25
Яркость является величиной, непосредственно воспринимаемой глазом. При постоянстве освещенности яркость предмета тем больше, чем больше его отражательная способность.
6. Яркостными различиями во многом определяют возможность выявления объектов земной поверхности. Эти различия оцениваются величинами:
-фотографического контраста U = Bmax / Bmin
-визуального контраста Kt, равного отношению разности яркостей смежных объектов к
большей из них :
Kt = (В1 – В2) / В1 = 1 – 1/U - модуляционного контраста
KN = (Bmax – Bmin) / (Bmax + Bmin) = (U – 1)/(U + 1) = Kt / (2 – Kt)
7. Прозрачность или почернение фотографического материала характеризуют следующие величины:
-коэффициент прозрачности (пропускания) – отношение потока излучения, прошедшего через прозрачную среду F (например фотопленку), к потоку излучения, упавшего на него F0:
τ = F/F0 |
(6) |
-оптическая плотность почернения :
D = lg (1/τ) = lg F0/F
Лаб. работа 5. Изучение ЦФК
ЗАДАНИЕ: 1. Изучить устройство цифровой фотокамеры .
2.Объяснить отличие ПЗС и КМОП матриц.
3.Решить задачи:
2.1.Разрядность ЦФК 10 бит. Сколько уровней яркости в цифровом изображении?
2.2.Цифровое изображение разбито на 1024 уровня яркости. Какова разрядность АЦП
2.3.АЦП ЦФК имеет три канала: для К, З, С цветов. Каждый канал имеет 8-битовую разрядность. Сколько оттенков позволяет получить такой преобразователь?
2.4.Какой минимальной разрядности достаточно для представления черно-белого (двухцветного) штрихового изображения?
1.Принцип получения цифрового изображения
Изображение можно определить как двумерную функцию f(х,у), где х и у – координаты в пространстве (конкретно, на плоскости), и значение f которой в любой точке, задаваемой парой координат (х,у) называется интенсивностью, или уровнем серого, или яркостью, или плотностью изображения в этой точке. Если величины х,у, f принимают конечное число дискретных значений, то говорят о цифровом изображении. Цифровое изображение состоит из конечного числа элементов, каждый из которых расположен в определенном месте и принимает определенное значение. Эти элементы называются элементами изображения или пикселями. Аналоговое изображение, в отличие от цифрового, принимает бесконечное множество значений плотности в бесконечном множестве точек изображения
Идея преобразования энергии освещения в цифровое изображение заключается в следующем: падающая световая энергия преобразуется в напряжение благодаря сочетанию материала, обладающего чувствительностью к интересующему виду излучения, и приложенной к нему электрической энергии. В ответ на воздействие внешнего излучения такой светочувствительный элемент выдает сигнал выходного напряжения, который затем преобразуется в цифровую форму.
2. Устройство цифрового фотоаппарата
Цифровой фотоаппарат, также как пленочный, условно состоит из:
∙объектива и затвора,
26
∙устройства фиксации изображения,
∙устройства для временного хранения отснятых кадров.
Как и в традиционном фотоаппарате, свет попадает в камеру через объектив. Объектив фокусирует изображение, диафрагма ограничивает световой поток, затвор фиксирует время экспонирования (выдержку). Характеристики оптической системы – фокусное расстояние, светосила, диафрагменное число, угол поля зрения – в цифровой фотографии играют ту же роль, что и в аналоговой.
3. Светоприемное устройство (устройства фиксации изображения)
Фотографическая матрица – прибор, преобразующий световой поток в электрический сигнал, размещается, как правило, за затвором. Матрица (она же сенсор, она же массив светочувствительных элементов) фиксирует изображение в цифровой камере.
Сенсор выполняет пять операций: поглощает фотоны, преобразует их в заряд, накапливает его, передает и преобразует в напряжение.
В качестве светоприемного устройства используют два типа устройств – ПЗС–матрицы (Charge Coupled Device или CCD означает - прибор с зарядовой связью) и КМОП-матрицы (Соmрlеmепtаrу Metal Oxide Sеmiсо nduсtогs или CMOS - матрицы комплиментарных структур метал-оксид-полупроводник). Свет, падая на поверхность пикселов, вызывает появление свободных электронов, которые аккумулируются в так наз. потенциальных ямах. При
этом величина суммарного заряда определяется интенсивностью излучения, падающего на элементы матрицы, и временем, за которое формируется заряд. Рис. Элемент ПЗС-матрицы.
