Андрей Смирнов
Время чтения: ~17 мин.
Просмотров: 0

Типы цифровых фотоаппаратов

Принцип работы фотоматрицы

Светочувствительная матрица или фотосенсор представляет собой интегральную микросхему (проще говоря, кремниевую пластину), состоящую из мельчайших светочувствительных элементов – фотодиодов.

Существует два основных типа сенсоров: ПЗС (Прибор с Зарядовой Связью, он же CCD – Charge-Coupled Device) и КМОП (Комплементарный Металл-Оксид-Полупроводник, он же CMOS – Complementary Metal-Oxide-Semiconductor). Матрицы обоих типов преобразовывают энергию фотонов в электрический сигнал, который затем подлежит оцифровке, однако если в случае с ПЗС матрицей сигнал, сгенерированный фотодиодами, поступает в процессор камеры в аналоговой форме и лишь затем централизованно оцифровывается, то у КМОП матрицы каждый фотодиод снабжён индивидуальным аналого-цифровым преобразователем (АЦП), и данные поступают в процессор уже в дискретном виде. В целом, различия между КМОП и ПЗС матрицами хоть и принципиальны для инженера, но абсолютно несущественны для фотографа. Для производителей же фотооборудования имеет значение ещё и тот факт, что КМОП матрицы, будучи сложнее и дороже ПЗС матриц в разработке, оказываются при этом выгоднее последних при массовом производстве. Так что будущее, скорее всего, за технологией КМОП в силу чисто экономических причин.

Фотодиоды, из которых состоит любая матрица, обладают способностью преобразовывать энергию светового потока в электрический заряд. Чем больше фотонов улавливает фотодиод, тем больше электронов получается на выходе. Очевидно, что чем больше совокупная площадь всех фотодиодов, тем больше света они могут воспринять и тем выше светочувствительность матрицы.

К сожалению, фотодиоды не могут быть расположены вплотную друг к другу, поскольку тогда на матрице не осталось бы места для сопутствующей фотодиодам электроники (что особенно актуально для КМОП матриц). Восприимчивая к свету поверхность сенсора составляет в среднем 25-50 % от его общей площади. Для уменьшения потерь света каждый фотодиод накрыт микролинзой, превосходящей его по площади и фактически соприкасающейся с микролинзами соседних фотодиодов. Микролинзы собирают падающий на них свет и направляют его внутрь фотодиодов, повышая таким образом светочувствительность сенсора.

Основа любой фотографии – свет. Он проникает в камеру через объектив, линзы которого формируют изображение предмета на светочувствительной матрице. При нажатии на кнопку спуска затвор камеры открывается (как правило, на доли секунды) и происходит экспонирование кадра, т.е. освещение матрицы потоком света заданной интенсивности. В зависимости от желания получить светлый или тёмный снимок, может потребоваться различное количество света, т.е. различная экспозиция.

По завершении экспонирования электрический заряд, сгенерированный каждым фотодиодом, считывается, усиливается и с помощью аналого-цифрового преобразователя превращается в двоичный код заданной разрядности, который затем поступает в процессор фотоаппарата для последующей обработки. Каждому фотодиоду матрицы соответствует (хоть и не всегда) один пиксель будущего изображения.

Разрядность определяет количество оттенков, т.е. градаций яркости для каждого пикселя. Чем выше разрядность, тем более плавные тональные переходы способна запечатлеть камера. Большинство цифровых зеркальных камер способно сохранять 12 или 14 бит информации для каждого пикселя. 12 бит означает 212=4096 оттенков, а 14 бит – 214=16384 оттенка.

Бинокли ночного видения

Теория обработки света

Так в чем же революционность цифровой камеры? Элемент, фиксирующий изображение, сенсор изображения (матрица) это решетка с плотной структурой, состоящей из крошечных сенсоров света. Ширина каждого всего 6 микрон – это 6 миллионных метра. 5 тысяч таких сенсоров могут поместиться на кончике остро заточенного карандаша.

Но сначала свет должен пройти через фильтр, который разделяет его на цвета: зеленый, красный и синий. Каждый сенсор света обрабатывает только один цвет. Когда в него ударяют фотоны, они поглощаются полупроводниковым материалом, из которого он сделан. На каждый поглощенный фотон сенсор света испускает электрическую частицу, она называется электрон. Энергия фотона передается электрону – это электрический заряд. И чем ярче изображение, тем сильнее электрический заряд. Таким образом, каждый электрический заряд обладает различной интенсивностью.

