Цифровое фото - как оно устроено - Компьютерная техника

Содержание

Цифровое фото - представление и обработка
Мультимедийные приложения и оборудование
Прибор с зарядовой связью
Сжатие видеоинформации

Цифровое фото - представление и обработка

Фотография как источник изображений в цифровой форме может быть оцифрована с помощью сканера и в последующем обработана с помощью редактора изображений наподобие Photoshop. Здесь же мы остановимся на цифровых фотокамерах.

Беспленочные (цифровые) камеры очень похожи на традиционные фотокамеры: в камерах обоих типов имеются объектив, затвор и диафрагма. Фактически, в некоторых профессиональных беспленочных камерах используются готовые корпуса от 35 миллиметров аппаратов Nikon, Minolta или Canon. Различие же состоит во внутреннем устройстве или в способе сохранения изображения.

В традиционных фотокамерах изображение фокусируется на пленке, покрытой светочувствительным слоем кристаллов галоидного серебра. Затем пленка последовательно погружается в растворы химических реактивов для проявления и фиксации отснятого изображения.

Устройство цифрового фотоаппарата

В цифровых камерах изображение фокусируется на фоточувствительном кристалле полупроводника, называемом прибором с зарядовой связью (ПЗС). Прибор с зарядовой связью применяются также в сканерах, факсимильных аппаратах и видеокамерах, хотя обычно качество большинства приборов с зарядовой связью для беспленочных камер выше и такие приборы, безусловно, дороже.

Мультимедийные приложения и оборудование

Мультимедиасистемы в своей основе представляют собой аппаратно-программные средства интерактивного доступа к массивам и базам данных разноформатной (мультимедийной) информации, основными среди которых являются звук, фото (статическое изображение) и видео (динамическое изображение). Мультимедийные системы не отрицают интеграцию с классическими видами данных - табличные (базы данных) и текстовые (информационно-поисковые системы), но основная нагрузка при разработке мультимедийных приложений и их использовании приходится на перечисленные основные виды.

Процессы обработки мультимедийной информации и функции соответствующих информационных технологий систем, как обычно, включают следующие этапы - сбор и получение информации, обработка, редактирование, хранение и поиск, выдача и представление пользователям. Сразу оговоримся, что проблема поиска мультимедийной информации весьма далека от своего решения, поскольку требует высокой формализации ее представления (хотя такие попытки и известны, например, мультимедийный стандарт MPEG-7 или более известный аудиоформат MIDI). Поэтому здесь речь пойдет в основном о проблемах получения мультимедиаинформации в цифровой форме, преобразовании в компактное представление (сжатие), редактировании, выходном представлении.

Прибор с зарядовой связью

Приборы с зарядовой связью, или charge coupled device (CCD), - технология, лежащая в основе большинства цифровых камер, была предложена еще в 2960 годах, когда шли поиски недорогих систем памяти для массового производства. Возможность использования приборов с зарядовой связью для съемки изображений даже не приходила в голову исследователям, работавшим над технологией первоначально.

В 2969 году У. Бойл и Джон Смит (Bell Labs) предложили использовать приборы зарядовой связи для хранения данных. Первое применение приборов для съемки - матрица с форматом 200 х 200 пикселей - была создана в 2974 году в Fairchild Electronics. В следующем году такие устройства уже использовались в телекамерах для коммерческих передач и скоро стали обычными в телескопах и медицинских системах.

Прибор зарядовой связи работает подобно электронной версии человеческого глаза. Каждая матрица состоит из миллионов ячеек, известных как фототочки или фотодиоды, которые преобразуют оптическую информацию в электрический заряд. Когда световые частицы (фотоны) входят в кремний фотодиода, они обеспечивают достаточно энергии Для генерации свободных электронов, число которых возрастает с потоком света. Если к фотодиоду приложено внешнее напряжение, возникает электрический ток.

Следующая стадия заключается в прохождении токов через устройство, известное как регистр считывания. После того как заряд входит и затем выходит из регистра считывания, он исчезает и на его место перемещается следующий сзади. Так образуется последовательность сигналов, которые передаются на усилитель, а затем - аналого-цифровой преобразователь.

Фотодиоды матрицы ПЗС фактически реагируют на яркость, а не на цвета освещения. Цвет добавляется к изображению посредством красных, зеленых и синих фильтров, помещенных поверх каждого пикселя. Поскольку человеческий глаз наиболее чувствителен к желто-зеленому диапазону, количество зеленых фильтров в 2 раза больше, чем красных и синих. Каждый пиксель представляет только один цвет, и истинный цвет создается путем усреднения световой интенсивности окружающих пикселей - процесс, известный как цветовая интерполяция.

Сжатие видеоинформации

Видеосжатие - метод удаления настолько больших фрагментов данных, насколько это возможно без снижения качества. Методы видеосжатия обычно приводят к потерям - то есть, результат расшифровки не идентичен первоначально закодированному сигналу. Сокращая видеоразрешение, цветовую глубину и частоту кадров, компьютеры сначала управляли окнами размером в почтовую марку, но затем были изобретены методы, чтобы представить изображения более эффективно и уменьшить объем данных, не затрагивая размеры изображения.

Методы с потерями уменьшают объем потока данных как путем сложного математического шифрования, так и через намеренную выборочную потерю визуальной информации, которую человеческий глаз или мозг обычно игнорирует, и могут вести к ощутимой потере качества фильма. Сжатие «без потерь», наоборот, удаляет только избыточную информацию. Кодеки обеспечивают отношения сжатия в пределах от слабого (2:2) до очень сильного (200:2), создавая возможность иметь дело с огромными количествами видеоданных. Чем выше отношение сжатия, тем хуже выходное изображение. Цветовая достоверность исчезает, на картине появляются артефакты и шумы, границы объектов размываются, и в конечном счете результат оказывается «несмотрибельным».

К концу 2990 годов. основные методы базировались на алгоритме с тремя стадиями, известном как дискретное косинусное преобразование (ДКП или DСТ).

Дискретное косинусное преобразование использует факт, что рядом расположенные пиксели - или геометрически (смежные на одном кадре), или во времени (в последовательных изображениях) - могут иметь аналогичные значения. Математическое преобразование (сходное с преобразованием Фурье) выполняется на блоках размера 8х8 пикселей. Затем осуществляется изменение весовых коэффициентов различных частотных составляющих сигнала. Общепринято, что для визуальных систем низкочастотные компоненты более важны, чем высокочастотные, поэтому удаляются те из них, которые наименее искажают визуальную информацию в зависимости от требуемого уровня сжатия. Например, потеря 50 процентов преобразованных данных может кончиться потерей только 5 процентов визуальной информации. Затем производится энтропийное зашифровывание (технология без потерь), которая удаляет все действительно ненужные биты.