02.12.2008. Принцип работы цифровой камеры

Современная цифровая фототехника настолько усовершенствована, что достаточно нажать всего одну кнопку и снимок готов. Нажатие другой кнопки переносит его на печать. Даже ребенок справится с этими несложными задачами.

Но даже пользуясь цифровой камерой, не все люди представляют себе принцип её работы. Как изображение попадает в камеру и записывается на носитель информации? Постараемся в этом разобраться.

Из чего состоит цифровая фотокамера?

Конструкция цифровой камеры во многом похожа на конструкцию аналоговой. Условно фотокамеру можно разделить на две части — объектив и корпус. Корпус включает в себя механизм фотокамеры: затвор, процессор, матрицу, управляющие органы. Объектив может быть съемным и встроенным, он представляет собой группу линз, заключенных в корпус из металла или пластика.

Единственное принципиальное различие цифровой и аналоговой камеры — светочувствительный элемент, отвечающий за формирование изображения. У аналоговых фотокамер светочувствительным элементом служит фотопленка, у цифровых эту роль играет матрица. При прохождении луча света через объектив светочувствительный элемент фиксирует изображение.

Как формируется картинка

Цифровая матрица разбита на миллионы пикселей — светочувствительных ячеек. При попадании света на каждую отдельно взятую ячейку вырабатывается электрический сигнал. Величина сигнала пропорциональна интенсивности светового луча. Поскольку во внимание принимается лишь яркость света, на матрице записывалось бы черно-белое изображение, если бы не ухищрения конструкторов фотокамер. Для получения цветного снимка ячейки матрицы покрывают светофильтрами. Точнее, каждая ячейка покрыта каким-нибудь одним светофильтром — синим, красным или зеленым, согласно схеме RGB (то есть, "red-green-blue"). Этот набор цветов считается основным, остальные оттенки являются его производными.

Фильтры матрицы устанавливаются группами по 4 штуки. На 2 зеленых фильтра приходится 1 синий и 1 красный, поскольку глаз человека лучше воспринимает зеленый цвет.

Лучи света обладают различными длинами волн в зависимости от спектра. Фильтр "пропускает" луч света только с определенной длиной волны. В результате на матрице фиксируется изображение из синих, зеленых и красных пикселей, то есть, записывается файл в формате RAW, называемом "сырой формат". Для перевода формата RAW в JPEG или TIFF проводится анализ цветового значения каждого пикселя и соседних с ним ячеек. Эта работа (цветовая интерполяция) выполняется процессором камеры, от нее напрямую зависит качество полученных изображений.

В зависимости от способа считывания информации, различают два основных типа матриц: CCD и CMOS. Матрица типа CCD (или ПЗС) отличается последовательным считыванием информации из ячеек. Обработка файлов большого формата в этом случае выполняется довольно долго. Но, несмотря на медлительность, такие матрицы отличаются меньшим количеством шумов на изображениях и низкой стоимостью.

В матрицах CMOS (КМОП) информация считывается с каждой ячейки, учитывая её координаты. Такая матрица может использоваться для автофокусировки и экспозамера.

Помимо вышеупомянутых матриц, которые относятся к однослойным, существуют также трехслойные матрицы. Каждая ячейка в них способна воспринимать сразу три цвета, в зависимости от длины волны светового потока.

Как уже было сказано раньше, за результат формирования картинки отвечает процессор фотокамеры. В автоматическом режиме процессор определяет параметры для наилучшей экспозиции, исходя из условий фотосъемки. Таким образом, скорость работы фотокамеры и качество фотографий зависят от процессора и программного обеспечения.

Искажения — враг фотоснимка

Световые лучи, прежде чем достигнуть матрицы, проходят через набор линз объектива. Каждая линза в отдельности не позволяет получить изображение без искажений. Особенно заметны искажения по краям (это явление называется аберрация). Диафрагма, состоящая из лепестков, открывающих круглое отверстие посередине, помогает направлять пучок света непосредственно на светочувствительный элемент, но и чересчур маленькое отверстие нельзя оставлять — уменьшается количество света, фиксируемое сенсором. Поэтому, чтобы снизить аберрацию, несколько линз (больше трех) собирают последовательно.

И тут возникает другая проблема. Как бы ни были прозрачны линзы, они пропускают не все световые лучи, а частично рассеивают их или отражают. Справиться с данной проблемой помогает просветление оптики. Если приглядеться к фотообъективу, можно заметить, что его линзы радужно переливаются из-за специального просветляющего напыления.

