Захват изображения

Рождение цифрового изображения происходит в момент отражения света источника от объекта (или прохождения через полупрозрачный объект, вроде запачканного оконного стекла). Каждая часть объекта поглощает некоторую долю световых волн, а остальные находят свой путь к объективу камеры (цифра 1 на рис. 2.7). На рис. 2.7 вы можете увидеть только два больших пучка света, проходящих через объектив. На самом деле их триллионы. Все они состоят из фотонов — частичек света, которые ведут себя подобно волнам. (Корпускулярно-волновой дуализм — одна из тех загадок квантовой физики, которые мы оставим за кадром.)

Свет, попадающий на стеклянный элемент объектива, обозначен цифрой 2. На рисунке показана только одна линза, но в реальной жизни объективы содержат от 4 до 15, 20 или более различных элементов, которые перемещаются синхронно или по отдельности, в зависимости от способа фокусировки или изменения фокусного расстояния объектива. Элементы объектива можно сдвигать для того, чтобы компенсировать эффект дрожания камеры, которое возникает при большой выдержке из-за нестабильности ее положения.

Объективы с фиксированным фокусом (без изменения фокусного расстояния) — самые простые: они предназначены для фокусировки изображения на сенсор только одним способом. При этом перемещение элементов не обеспечивается. Усложнение функций объектива для корректировки изображения при определенном увеличении или положении фокуса требует применения дополнительных элементов. В любом случае целью является сведение световых лучей (обозначенных на рис. 2.7 цифрой 3) в четко сфокусированную позицию на сенсоре камеры (цифра 4).

Сенсор играет роль пленки; как и пленка, он содержит вещество, чувствительное к свету. На сегодняшний день в большинстве цифровых фотоаппаратов используются сенсоры CCD (charge coupled device — прибор с зарядовой связью, ПЗС) или CMOS (complementary metal oxide semiconductor — комплементарная структура металл-оксид-полупроводник, КМОП). Далее типы сенсоров будут рассмотрены несколько более детально. На данный момент вам достаточно знать, что сенсор — это массив (набор столбцов и строк) крохотных диодов. Когда некоторое количество фотонов сталкивается с диодом, создается электрон. Чем больше фотонов достигает ячейки диода, тем больше скапливается электронов и ярче становится пиксель на результирующем изображении.

Минимальное число фотонов, необходимых для регистрации изображения, определяет чувствительность сенсора . Очень чувствительные сенсоры требуют наличия всего нескольких фотонов и позволяют сделать снимок при меньшем освещении. Когда вы настраиваете параметр ISO цифрового фотоаппарата (скажем, изменяете его значение с ISO 100 на ISO 800), то фактически изменяете этот порог и даете указание сенсору требовать меньшего количества фотонов для конкретного пикселя при записи изображения. При высоких значениях ISO возможен эффект зернистого шума . При высокой чувствительности сенсор может фиксировать интерференцию электронов или другую не относящуюся к изображению информацию. В общем, чем больше сенсор, тем меньше шума создается.

Обычные чипы CMOS по своей природе менее чувствительны к свету и более восприимчивы к шуму. Однако для их работы требуется в сто раз меньше энергии (что позволяет продлить срок службы аккумуляторов), кроме того, они намного дешевле в производстве, чем чипы CCD. По этой причине они довольно часто встречаются в дешевых цифровых фотоаппаратах (и сканерах). С недавних пор CMOS-сенсоры стали гораздо сложнее. Теперь их используют даже в современных камерах (стоимостью свыше 1000 долл.).

При использовании CCD-сенсора электрический заряд перемещается к краю массива пикселей и конвертируется из аналогового сигнала в цифровое значение. Чипы CMOS в каждом пикселе массива содержат транзисторы для усиления сигнала и выполнения аналогово-цифрового преобразования. Несмотря на то что на сегодняшний день на рынке доминируют чипы CCD, технология CMOS постоянно совершенствуется, и на сегодняшний день используется даже в самых сложных цифровых камерах, в том числе в 12- и 16-мегапиксельных моделях от Nikon и Canon. Используется она и в более простых устройствах, таких как мобильные телефоны с камерами, Web-камеры и игрушечные камеры.