Затем печатная плата переводит эту информацию на язык компьютера, язык цифр и битов или последовательность единиц и нулей. Они представляют собой миллионы крошечных цветных точек, из которых и состоит фото – это пиксели. Чем больше пикселей в изображении, тем лучше разрешение. Другими словами это несколько миллионов микроскопических световых ловушек, которые вместе со всеми элементами фотоаппарата нацелены на одну задачу – преобразовать свет в электричество, что бы сделать прекрасные фотографии.

Дальше вся эта информация в цифровом виде подается в процессор, где она обрабатывается по определенным алгоритмам. Затем уже готовая фотография передается в память фотокамеры, где она и хранится и доступна для просмотра пользователю.

Так вкратце можно изобразить принцип работы цифрового зеркального фотоаппарата.

  • Советы по выбору фотокамеры
  • Виды цыфровых фотоаппаратов
  • Как выбирают фотоаппарат

Как фотографировать?

Инструкция по эксплуатации включает множество пунктов, однако, чтобы научиться пользоваться фотоаппаратом (делать снимки или снимать видео), достаточно знать основы.

Перед началом не забудьте включить технику. Нужная кнопка или рычаг находятся на верхней панели, на рукоятке. О включении фотоаппарат оповестит световым сигналом, если это предусмотрено моделью. Убедитесь, что в слоте размещена карта памяти, куда будут сохраняться фотографии.

Далее нужно выстроить кадр. Оценивайте будущий снимок через видоискатель (специальное окошко в верхней части фотоаппарата). Меняйте свое положение в зависимости от того, что вы хотите видеть на фотографии. А также можно выполнить визирование при помощи экрана, но профессионалы рекомендуют использовать видоискатель.

Как только вы определите, как будет выглядеть фотография, установите необходимые параметры. Это может быть обычный автоматический режим, один из сюжетных режимов или ручная настройка. Переключаться между настройками можно при помощи специального поворотного кольца или в меню фотоаппарата (в зависимости от модели и функциональности устройства).

Сделайте пробный снимок, откройте его на экране и оцените полученный результат. Если он вас не устраивает, измените настройки. Например, если фотография вышла темной, откройте диафрагму, увеличьте светочувствительность матрицы или измените другие параметры. При съемке с рук используйте короткую выдержку, иначе фотографии получатся размытыми. Работа с современными зеркальными фотоаппаратами не так сложна, как может показаться на первый взгляд.

Образование и наука

Устройство и принцип работы

Основной принцип работы рассматриваемых фотоаппаратов мало чем отличается от простых аналоговых устройств. В основе устройств так же лежит специальная светонепроницаемая камера. С одной из ее сторон зафиксирован объектив, выстраивающий реальное изображение объектов на основе фокального принципа. Регулирование экспозиции осуществляется за счет диафрагмы объектива.

Присутствует в аппаратах и видоискатель. Эта составляющая предусмотрена здесь для фокусировки и кадрирования. Отличительные свойства заключается только в том, что вместо фотоматериалов, в фокальной плоскости объектива, устанавливается особая матрица полупроводникового типа. Именно она и отвечает за «перевоплощение» света в электросигналы. Последние, при помощи АЦП (аналого-цифрового преобразователя), переходят в цифровые файлы, передающиеся в память буфера. Далее они отправляются на хранение на внутреннем или на внешнем носителе.

Исходные файлы, которые на выходе могут получить АЦП формата RAW, можно конвертировать, используя процессор фотокамеры, в один из актуальных форматов, например, Jpeg или Tiff. При этом исходник тоже может быть сохранен, для дальнейших преобразований и обработок самим пользователем, при помощи персонального компьютера или ноутбука.

Фотоматериал в этих аппаратах отсутствует. В цифровых девайсах не нужно задействовать пленку или специальную кассету. Основное устройство собирается из электронных элементов, расстановка которых оказывается более гибкой и продуманной, нежели в ситуации со стандартными узлами механического типа. За счет таких особенностей устройства, появляется возможность более свободной и практичной расстановки всех компонентов, которая никак не влияет на механические связи и прочие важные узлы аппаратуры. На первых этапах развития техники без применения пленки было предпринято много способов формирования абсолютно новой эргономики, которая была бы максимально комфортной для фотографа. Но, в итоге, компоновка и дизайнерское оформление фотокамеры, проверенной долгими годами эксплуатации, стали задействоваться и в новых цифровых агрегатах.

