СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ ЦИФРОВЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ

Эволюция цифровой фотографии

Время на прочтение

Мы в ЛАНИТ любим фотографию. Не какое-то конкретное фото, а сам вид искусства. Так, Inventive Retail Group (часть нашей группы) проводит фотовыставки в рамках проекта re:Store digital art (здесь статья об одной из экспозиций, а здесь информация о действующей выставке), а также мы организуем успевшие стать традиционными фотоконкурсы среди сотрудников.

В этом посте мы расскажем о том, как развитие информационных технологий стало стимулом к дальнейшему развитию фотографии. Конечно, говорить будем только о цифровой фотографии, иначе велик риск докопаться в бездне времен до дагерротипов и камеры-обскуры.

Поэтому за точку отсчета предлагаем взять 1970 г., когда на основе прибора с зарядовой связью (ПЗС) был создан прототип первого видеофотоаппарата.

ПЗС против КМОП

Итак, в 1969 г. два находчивых гражданина США Джордж Смит и Уиллард Бойл изобретают сам прибор с зарядовой связью, и уже год спустя в 1970 г. они смогли фиксировать изображения при помощи ПЗС-линеек. Логичным продолжением этого стало создание ПЗС-матриц.

Примерно в то же время создаются CMOS-матрицы (они же КМОП, комплементарная структура металл-оксид-полупроводник, но даже для русского уха, судя по по всему, CMOS оказался милее). Тогда, в конце 1960-х, CMOS уже показывали приемлемый уровень светочувствительности, но у ПЗС этот уровень был куда выше. Как, впрочем, и качество выдаваемого изображения.

На этом этапе в дело вступил самый главный двигатель развития технологий — деньги. Правильный бюджет в правильных руках иногда творит чудеса. Руки принадлежали Кадзуо Ивама, опытному инженеру и главе Sony, а бюджет, как можно догадаться, — Sony. Корпорация тогда делала видеокамеры и заметила хорошую возможность. Она начала вкладываться в ПЗС весьма резво, чтобы вытянуть технологию на новый уровень и поставить в свои видеокамеры такие матрицы, что закачаешься.

Работали японцы активно. Уже через 5 лет, в 1975 г., внедрение ПЗС-матриц в производство стало очень активным. А через 14 лет, в 1989 г., ПЗС-матрицы являлись нутром почти всех видеокамер в мире (97%).

Кадзуо так активно развивал технологию, что после смерти на его надгробной плите установили микросхему ПЗС в память о достижениях.

Норио Ога, президент Sony с 1982 по 1995, установил ПЗС-чип на надгробной плите Кадзуо, чтобы в очередной раз подчеркнуть вклад, который тот внёс в развитие технологии и самой корпорации. Источник — официальный сайт Sony

В этом же 1975 году ребята из Kodak сделали первый в мире бесплёночный фотоаппарат с ПЗС-матрицей на 0,01 Мпикс. (по текущим меркам, так как сам термин «мегапиксель» тогда еще не существовал).

Первая в мире цифровая камера и её создатель — инженер Kodak Стив Сассон

Стиву и его коллегам пришлось решать сразу несколько проблем, как и подобает истинным первопроходцам. И все они связаны с хранением подобных изображений. Решено было использовать новый (по тем временам) процесс, называемый цифровизацией (это когда электронные импульсы преобразуются в числа. Когда с этим разобрались, всплыла вторая задача — как теперь все это нормально сохранять в оперативной памяти, чтобы потом нормально переносить информацию на магнитную ленту. В итоге свет увидела первая цифровая камера, в состав которой входил портативный кассетный магнитофон, аналого-цифровой преобразователь, 16 батареек (никель-кадмиевых) и десятки цепей на 6 платах.

Качество снимков для того времени, учитывая как возможности самой фотокамеры, так и экранов, с которых просматривали снимки, можно оценить как вполне себе неплохое.

В 1981 году в Sony создают видеофотоаппарат Mavica  (это штуковина, которая писала статичные изображения на видеокассеты, тогда это было нормальным).

CMOS не отставала, и уже в начале 1990-х был первый скачок технологий, который хорошо помог этому виду матриц: субмикронную фотолитографию прокачали до уровня, который позволил использовать в CMOS-сенсорах более тонкие соединения. Благодаря этому ощутимо подросла светочувствительность (больший процент облучаемой поверхности матрицы).

А потом в дело вступил еще один гигант с таким же гигантским бюджетом, тягой к знаниям и усовершенствованию технологий — NASA.

Лаборатория реактивного движения NASA, вблизи Лос-Анджелеса (Википедия)

Именно здесь в 1993 г. создали активно-пиксельный датчик (APS), что и позволило матрицам CMOS стать такими, какими мы их знаем.

