким. Повышение четкости изображения приводит к увеличению размера файла.

Выбор качества изображения (формат файла и степень сжатия

В настоящее время в цифровых фотоаппаратах используют три формата файлов: JPEG, TIFF и RAW.

Кроме выбора разрешения камеры предлагают возможность изменить степень сжатия файлов. Это означает, что с помощью разных математических методов можно разместить данные в меньшем объеме. При открытии такого файла он восстанавливает свой исходный размер. Сжатие бывает двух видов: без потери информации (форматы TIFF, RAW) и с потерей информации (например, в JPEG-формате). Понимание принципов, по которым происходит сжатие, даст возможность лучше разобраться в форматах изображений.

Сжатие без потери информации. Изображения, как и другие цифровые объекты, сохраняются в виде двоичного кода, значение которого может распознавать компьютер или другое техническое средство. Строка длиной 64 бит, может выглядеть следующим образом.

0000000000000011100000000000000001111110000000000000000000000001

Для хранения 64 двоичных символов компьютеру требуется 8 байт. При использовании схемы сжатия без потери качества (например, в TIFF-файлах) вместо записи значения каждого бита запоминается частота повторения определенного значения. В результате, вместо хранения 64 бит будет записан код в виде «14 нулей, 3 единицы, 16 нулей, 6 единиц и т.д.». В процессе работы алгоритма сжатия выделяются повторяющиеся строки цифр, и запоминается их местоположение в файле. При повторном появлении обнаруженной ранее последовательности цифр вместо нее будет записан краткий код, указывающий ее первоначальное местоположение. Чем больше размер файла, тем меньше реальных цифр записывается в процессе сжатия. Этот способ кодирования называется методом Хаффмана. Он состоит в построении таблицы частоты нахождения строк в файле и определении кодов кратчайшей длины для тех строк цифр, которые встречаются наиболее часто. При таком сжатии (даже если из файла удалены все избыточные цифры) алгоритм декодирования точно восстановит исходное изображение.

Сжатие с потерей информации.

Графический формат JPEG (Joint Photographic Experts Group – Объединенная группа экспертов в области фотографии) предназначен для хранения полноцветных фотореалистичных изображений. Основанный на психофизиологических особенностях человеческого зрения, этот формат использует алгоритмы сжатия с потерями и обеспечивает значительное уменьшение объема графического файла. JPEG-файлы являются наиболее эффективными с точки зрения использования объема памяти для их хранения.

В формате JPEG используется три разных алгоритма: дискретное косинус-преобразование, процедура квантования и цифровой метод сжатия, в частности, метод Хаффмана.

Алгоритм JPEG делит изображение на ячейки размером 8×8 пикселей и разделяет его на специальные цветовые области, т.е. отделяет уровни яркости от хроматических (цветовых) значений. Это обеспечивает различную степень сжатия для разных типов данных. Поскольку яркость наиболее важна для восприятия, для цветовых значений можно применять более высокую степень сжатия. Человеческий глаз больше фиксирует незначительные изменения в яркости, чем эквивалентные им изменения цвета.

Затем алгоритм выполняет дискретное косинус-преобразование информации. Эта математическая операция анализирует блоки размером 64 пикселя и ищет подобные. Избыточными считаются те пиксели, которые имеют те же значения, что и их соседи. Такие пиксели можно отбросить.

После этого запускается процедура квантования, которая заменяет белым цветом те группы пикселей, цвет которых похож на белый. Затем оттенки серого и цветовая информация сжимаются с помощью записи разности тонов соседних пикселей. Результирующая строка цифр кодируется с помощью комбинации математических операций. Таким образом, блок 8×8, содержащий 24 бит информации на каждый пиксель (192 байт), можно сжать до 10–13 или даже менее байт. Алгоритм JPEG позволяет использовать различные коэффициенты сжатия, и при высоких коэффициентах отбрасывается большее количество информации. JPEG допускает непрерывный диапазон уровней качества (коэффициентов сжатия). Цифровые камеры обычно располагают дискретным набором параметров качества например: стандартное, хорошее, лучшее или наилучшее. Названия параметров качества не стандартизированы, поэтому нам не известно, какому уровню сжатия JPEG соответствует каждая из настроек конкретной камеры.

Изображение высокого качества в формате JPEG практически не отличается от исходного.

Графический формат TIFF (Tagged Image File Format) стал стандартным форматом для обмена файлами изображений, в том числе и в цифровой фотографии. Недостатком данного формата является большой объем получаемого файла, что значительно ограничивает скорость съемки (временя сохранения файла на носитель информации).

Формат RAW использует алгоритмы сжатия без потери информации и применяется для хранения изображений высшего разрешения и качества в цифровых камерах. Формат RAW не является стандартизированным, и алгоритмы его работы зависят от производителя фотокамеры и используемой в фотоаппарате матрицы. Формат RAW можно рассматривать как «цифровой негатив», который содержит полную информацию об изображении, которая сохраняется в 12 или 14 разрядном формате на канал цвета и конвертируется с помощью RAW-совместимого программного обеспечения для обработки изображений. Файл в формате RAW обеспечивает доступ к той информации, с которой работает камера, создавая 24-разрядные JPEG-файлы. Из файла RAW с помощью специализированного программного обеспечения можно получить откорректированное и настроенное изображение требуемого формата, например JPEG или TIFF. Максимальный динамический диапазон цифровой фотокамеры доступен только при съемке в RAW, при конвертации в JPEG динамический диапазон ограничивается до 7,5–8,5EV (в зависимости от настроек контраста изображения в камере).

EXIF (Exchangeable Image File Format). Формат графических файлов, разработанный для обмена данными изображений между аппаратными средствами и программным обеспечением. Этот формат является компонентом формата JPEG и используется в большинстве цифровых камер. Он включает такую информацию, как дата и время съемки, фокусное расстояние объектива, экспозиционные параметры, настройки камеры, разрешение, степень сжатия и другие данные.

Размер файла – занимаемое им пространство на устройстве хранения – карте памяти (измеряется в мегабайтах). Размер файла зависит от размера изображения, формата файла и степени его сжатия.