В 2014 году известный японский бренд Sony выпустил любопытную модель с матрицей вогнутого строения. Позднее к таким же разработкам обратились и другие популярные фирмы, например, Canon и Nikon. В 2017 году подобные матрицы стали использоваться и Microsoft. Для указанных компонентов требуются совершенно иные объективы, отличающиеся утолщенным строением. В результате появилась более компактная фототехника с небольшой оптикой и меньшим числом линз. В современных моделях цифровых аппаратов присутствуют те же управляющие элементы, что и в знакомых многим аналоговых вариантах. Система автоматической фокусировки и ее регулирование приравниваются к стандартным показателям прежних фотокамер. При этом интерфейс практически не отличим от последних аналоговых аппаратов.

В устройствах любительской и полупрофессиональной категорий дополнительно устанавливают еще 1 диск, отвечающий за переключение конкретных режимов фотоаппарата. Благодаря этому, пользователь имеет возможность при желании регулировать алгоритмы работы с экспозицией. В продукции цифровой категории также можно корректировать уровень световой чувствительности, размеры и тип расширения файла, баланс белого, цветовое пространство и прочие полезные характеристики. Регулировку всех перечисленных опций можно произвести, выбрав определенные пункты меню.

Некоторые из ультрасовременных и высокотехнологичных вариантов камер могут управляться при помощи специального приложения, предварительного установленного на смартфон. В нынешних «цифровиках» могут применяться разные подвиды визиров, применявшихся и в технике аналогового типа. Более продуманными и популярными в настоящий момент оказываются качественные зеркальные разновидности.

Системы стабилизации изображения

Камеры становятся все легче, а при съёмке с рук все чаще фото получаются худшего качества. Конечно, в некоторых ситуациях с такой проблемой неплохо справляется штатив, однако он не всегда удобен. Стабилизировать изображение также можно уменьшив выдержку и увеличив чувствительность, но в таком случае может появиться зернистость.

Существуют стабилизаторы, делающие работу за нас: это оптическая и цифровая системы.

Оптический стабилизатор проделывает работу с блоком линз. Они двигаются в зависимости от того, как перемещается камера. Такая система дороже, но её преимущество в том, что полученная картинка передается и на матрицу, и в видоискатель. Такая система возможна с перемещением матрицы (то есть двигается сама матрица), что позволяет использовать любые объективы. Оптическая система не влияет на качество фото даже при увеличении, однако потребляет больше энергии.

Цифровой стабилизатор – это установленные в процессор программы, определяющие, насколько миллиметров картинка сдвинута. При такой работе теряется часть изображения с краёв матрицы. Данный стабилизатор хуже справляется с увеличением, возможны помехи на изображении.

Матрица зеркальной цифровой фотокамеры

Матрица зеркалок – это аналоговая либо цифро-аналоговая микросхема с фотосенсорами. Последние представляют собой светочувствительные элементы, которые преобразуют энергию света в электрический заряд (пропорционален по величине яркости освещения). Таким способом матрицы переводят оптическое изображение в аналоговый сигнал либо в цифровые данные. Которые затем поступают по цепочке преобразователь-процессор-карта памяти.

Основными характеристиками матриц являются:

  • разрешение;
  • размер;
  • светочувствительность (ISO);
  • соотношение между сигналом и шумом (скоплением хаотично расположенных точек разных цветов, появление которых связано с недостатком освещенности объектов).

Под разрешением понимают количество светочувствительных элементов в детали, измеряемое в современных приборах мегапикселями (соответствует миллиону фотосенсоров). Чем больше их число, тем лучше будут переданы на фото мелкие детали.

От размера матрицы, измеряемого по диагонали, зависит количество фотонов, которое она может уловить, а также присутствие шумов на получаемом изображении. Чем этот параметр больше, тем лучше (шумов меньше). Диагональ детали в востребованных моделях фототехники составляет 1/1,8 -1/3,2 дюйма.