Лаборатория реактивного движения прекрасно оправдала свое название даже в этом — после создания APS-матрицы CMOS стали полноценной альтернативой CCD (ПЗС). Свои плюсы и минусы есть у каждой из технологий, но главными преимуществами CMOS считаются более низкое энергопотребление и не такая сильная боязнь точечного света. А тут еще спецы Sony, поняв, что CMOS — тоже штука неплохая, которую можно развивать не хуже, чем ранее CCD, прокачали технологию с помощью Backlight illumination.

Интересующимся — статья CMOS vs CCD (на английском).

Все это делало технологию доступнее для производства, а значит, и сказывалось на цене в сторону, удобную для покупателя. Фотоаппаратов и видеокамер с такими матрицами становилось все больше и больше, а сами они доступнее, что помогало обзавестись неплохим инструментом даже начинающему фотографу. А как только цифровики стали доступнее, они очень резво вытеснили пленочники с рынка.

Мегапиксели и карты памяти

Сам термин «мегапиксель» придумали в Kodak, когда в 1986 г. сделали промышленную монохромную ПЗС-матрицу на 1,4 Мпикс. Это сейчас нормально, что у человека в смартфоне 20 Мпикс. А то и больше.

Например, Huawei mate 20 Pro. Три основных камеры — 40+20+8 MP (прекрасный чехол с Арнольдом можно приобрести тут).

Лет 20 назад все было немного иначе.

1991 г. — Kodak вместе с Nikon делают Kodak DCS100, первую цифровую зеркалку.

Kodak DCS100 с надписью Nikon. Почему так — см. далее

Штука под фотоаппаратом — это то, что раньше использовали вместо SD-карт. Это Digital Storage Unit, на котором зеркалка хранила все сделанные фотографии. Ну ОК, не все, а сколько помещалось на 200 мегабайт 3,5-дюймового харда. Порядка 156 фото без сжатия или 600 со сжатием. Витой шнурок как у проводных телефонов давал возможность поставить storage kit на стол или полку в процессе съемки, или вообще аккуратно положить его в рюкзак за спиной. Экранчик позволял посмотреть, получилось фото или не особо, а еще можно было поставить внешнюю клавиатуру и дописывать к фото полезные описания или хэштег #nofiltres.

Вопрос с корпусами решался довольно просто. Тогда не было промышленных заказов на цифровые фотоаппараты, соответственно, корпуса массово не выпускались, а печать их в качестве прототипов на 3D-принтерах затруднялась из-за отсутствия 3D-принтеров. Поэтому ребята просто брали корпуса от имеющихся пленочных фотокамер, и на их базе творили будущее. В этом случае тушкой стал легендарный пленочный Nikon F3. Оставалось лишь навесить на нее матрицу, аккумулятор и прочее высокотехнологичное добро.

Jim McGarvey, ведущий инженер KODAK (DSLR), с March Camera в руках.

Обратите внимание на самую нижнюю часть фотоаппарата.

В этом черном футлярчике помещалась память, 5 плашек DRAM на 1 мегабайт, что позволяло хранить вне Storage Kit целых 4 (четыре) полноразмерных фотографии.

Кстати, о сжатии. Технологию JPEG-сжатия статических цифровых изображений утвердили в качестве рекомендации Т.81 в 1998. Формат CF (CompactFlash) для хранения этого графического добра создала SanDisk. Эволюция формата касалась главным образом изменений ТТХ в части скорости записи изображения и емкости самого накопителя, а также количества пинов в самой карте.

И хотя сейчас прогресс у этих карт дошел до своего максимума (можно пойти и купить карту на 512 гигабайт с хорошими показателями чтение-запись), но по ряду параметров они все же уступают SD-картам. S D — это такая вещь в себе, которая довольно монолитна и которую сложно испортить, попытавшись вставить в ридер или фотоаппарат не под тем углом, а вот CF в этом случае может пострадать (пины погнутся, например). Ну и, собственно, размер самой карты.

Весила система хранения снимков вместе с аккумуляторами 3,5 кг. Все вместе с фотокамерой — 5 кг. Становится понятно, почему среди тогдашних фотографов было так мало откровенно хилых парней.

Сами снимки подобные фотоаппараты выдавали вполне себе приемлемого качества, если учитывать, что это просто тушка от пленочника, из которой сделали цифровик, просто добавив матрицу и несколько плат.

Сейчас совсем бюджетные китайские смартфоны иногда снимают хуже, чем первые цифровые камеры, которым сейчас больше 30 лет. Все фото — 640*480 пикс., четверть от максимального разрешения фотокамеры (больше фото здесь).

Существовали и вот такие системы хранения снимков — не такая здоровенная, но все равно тяжелая алюминиевая штуковина.

16 мегабайт и возможность хранить 12 полноразмерных фотоснимков или 48 снимков разрешением 640х480 пикс. Полные ТТХ можно посмотреть тут.