Различие в работе ПЗС- и КМОП-матриц заключается в способах передачи информации о величине заряда и преобразовании заряда в напряжение управляющими электронными схемами. ПЗС-матрица - это массив светочувствительных ПЗС-элементов. Считывание содержимого потенциальных ям в ПЗС-матрице происходит путем переноса заряда от пиксела к пикселу с определенным временным шагом с помощью управляющих электродов.
В КМОП-матрице в качестве фоточувствительного элемента могут выступать фотодиоды или фототранзисторы. По этой технологии у каждого пикселя имеется свой считывающий транзисторный усилитель, позволяющий преобразовывать заряд в напряжение непосредственно на пикселе.
Рис.Структура КМОП-сенсора (схема)
Классическая светочувствительная матрица воспринимает не цвет излучения, а лишь интенсивность упавшего света. Чтобы камера могла различать цвета, каждый пиксель имеет цветной фильтр в виде микролинзы и воспринимает лишь
один цвет и, при этом содержит информацию о яркости. Любой цветовой оттенок можно получить смешиванием в определенных пропорциях основных (базовых) цветов. В наиболее распространенной аддитивной модели RGB (Red, Green, Blue) таких цвета три: КЗС.
27
Рис. Модель фильтра Байера.
Наиболее популярными являются массивы фильтров цветовой модели Байера . В ней К,З,С фильтры расположены в шахматном порядке, причем К и С фильтры расположены между З, и количество З фильтров в два раза больше, чем К или С. При этом ячейка содержит информацию о яркости, а ее позиция говорит о цвете пиксела. Затем, чтобы получить цветное изображение, производится интерполяция, в ходе которой по определенному алгоритму рассчитывается цветовое значение каждого пиксела. Для этого программное обеспечение камеры анализирует все три массива цветовой информации, сопоставляя значения смежных элементов и рассчитывая их итоговый цвет. В настоящее время имеется тенденция к вытеснению матриц с однослойными сенсорами и делением
цветов по принципу шаблона Байера матрицами с многослойными сенсорами. В КМОП-матрице Foveon X3 используется свойство кремния поглощать свет с разными длинами волн на разной глубине кристалла. Фотоэлемент каждого пиксела состоит из трех слоев. Толщина слоев рассчитана так, что они пропускают лучи определенной длиной волны. Синий цвет, имеющий самую короткую длину волны, поглощается раньше других, и С-фотодетектор находится практически у поверхности кристалла. Следующим идет фотодетектор,
поглощающий зеленые лучи, а под ним - красные. Таким образом, удается не интерполировать изображение (пересчитывая показания соседних
пикселов), а получить его в точности так, как это делается на фотопленке. Образующиеся при этом электроны и «дырки» накапливаются в трех потенциальных ямах - по одной на каждый слой. Следовательно, времени для экспозиции требуется гораздо меньше, а интерполяция становится не нужна. Рис. 14. Строение пиксела КМОП-матрицы Foveon X3
4. Процессор
Сигналы с матрицы поступают на достаточно мощный управляющий процессор. Функции процессора:
∙управление фокусировкой объектива
∙преобразование сигналов, поступающих с матрицы, с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП),
∙формирование файла и сжатие изображения
∙передача отснятого изображения на съемный накопитель информации (карту флэш-памяти).
5. Аналого-цифровой преобразователь
Электрический сигнал, поступающий с элементов матрицы и несущий информацию об изображении, непрерывно изменяется во времени, т.е. является аналоговым сигналом. Форма аналогового сигнала соответствует распределению яркости вдоль считываемой строки изображения. Для регистрации и дальнейшей обработки изображения аналоговый сигнал необходимо преобразовать в понятный микропроцессору камеры формат - в цифровой вид. АЦП — «аналого-цифровой преобразователь» - устройство, преобразующее аналоговый сигнал в последовательность цифр. При аналого-цифровом преобразовании осуществляется три основных операции:
∙дискретизация – преобразование исходного аналогового сигнала в последовательность дискретных значений, получаемых через заданные временные интервалы;
∙квантование – замена действительного мгновенного значения сигнала округленным значением, равным ближайшему фиксированному значению;
∙кодирование – образование кодовых комбинаций импульсов.
При аналого-цифровом преобразовании изображения необходимо принять решение относительно числа уровней (градаций) яркости L, которые может фиксировать ПЗС-матрица.