Светочувствительность матриц находится в пределах 50-3200. Большие значения чувствительности позволяют проводить съемку при плохой освещенности, например, в сумерках либо в ночное время. Но при этом возрастает уровень шума. Оптимальным уровнем ISO считается его значения от 50 до 400. Увеличение чувствительности сопровождается возрастанием шумов.

В зеркальной фототехнике распространение получили две разновидности матриц:

  • полнокадровые (совпадают размером с кадром пленки 35 мм);
  • усеченные (с уменьшенной диагональю).

Матрицы отличаются друг от друга форматами, которые бывают следующими:

  • Full Frame – полнокадровые (35×24 мм);
  • APS-H – матрицы профессиональных фотоаппаратов (29×19-24×16 мм);
  • APS-C – применяются в моделях изделий потребительского класса (23×15-18×12 мм).

Полнокадровые матрицы больше размерами, чем усеченные. Ими оснащают профессиональные модели фотокамер.

Обзор фотоаппаратов с мгновенной печатью

Фотоаппараты мгновенной печати производят многие фирмы. Популярностью в наши дни пользуются изделия двух компаний, занимающихся производством фототехники и расходных материалов к ней: Polaroid (США) и Fujifilm (Япония). Надо отметить, что американская компания является пионером и флагманом, которая разработала устройства для моментальных снимков еще в далеком 1937 году. Длительное время они так и назывались — полароидные фотоаппараты. В то время выпускались устройства только аналогового типа. Современные изделия резко отличаются от своих первоначальных собратьев. Они не черно-белые (первые фотоаппараты были именно такими) и качество снимков стало значительно выше. Моментальная фотокамера претерпела изменения в лучшую сторону в связи с развитием цифровых технологий и созданием современных материалов.

Отзывы людей, которые имеют фотокамеры быстрой печати, позволили выделить наиболее популярные модели компании Polaroid.

  1. Socialmatic. Компактная камера с привлекательным дизайном печатает изображение на бумаге и загружает в сеть. Для этого достаточно нажать кнопку спуска затвора с разных сторон.
  2. Z340. Эта уникальная цифровая камера имеет набор дополнительных опций, позволяющих получать яркие насыщенных тонов снимки размером 10,2 х 7,6 см.
  3. Z2300. Миниатюрна, компактная, удобная в пользовании и очень легкая фотокамера моментальной печати с аккумулятором позволяет изготавливать снимки размером 7,6 х 5,4 см. Их можно печатать, сохранять на карту памяти, сбрасывать через USB в ПК, снимать видео. Здесь присутствуют такие режимы съемки, как макро и пейзаж.
  1. Instax Wide 300. Аккуратная, легкая, имеющая привлекательный дизайн камера позволяет получить самый большой по размерам снимок (10,8 х 8,6 см). Имеется фокусировочное кольцо, гнездо для крепления к штативу, вспышка заполняющая и автоматическая. Настройки и количество оставшихся кадров отображаются на LCD-экране.
  2. Instax Mini 50S. Фотокамера моментальной печати имеет встроенный режим макросъемки. Также здесь можно подбирать необходимый для разного уровня освещенности режим съемки. Камера компактная, фотографировать ей довольно просто.
  3. Instax Mini 90 Neo Classic — компактное изделие с аккумулятором. Имеет большое количество режимов для выбора дизайна фото, которое получается в классическом стиле размером 9,9 х 6,2 см. Увеличено время выдержки. Имеется возможность корректировки экспозиции.