Canon EOS DCS 1 (он же — Kodak Professional EOS-DCS 1)

Сейчас более диким является не тот факт, что эта штука стоила порядка 40 000 долларов (2 482 420 рублей на момент публикации статьи), а то, что на одном гаджете стоят шильдики конкурентов.

Так или иначе на фото — рекордсмен по мегапикселям на 1995-й год. Тут их целых 6, матрица формата APS-H.

А в нулевых техника дошла уже до 20 Мпикс. Как до своего рода стандарта для продвинутых фотокамер. Конечно, были и мыльницы с куда меньшим разрешением.

Сравнение размеров матриц, Википедия

Шли годы. Компании продолжали совершенствовать матрицы, принимали новые стандарты (в плане размеров матриц для фотоаппаратов и форматов хранения файлов). Самих фотокамер становилось все больше. Цены на профессиональную технику стали хотя бы частично напоминать доступные.

Мобильная фотография

И уж совсем упростили процесс смартфоны. Начиналось все то же на цифрах, которые сегодняшнему читателю показались бы смешными.

Первый камерофон ожидаемо был японским. Бытует стереотип, что первыми были Nokia. Нет, у них просто был один из первых известных и с неплохой камерой, N8 — 12 Мпикс. в телефоне на момент 2010 г. это было вообще ух. А еще был первый европейский камерофон, 7650, который сразу снимал в jpeg 640х480 и мог передавать только что снятые фото по MMS.

Но если рассматривать историю пошагово, то сначала это был телефон от Kyocera (да, да, не только принтеры).

Википедия. V P-210, 0,1 Мпикс., 1999 г.

Затем свой камерофон сделали в Sharp.

2000 г., почти аналогичная камера. Обратите внимание на зеркальце на задней панели — прошло почти 20 лет, а эту идею снова пытаются поставить на конвейер.

2018, LG и их смартфон с 16 фотокамерами (подробнее).

Дальнейшее развитие не заставило себя ждать — ряд мобилок с одномегапиксельными фотокамерами от разных вендоров, затем прорыв в виде 8 Мпикс. в телефоне от Samsung, G800, а потом и Nokia 808 PureView с сенсором на 41 Мпикс. и Lumia 920 с настоящей оптической стабилизацией.

Сегодня

Сейчас почти у каждого в кармане смартфон, чьи фотографические возможности вполне себе сравнимы с цифровыми мыльницами среднего и верхнего ценового диапазонов. А некоторые топовые модели снимают почти как зеркалки, хоть для боке и используется софт, а не характеристики самой фотокамеры.

Здесь можно долго спорить, что же лучше и для каких задач — фотокамера топового смартфона, зеркалка или беззеркалка. У каждого вида фотоаппарата всегда будет своя целевая аудитория и спектр задач, который можно решить только этим видом техники.

Главное — в другом. Фотография как процесс, как искусство стала более чем доступна. Тысячи людей создают прекрасные фотоснимки благодаря смартфонам (и сотни тысяч других людей снимают на эти же смартфоны так, что снимать им не стоит вообще никогда). Учреждаются вполне профессиональные конкурсы и выставки, посвященные мобилографии (собственно, как и упомянутая в начале поста выставка от Inventive Retail Group).

Фотографии стали занимать больше места в памяти устройств и больше места в нашей жизни. Все это время они эволюционировали вместе с техникой и софтом. Становились больше по разрешению и насыщеннее по цветам, получали добавочные плюшки (Live Photo, быстрое создание панорам, полноценные портретные режимы, целая куча предустановленных режимов для съемки еды, пейзажей, котов, детей).

Что характерно, различные приложения для обработки фото обычно носят хайповый характер. Те же PRISMA, MSQRD, Vinci оказались вполне себе забыты примерно через полгода, как и следовало ожидать. Народ вернулся к классике — обычным фото + все-таки именно к цифровой ретуши, нежели использования программ, полностью преображающих фотографию. Одно дело, когда твое фото превращается в стилизацию картины маслом, это даже занятно первые пару раз, другое дело — FaceTune, с помощью которого милые дамы могут в пару кликов удалить со снимка морщины, которые начинают появляться в самых неожиданных местах.

Не софтом единым — уже не первый год для любителей не просто делать снимки на фотоаппарат, но еще и сразу делиться ими в соцсетях, создаются гибриды вида «фотоаппарат-смартфон», где вроде и сама оптика неплохая (точно лучше, чем в среднем смартфоне), и в качестве софта сразу какой-нибудь Android с возможностью быстро публиковать снимки, делиться ими, выводить на экран телевизоров и прочее. Спорить о качестве таких девайсов можно долго, так как обычно там камера слабее, чем у «чистого» фотоаппарата за те же деньги, да и смартфонная часть обычно урезанная (специальная прошивка, на которую можно поставить далеко не все, к чему привык на смартфоне. В итоге — недосмартфон-недофотик.