Характеристики объектива

Первая характеристика — фокусное расстояние. Оно равно расстоянию от передней линзы до светочувствительного элемента — матрицы. От этого параметра зависит насколько далеко "видит" объектив и какой у него угол обзора. Маленький угол обзора телеобъективов визуально приближает изображение, широкоугольные объективы, наоборот, отдаляют его.

Другая характеристика объектива — светосила или величина максимально открытой диафрагмы. Маркировка объектива имеет вид, к примеру, 28/2, здесь 28 – это фокусное расстояние, а двойка – это светосила. На зум-объективах маркировка имеет следующий вид: 14-45/3,5-5,8. Для зумов указывается разброс значений светосилы, например, 3,5-5,8. Это характеризует предельные величины диафрагмы на разных фокусных расстояниях.

Но не только от фокусного расстояния зависит угол обзора объектива. Важным параметром является диагональ светоприемника. В 35-миллиметровых пленочных фотокамерах нормой считался объектив с фокусным расстоянием в 50 мм. Объективы с большим фокусным расстоянием — это телевики, с меньшим — широкоугольные.

Цифровая матрица отличается несколько меньшей диагональю, чем 35-миллиметровый кадр фотопленки. Поэтому для выбора соответствующего объектива требуется "перевести" его параметры в привычный эквивалент. Так, например, объектив с фокусным расстоянием 18мм для пленочной фотокамеры считается суперширокоугольным, а для цифровой камеры его фокусное расстояние будет 30 мм или больше. Что касается телевиков, то увеличение их фокусного расстояния применительно к цифровой камере оказывается только на руку фотографам.

Несколько слов о видоискателе

Видоискатель для пленочной фотоаппарата просто необходим, а вот некоторые цифровые камеры позволяют отказаться от него. В качестве бюджетного варианта применяется видоискатель-отверстие в корпусе фотокамеры. Это так называемый видоискатель реального видения. Разумеется, картинка, обозреваемая через него, не вполне соответствует той, что получится на снимке.

Профессиональные зеркальные цифровые камеры отличаются видоискателями особой конструкции. Система зеркал передает изображение в видоискатель, чтобы фотограф смог оценить площадь кадра. Во время открытия затвора зеркало, загораживающее его, поднимается, чтобы не мешать прохождению света внутрь фотокамеры.

В псевдозеркальных фотокамерах устанавливаются электронные видоискатели. Изображение с матрицы в этом случае передается на небольшой ЖК дисплей.

Внимание, вспышка!

Как известно, фотовспышка, служит для подсветки объекта съемки в условиях недостаточного освещения. Встроенные в фотокамеру импульсные источники света, как правило, недостаточно мощные. Они позволяют осветить лишь передний план.

Профессиональные и полупрофессиональные камеры оснащены контактом (так называемым, "горячим башмаком") для подключения внешней подсветки высокой мощности.

Щелчок затвора

Время воздействия светового луча на светочувствительный элемент называется выдержкой. Оно длится доли секунды. Обычный механический затвор представляет собой пару непрозрачных шторок, прикрывающих светочувствительный элемент. При нажатии кнопки спуска шторки открываются с помощью пружин или электромагнитов.

Компактные цифровые камеры могут быть оснащены электронным затвором. Шторок в таких камерах нет, и матрица непрерывно фиксирует изображение, передавая его на ЖК дисплей. При нажатии пусковой кнопки происходит экспонирование кадра в течение необходимого времени выдержки. После чего кадр записывается в память. Выдержка электронного затвора, лишенного створок, может быть ультракороткой.

Наводим фокус

Выше уже упоминалось, что автофокусировку можно выполнить с помощью матрицы. Между тем, следует знать, что фокусировка бывает пассивной и активной.

Активная фокусировка предполагает наличие передатчика и приемника, которые работают с ультразвуковым или инфракрасным излучением. В этом случае расстояние до объекта вычисляется с помощью метода эхолокации. Фокусировка пассивного типа работает по методу оценки контраста. Некоторые профессиональные камеры используют оба способа фокусировки.

Площадь матрицы позволяет предусматривать на ней множество фокусировочных зон либо использовать "плавающий" фокус, размещаемый по желанию фотографа.