CMOS

Другой набирающей популярность технологией изготовления сенсоров цифровых камер является CMOS (Complimentary Metal-Oxide-Semiconductor, или Комплиментарная Метал-Окисел-Полупроводник , КМОП). В отличие от CCD, CMOS выполняет преобразование заряда в напряжение (то есть усиление) непосредственно в самом пикселе, а затем обеспечивает прямой доступ к содержимому произвольного пикселя аналогично тому, как это происходит в памяти компьютера. Произвольный доступ к элементам изображения позволяет увеличить скорость камеры при предварительном считывании, а за счет использования для изготовления сенсора технологии, широко применяемой при производстве многих цифровых микросхем, CMOSсенсоры могут быть интегрированы с другими компонентами цифровой камеры — АЦП и даже процессором, выполняющим обработку изображения. К преимуществам CMOS можно отнести значительно более скромное энергопотребление, а также компактность и дешевизну всей конструкции камеры, ведь усилитель и АЦП как отдельные компоненты уже не нужны. Однако до недавнего времени CMOS использовался только в самых дешевых камерах, поскольку он не мог соперничать с CCD по качеству изображения: за счет того, что каждый пиксель пользуется собственным усилителем, в результирующей картинке был заметен изрядный разнобой. Да и с чувствительностью матрицы возникали проблемы, ведь за счет обилия электроники на матрице оставалось не так уж и много места для собственно светочувствительных элементов. Однако возросшее качество производства кремниевых пластин, улучшенная схема усилителя и продвинутые технологии подавления шумов нынче позволяют CMOS-сенсорам вполне успешно конкурировать по качеству с CCD. Так что даже Canon несколько лет назад отважился выпускать цифровые «зеркалки» профессионального уровня (D-30, а ныне D-60 и D-10) на базе CMOS-сенсоров.

Технологии
В США фонари вызывают полицию, если в городе стреляют

Как легко представить, чем больше расстояние от центра кадра, тем меньше угол, под которым лучи света падают на поверхность сенсора, а под прямым углом лучи попадают на сенсор лишь в центре кадра. Обычная фотопленка не особенно чувствительна к углу падения света, а вот в случае сенсора это критично. Так что производителям некоторых матриц и здесь приходится идти на изрядные ухищрения, располагая над каждым из пикселей микроскопическую линзочку, фокусирующую луч света в нужное место и под правильным углом.

Как устроен фотоаппарат

Для облегчения знакомства с устройством камеры, пойдём по тому же пути, который проходит свет. То есть наше путешествие начнётся с объектива — системы линз, среди которых находится диафрагма. Линзы нужны для того, чтобы направить поток лучей в нужном направлении. А диафрагма — чтобы регулировать количество света, которое пройдёт сквозь объектив.

Дальше начинаются варианты:

  1. У зеркальной камеры после объектива находится зеркало, которое перенаправляет большую часть лучей на специальную призму, преломляющую их и направляющую на систему линз оптического видоискателя. То есть пользователь видит именно то, что попало в объектив фотоаппарата. На расположенный за зеркалом затвор свет не попадает.
  2. В беззеркальной камере лучи останавливаются на затворе. И тут опять есть варианты. Затвор может находиться в положении визирования, тогда на цифровой видоискатель попадает изображение с матрицы. А может быть просто закрыт, если речь идёт об отдельном видоискателе, чья ось параллельна оси объектива, но не совпадает с ней.

За затвором находится матрица или плёнка. В первом случае камера будет дополнена цифровым блоком обработки и хранения данных, с которого информация передаётся на карту памяти. А во втором — механизмом перемотки плёнки. На этом с базовыми элементами все.

Зеркальные фотоаппараты

Популярны как у профессионалов, так и у любителей. Главная особенность – благодаря конструкции позволяют контролировать съемку «от и до». Рассмотрим, что у них находится «под шкурой».

Зеркалка состоит из двух частей – тушки и объектива. При этом к одной тушке может быть несколько разных по типажу объективов.

Объектив

Представляет из себя набор линз и диафрагму. Объективы бывают разными – широкоугольные, нормальные, длиннофокусные. Именно от объектива зависит качество и тип фотографий, и о них стоит поговорить отдельно.

Впрочем, вне зависимости от вида, конструкция остается неизменной:

Если говорить предметно:

  1. Набор линз, через который проходит отраженный от объектов свет.
  2. Диафрагма. По сути – набор подвижных лепестков. Диафрагма регулирует количество света, которое поступает извне. Степень раскрытия лепестков и определяет, какой будет фотография – светлой или тёмной.
  3. Ещё один набор линз, через которые свет поступает непосредственно в «тушку». А именно в тушке уже находятся датчики и зеркала, которые регулируют расположение линз.

Зачем нужны линзы? Они определяют, сколько окружающего пространства попадёт на фото, на что будет направлен фокус, как будет работать зум и так далее.