Как бы то ни было, спрос на такое есть, и рынок не мог не отреагировать.

Самый известный из таких комбайнов — Samsung GALAXY Camera.

Здесь вам и неплохая (для таких размеров и тех времен) оптика, и Android, и  4G, что делает софтовую часть полезнее не только при наличии wifi.

Были еще Nikon Coolpix S800C и парочка Полароидов — SC1630 и iM1836.

Затем на какое-то время эти устройства впали в заслуженное забытье, потому что флагманские смартфоны стали снимать не хуже (ну разве что оптический зум пока поменьше), а весили в несколько раз меньше.

Осенью 2018 года китайцы решили возродить этот класс техники — умельцы из Yongnuo сделали беззеркалку со сменными объективами на Android.

Выглядит уже посерьезнее аналогов. Сенсор 16 Мпикс. Four tdirds и объективы от Canon EF, сенсорный экран на 5 дюймов, возможность записи видео в 4К, 3 гигабайта оперативки и даже камера для селфи. Камера пока продаётся в Китае с байонетом EF. Официальные продажи по всеми миру должны начаться в 2020 году.

Тренды

За трендами хорошо наблюдать не только на основании мнений большинства потребителей, но и на технологических выставках. Одним из главных посланий Photokina 2018 (в 2019 её решили не проводить) было — активно развитие беззеркалок.

Парни из Canon сделали EOS R с самой скоростной (по их заверениям) системой фокусировки, 0,05 с.

Это полнокадровая камера с такими характеристиками:

Цена — 220 000 руб (была на старте, сейчас можно взять за 135 000 руб — спасибо guryanov). Вишенкой на торте — новое крепление объективов, несовместимое с предыдущими.

Вечный конкурент не отстает — у Nikon теперь тоже есть полнокадровая беззеркалка с отличными характеристиками.

Сам Z 7 + объектив 24-70/4 S обойдутся счастливому владельцу примерно в 304 000 рублей.

Что в итоге? В итоге теперь у каждой уважающей себя марки есть топовые полнокадровые беззеркалки — см. Sony α9 и полный кадр от Sigma. А теперь подтянулись и Nikon c Canon. Судя по всему, компактность становится все более важным фактором при выборе хорошей оптики.

Полный кадр — почти у всех (Fuji, Olympus). Стабилизатор на матрице — почти у всех. В общем, еще вчерашние киллер-фичи становятся чем-то таким же привычным, как запись видео в 4К.

Не меняется только одно, и технологии тут (пока) бессильны. Главное в фотографии — чувство прекрасного и руки из плеч. Потому что иногда даже на бюджетный смартфон на Android можно поймать куда лучший кадр, чем на топовую зеркалку с объективом стоимостью в две таких зеркалки. А вот остальное — дело техники.

Цифровое
изображение — графическая форма
представления данных, предназначенная
для зрительного восприятия.

Каждое
плоское изображение передается и
запоминается построчно в виде одномерного
сигнала.

Изображения
выводятся: -на
монитор в векторной или растровой форме;
а также

—
на принтер и/или графопостроитель.

ПРИНЦИП
ДЕЙСТВИЯ: Цифровые
изображения состоят из миллионов
мельчайших квадратиков, называемых
элементами изображения или пикселями:
чем больше пикселей содержит определенная
область, тем выше разрешение изображения
и тем в большей степени его можно
увеличивать до тех пор, пока можно будет
различить отдельные пиксели. Разрешение
также часто называют размером изображения,
например 1600 х 1200 пикселей или общее
количество пикселей, в данном случае,
1,9 миллионов или 1,9 мегапикселей.

При
входе света в цветную цифровую камеру
он проходит через фильтр (фильтр Байера),
который позволяет красному, зеленому
или синему свету достичь нижележащих
пикселей. За счет этого создается
изображение, в котором отдельные пиксели
содержат только определенную цветовую
информацию. Полноцветное изображение
целиком создается за счет интерполяции
информации соседних пикселей. Световые
лучи затем направляются на ПЗС, которая
конвертирует свет в электрические
заряды, пропорциональные интенсивности
излучения от объекта. Каждый пиксель
определяет яркость и цвет.

Цифровой
метод обеспечивает легкое хранение
изображений, обращение с ними и управление
ими. С помощью соответствующего
программного обеспечения для анализа
изображений они могут быть легко
проанализированы, прокомментированы,
сохранены и при необходимости снова
вызваны. Отсутствуют затраты на обработку,
изображения могут быть просмотрены
непосредственно после их регистрации
и переданы множеству пользователей
через интернет и веб-браузеры. Цифровой
метод также обеспечивает возможность
создания «виртуальных» микрофотографий,
где все поля зрения при любых увеличениях
могут быть оцифрованы и просмотрены на
компьютере (без необходимости использования
«обычного» микроскопа).

Полиграфия:
Компьютерная графика. Сюда относятся
те программы, с помощью которых можно
подготовить издание для печати в
полиграфии. В перечень этих программ
входят: настольные издательские системы,
редакторы для создания векторной и
растровой графики, текстовые и табличные
редакторы, пакеты работы со шрифтами и
т.п.

САПР:
Программы САПР (системы автоматизированного
проектирования) предназначены для
высокоточного проектирования. Существуют
программы САПР высокого уровня и
дружественные программы, разработанные
для домашнего и делового применения
пользователями, занимающихся специфическим
моделированием или конструированием
для собственных нужд.

Программы
САПР используются для детальной
разработки предметов реального мира:
зданий, автомобилей, частей механизмов
и т.п. AutoCad

Оптическое
распознавание символов
—
механический или электронный перевод
изображений рукописного, машинописного
или печатного текста в последовательность
кодов, использующихся для представления
в текстовом
редакторе.
Распознавание широко используется для
конвертации книг и документов в
электронный вид, для автоматизации
систем учета в бизнесе или для публикации
текста на веб-странице. Оптическое
распознавание текста позволяет
редактировать текст, осуществлять поиск
слова или фразы, хранить его в более
компактной форме, демонстрировать или
распечатывать материал, не теряя
качества, анализировать информацию, а
также применять к тесту электронный
перевод,
форматирование или преобразование
в речь.

1
Алгоритм скелетизации.

В
кратце, это некий метод распознавания
одинарных бинарных образов, основанный
на построение скелетов этих образов и
выделения из скелетов ребер и узлов.
Далее по соотношению ребер, их числу и
числу узлов строится таблица соответствия
образам. Так, например, скелетом круга
будет один узел, скелетом буквы П — три
ребра и два узла, причем ребра относятся
как 2:2:1. В программировании данный метод
имеет несколько возможных реализаций,
подробнее информацию по методу
скелетезации можно найти ниже в разделе
ссылки.

2
Нейросетевые структуры.

Направление
было очень модным в 60е-70е годы, в
последствии интерес к ним немного
поубавился, т.к солидное число нейронов
требует солидные вычислительные
мощности, которые обычно отсутствуют
на простеньких мобильных платформах.
Однако надо иметь ввиду, что нейросети
иногда дают весьма интересные результаты,
засчет своей нелинейной структуры,
более того некоторые нейросети способны
распознавать образы инвариантные
относительно поворота без какой либо
внешней предобработки. Так например
сети на основе неокогнейтронов способны
выделять некоторые характерные черты
образов, и распознавать их как бы образы
не были повернуты. Подробнее про эти
структуры можено узнать в разделе
ссылки.

Несмотря
на огромное разнообразие практических
задач обработки И, они сводятся к
небольшому количеству следующих основных
задач.

1)       Фильтрация
и улучшение визуального восприятия. Как
уже отмечалось, полезное И может
наблюдаться на фоне различных помех,
которые и требуется по возможности
ослабить. Кроме того, может потребоваться
сделать И более контрастным, выделить
контуры и т. д.

2)       Восстановление
отсутствующих участков. Из-за
сбоев передачи И или особо сильных помех
отдельные участки И могут отсутствовать.
Задача заключается в их восстановлении.
Такая задача возникает, например, при
реставрации картин, фотографий и фильмов.

3)       Обнаружение
объектов и их идентификация. Требуется
на фоне мешающих И найти интересующие
нас объекты. Если таких объектов может
быть несколько типов, то дополнительно
нужно их классифицировать. 4)       Оценка
геометрических трансформаций и совмещение
И. В
процессе наблюдения все И или отдельные
его части могут перемещаться из-за
динамики сцены, движения приемника или
несовершенства его конструкции,
турбулентности атмосферы и т. д. В
результате одни и те же элементы И
находятся на наблюдаемых кадрах в разных
местах, т.е. имеются геометрические
трансформации И. Иногда эти трансформации
являются мешающим фактором, например,
динамика медицинских И при дыхании
пациента.

5)       Оценка
параметров Изображения. В
эту группу входят задачи измерения
различных характеристик И или их
отдельных элементов: вероятностные
характеристики И, положение и размеры
объектов и т. д.

6)       Сжатие
И. Большой
объем и высокая скорость поступления
данных ставят повышенные требования к
накопителям и каналам передачи И.
Использование специфики И часто дает
возможность достигнуть значительно
большего сжатия, чем это позволяют
обычные архиваторы.