Тушка

Именно в ней находится «мозг» аппарата. Рассмотрим все детали с помощью схемы:

Если говорить предметно:

  1. Пучок света, прошедший сквозь систему линз и диафрагму, попадает на полупрозрачное стекло. Увидеть его можно не только на схеме, но и при съёме объектива с тушки. Здесь поток света делится на две части.
  2. Первая часть попадает на фазовые датчики, они же – система фокусировки. Именно она определяет, в каком положении будут линзы, и, соответственно, что именно будет в фокусе.
  3. Вторая часть поступает на другой фокусировочный экран. Выглядит он как матовое стекло, над которым нависает увеличительная линза. Так фотограф может оценить, насколько верно настроен фокус перед съёмкой.
  4. Сразу после матового стекла пучок света попадает в «горбушку», характерную для всех зеркалок. Тут располагается пентапризма. Именно здесь изначально перевёрнутая картинка приводится в привычный нам вид и отправляется дальше – в видоискатель.
  5. Видоискатель – экран, на который проецируется изображение. Может быть разных размеров и оттенков. В профессиональных аппаратах и камерах «выше среднего» видоискатель большой и светлый – это облегчает жизнь фотографу, поскольку можно сразу оценить кадр, задать правильные настройки, посмотреть, как поставлен фокус.

Настоящая магия начинается после нажатия кнопки. Полупрозрачное зеркало (1 на предыдущей схеме) поднимается, и пучок света уже не дробится по фокусировочным экранам, а попадает сразу на матрицу.

И здесь в дело вступают ещё два принципиально важных для «тушки» элемента:

  1. Затвор. «Выбрасывается» в момент нажатия на кнопку. Именно он определяет выдержку (то, сколько времени свет будет поступать на матрицу). У него есть два принципипально важных параметра – лаг и скорость. Лаг – время, которое проходит от нажатия кнопки до выбрасывания затвора. Показатель принципиально важен для фотографирования динамичных объектов. Чем меньше лаг – тем чётче фотография. Скорость определяет, сколько времени затвор будет открыт минимально.
  2. Матрица, на которую поступает пучок света. По сути – микросхема с отдельными светочувствительными элементами.

Если не углубляться в технические детали, именно после матрицы изображение обрабатывается и записывается на карту памяти фотоаппарата.

Как переместить видео на компьютер

Захват видео – это процесс переноса видеоматериала с камеры на компьютер. Данный термин не совсем точно передает суть процесса, так как передача осуществляется без каких либо изменений данных.

Многие пользователи не подозревают, что перенести данные с камеры на компьютер немного сложнее, чем фотографии: здесь не используется обычный usb-кабель и соответствующие разъемы, а требуется специальный контроллер IEEE-1394. Если по каким-то причинам его нет в ПК, то его можно приобрести отдельно в виде платы или же внешнего разъема.

Итак, для того чтобы скинуть видео с видеокамеры на компьютер, необходимо придерживаться следующего алгоритма действий.

  1. Подключить устройства с помощью специального кабеля, который чаще всего поставляется в комплекте с камерой. Этот кабель имеет штекеры разного размера с каждой из сторон. Большой штекер втыкается в материнскую плату через разъем 1394, маленький – в камеру. В некоторых случаях может быть наоборот, поэтому следует смотреть на конкретное устройство.
  2. Видеокамеру после подключения необходимо включить и нажать на Play.
  3. Далее весь процесс управления осуществляется с компьютера.

Совет! Если камера не подключается, то следует изъять кабель и выключить камеру, а после попробовать повторить процесс. При этом включать камеру следует уже после ее подключения к ПК.

Устанавливать драйвера для этого разъема или камеры не нужно: начиная от Windows XP, система сама определяет подключенное устройство. Для работы понадобятся специальные программы для захвата видео с видеокамеры. Как правило, каждый бренд прилагает в комплект к устройству диск с соответствующей программой, но многие предпочитают устанавливать сторонние бесплатные утилиты. Они имеют лучший и расширенный вариант функций по сравнению с родным софтом от производителя камеры.

Важный момент, который следует знать о видеозахвате – он идет в режиме реального времени, то есть длится ровно столько, сколько времени идет сама запись. Осуществлять процесс нужно при условии достаточного времени на это мероприятие, а также не будет лишним позаботиться о нужном количестве свободной памяти на ПК. Современные камеры пишут видео в очень хорошем качестве, поэтому размер файла может достигать десятков гигабайт.

Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Максим Иванов
Наш эксперт
Написано статей
129
Ссылка на основную публикацию
Похожие публикации