Визуализация
— это инструментарий, который позволяет
увидеть конечный результат вычислений,
организовать управление вычислительным
процессом и даже вернуться назад к
исходным данным, чтобы определить
наиболее рациональное направление
дальнейшего движения.

В
результате использования визуализации
создается графический образ данных.
Применение визуализации помогает в
процессе анализа данных увидеть аномалии,
структуры, тренды. При рассмотрении
задачи прогнозирования мы использовали
графическое представление временного
ряда и увидели, что в нем присутствует
сезонная компонента. В предыдущей лекции
мы рассматривали задачи классификации
и кластеризации, и для иллюстрации
распределения объектов в двухмерном
пространстве также использовали
визуализацию.

Главное
преимущество визуализации — практически
полное отсутствие необходимости в
специальной подготовке пользователя.
При помощи визуализации ознакомиться
с информацией очень легко, достаточно
всего лишь бросить на нее взгляд.

Хотя
простейшие виды визуализации появились
достаточно давно, ее использование
сейчас только набирает силу. Визуализации
не направлена исключительно на
совершенствование техники анализа — по
словам Скотта Лейбса, в некоторых случаях
визуализация может даже заменить его.

Визуализации
данных может быть представлена в виде:
графиков, схем, гистограмм, диаграмм и
т.д.

Кратко
роль визуализации можно описать такими
ее возможностями:

• поддержка
интерактивного и согласованного
исследования;

• помощь
в представлении результатов;

• использование
глаз (зрения), чтобы создавать зрительные
образы и осмысливать их.

В
настоящее время цифровые изображения
(снимки) в основном получают либо при
фотографировании объектов цифровыми
камерами, либо путем сканирования их
фотографических изображений.

И
в том и в другом случаях изображение,
сформированное посредством объектива,
(Рис 5) попадает не на пленку, а на
светочувствительный сенсор (матрицу).
Свет улавливается множеством крошечных
элементов сенсора (пикселов), каждый
их которых формирует электрический
заряд, в соответствии с количеством
попавшего на него света, а затем заряд
преобразуется в код и запоминается в
цифровой форме. Pixel
от англ. picture element — элемент изображения.

В
производстве сенсоров применяются две
технологии: ПЗС (прибор с зарядовой
связью, английский вариант названия —
ССD — charge-coupled device) и КМОП (комплиментарный
металлоксидный полупроводниковый
прибор, английский вариант — CMOS).
Первая технология старше второй, а
потому и сенсоры ПЗС лучше.

ПЗС это монолитный
чип представляющий собой совокупность
мельчайших датчиков-фотоэлементов, тем
или иным способом собранных в единую
матрицу.

Для
того, чтобы понять, как ПЗС работает,
представим себе МОП (металл – окисел –
полупроводник) конденсатор. В принципе
это просто электрод, отделенный от
кремния (полупроводника) слоем диэлектрика.
Для определенности будем полагать, что
полупроводник p
– типа, то есть концентрация дырок в
нем в равновесных условиях на несколько
порядков больше, чем концентрация
электронов. Если на такой электрод (его
называют затвором) подать положительный
потенциал, электрическое поле, проникая
через диэлектрик, отталкивает подвижные
дырки и возникает обедненная область
– некоторый слой кремния, свободный от
основных носителей. При параметрах
полупроводниковых подложек, типичных
для ПЗС, глубина этой области составляет
около 5 мкм. Напротив, электроны, если
они каким либо образом окажутся вблизи
(например,
в результате фотогенерации),
притянутся к затвору, и будут накапливаться
на границе раздела — окисел-кремний
непосредственно под затвором, то есть
сваливаться в яму, которая совершенно
официально называется потенциальной
ямой (рис. 6 а).
Электроны частично нейтрализуют
электрическое поле, задаваемое в
полупроводнике затвором, и возникающий
в потенциальной яме заряд будет равен
количеству света п

Пусть
теперь рядом с затвором расположен еще
один, и на него тоже подан положительный
потенциал, причем больший, чем на первый
(рис. 6 б).
Когда затворы расположены достаточно
близко, их потенциальные ямы объединяются,
и электроны, находящиеся в первой
потенциальной яме, перемещаются в
соседнюю, т.к. ее потенциал выше. Если
имеется цепочка затворов, то можно,
подавая на них соответствующие управляющие
напряжения, передавать локализованный
зарядовый пакет вдоль такой структуры.
Важно то, что для управления цепочкой
затворов любой длины достаточно трех
тактовых шин (рис 6 в).
Действительно, для передачи зарядовых
пакетов необходимо и достаточно трех
электродов: одного передающего (где
сформировался заряд), одного принимающего
и одного изолирующего, разделяющего
пары передающих и принимающих друг от
друга. Одноименные электроды таких
троек могут быть соединены друг с другом
в единую тактовую шину, требующую лишь
одного внешнего вывода. Это простейший
трехфазный регистр сдвига на ПЗС. Для
нормальной его работы в каждый момент
времени, по крайней мере, на одной
тактовой шине должен присутствовать
высокий потенциал, и, по крайней мере,
на одной – низкий (потенциал барьера).
При повышении потенциала на одной шине
и понижении его на шине предыдущей
происходит одновременная передача всех
зарядовых пакетов под соседние затворы.
А за полный цикл (один такт на каждой
фазовой шине) происходит сдвиг зарядовых
пакетов на один элемент регистра. Такое
свойство ПЗС называют самосканированием.

Для локализации
зарядовых пакетов в поперечном направлении
формируются так называемые стоп каналы
– узкие полоски с повышенной концентрацией
основной легирующей примеси, идущие
вдоль канала переноса (Рис 3). Повышенная
концентрация дырок препятствует
возникновению потенциальных ям в каналах
переноса (чем их больше, тем труднее их
отогнать, и электроны там не накапливаются).
Для улучшения работы (а неприятности
могут возникать из-за нарушения
однородности кристаллической решетки
подложки) в 1972 году были предложены ПЗС
со скрытым каналом. От рассмотренного
варианта последний отличается тем, что
в поверхностной области кремния создаемся
тонкий (не более 0.5 мкм) слой с проводимостью
противоположного подложке типа и с
такой концентрацией примеси, чтобы он
мог полностью обедняться при подаче на
него напряжения.

ервые
матрицы были с электродами, которые
формировались из металла (молибдена),
но была большая вероятность замыкания
металлических фаз друг на друга (а значит
потеря работоспособности матрицы). В
1974 году были предложены электроды из
поликристаллического кремния.

Достоинства
ПЗС: жесткий растр, который задается с
высокой точностью в процессе изготовления,
так что геометрические качества
изображения зависят только от качества
оптики.

Одной
из важнейших характеристик
светочувствительного сенсора является
его физический
размер.
Размеры сенсора определяются длиной
его диагонали, и измеряются в дюймах.
Стандартный ряд типоразмеров
светочувствительных матриц — 1/3, 1/2, 2/3
дюйма, есть и больше, например 5/3. При
одинаковом разрешении (количестве
ячеек) матрица большего размера лучше,
чем матрица меньшего размера. Она
способна воспринять больше ступеней
перепадов яркости между абсолютно-белым
и абсолютно-черным цветами. Количество
этих градаций называется динамическим
диапазоном и
определяется числами диафрагм: 2, 2.8, 4 и
т.д.

Динамический
диапазон ПЗС является очень важной
характеристикой качества изображения
и соответствует понятию фотографической
широты пленки.

Другой
важный параметр сенсора — его
светочувствительность,
Она тоже зависит от физического размера
сенсора, точнее, от размера ячейки.
Обычная
светочувствительность эквивалентна
80-200 ISO. Есть модели с очень высокой
чувствительностью для специальных
съемок. Но чаще всего высокая
чувствительность означает низкое
разрешение (и более низкое качество
снимков с высоким разрешением). Некоторые
камеры могут менять чувствительность
(автоматически или вручную от 100 до 400,
иногда 800 ISO). Увеличение чувствительности
происходит на стадии обработки информации
с матрицы путем усиления сигнала.
Одновременно с полезным сигналом
усиливаются и шумы, так что злоупотреблять
этим нельзя. В
профессиональных матрицах размер ячейки
достигает 13 мкм (правильней — квадрат
со стороной в 13 мкм), что обеспечивает
светочувствительность до 1600 единиц
ISO.

Но наиболее важный
параметр, это разрешение цифровой
камеры. Оно определяется количеством
светочувствительных ячеек, расположенных
на матрице. Стандартный ряд начинается
с 350 тыс. пикселов, что соответствует
экранному изображению стандарта VGA
— 640×480 пикселов. Фотография хорошего
качества (без пробелов, заметных цветных
точек, яркая и четкая), снятая с разрешением
350 тыс. пикселов, при печати на струйном
принтере получится чуть больше почтовой
марки. Сенсор с разрешением 1 млн пикселов
позволяет получить отпечаток размером
9×12 см и экранное представление больше,
чем XGA — 1024×768 пикселов.
Отпечатки еще большего формата — 10×15 см
(самый популярный потребительский
формат) получатся при разрешении
светочувствительной матрицы в 1,3 млн
пикселов. Матрицы разрешением в 2,1 млн
пикселов и более позволяют получать
распечатки фотографий большого формата
при умеренном динамическом диапазоне
и невысокой чувствительности цифровой
камеры. Камеры с матрицами разрешением
в 4 млн пикселов и более позволяют
печатать фотографии выставочного
формата, но с предварительной обработкой
в графическом редакторе. Рост разрешения,
естественно, приводит к увеличению
размера графического файла.

Еще
одна немаловажная характеристика
светочувствительных матриц — соотношение
уровней сигнала и шумов.
Это соотношение тесно связано с
динамическим диапазоном сенсора. Обычно
матрицы с низким динамическим диапазоном
имеют высокий уровень шумов (около 10 —
I5
дБ). Уровень шума возрастает при увеличении
чувствительности сенсора. На практике
шумы проявляются в виде различных
цветовых искажений и высокой зернистости
изображения. Изображение становится
структурным (словно создано из отдельных
песчинок), на линиях цветовых переходов
образуются ореолы — так называемые
«факелы».

Производство
сенсоров крайне трудоемкая и технологически
сложная задача. Выпускают их ограниченное
число компаний, а выход годной продукции
не превышает 2%. Отсюда и стоимость
цифровых фотоаппаратов.

Даже прошедший
заводскую отбраковку сенсор имеет
«мертвые» участки. То есть некоторые
из элементов не работают изначально
(слишком малы их размеры, слишком велики
технологические допуски при массовом
производстве). Поскольку пороки эти
микроскопичны, достаточно восполнить
недостаток информации с «мертвого»
светочувствительного элемента усредненным
значением яркости засветки сенсора,
полученным с соседних, работающих
участков. Эта операция называется
коррекцией.

Интерполяция
работает так же, но служит не для коррекции
изображения, полученного при помощи
сенсора, а для программного увеличения
его разрешения. К примеру, сенсор с
разрешением в 1,3 млн пикселов можно
заставить выдать изображение с разрешением
в 2 млн пикселов, добавив к истинным
точкам дополнительные, построенные по
алгоритму усредненных значений. Ясно,
что коррекция и интерполяция способствуют
снижению качества изображения, которое
становится «размытым».

Простой замер
интенсивности света, попавшего на
ПЗС-матрицу, может породить только
черно-белое изображение, поэтому перед
ней помещают цветные фильтры.

Самой популярной
технологией получения цветного
изображения является однокадровая с
одной матрицей, состоящая из триад
(Рис.4 слева). Перед каждым элементом
триады устанавливается микроскопический
светофильтр одного из базовых цветов
(красный, зеленый, синий). Их сочетание
дает полный спектр. Но существуют еще
три технологии, применяемые гораздо
реже:

каждая из которых
фиксирует изображение за своим
светофильтром одного из

базовых
цветов. Специальная оптическая система
(дихроичная призма) расщепляет
сфокусированный объективом световой
луч и направляет его на все три матрицы.
Светофильтры, установленные перед
каждой матрицей, пропускают только свою
часть цветовой характеристики. После
этого с помощью трех сенсоров картинка
передается в электронный логический
блок камеры, где становится одной
фотографией, записанной во флэш-память
в виде графического файла. В фотоаппаратах
такую схему применяла только фирма
Minolta
(в дорогих профессиональных фотоаппаратах
эта схема встречается чаще). Трехэлементный
сенсор усложняет оптическую систему
камеры и увеличивает ее габариты.

Применение сразу
трех матриц позволяет получить очень
высокое качество изображения. Но и втрое
повышает стоимость фотоаппарата. Три
матрицы устанавливаются в сменные
крышки широкоформатных фотоаппаратов,
которые стоят десятки тысяч долларов
и предназначены исключительно для
профессиональной цифровой фотосъемки.
В литературе правда отмечается, невысокое
разрешение (обычно 350 тыс. пикселов)
подобной схемы цветопередачи.

Важной характеристикой
матрицы ПЗС является метод считывания
состояния ее ячеек. Существуют три типа
сенсоров — с построчным, покадровым и
построчно-кадровым переносом зарядов,
накопленных ячейками матрицы при их
засветке. Этот показатель отражает
быстродействие сенсора. Значения,
собранные по всей площади сенсора,
выстраиваются с высокой точностью,
создавая своеобразную «карту», на
которой четко определено физическое
расположение всех цветов и их интенсивность.
В результате и получается цифровое
изображение, которое записывается в
виде цифрового файла. Такой файл состоит
из множества единиц информации (битов),
которые затем могут быть расшифрованы
и прочитаны другим цифровым устройством,
например, компьютером или принтером.

Каждый пиксел
несет в себе информацию о цвете. Количество
получаемых цветовых оттенков определяется
способностью цифровой камеры (точнее,
ее аналого-цифрового преобразователя)
распознать и зафиксировать количество
градаций каждого из базовых цветов.
8-битное кодирование цветового канала
способно передать 256 оттенков цвета.
При сложении базовых составляющих цвета
получится, что при 8-битном кодировании
каждого канала общая разрядность цвета
составит 24 бита. При этом аналого-цифровой
преобразователь способен оцифровать
изображение с общим количеством цветовых
оттенков 256x256x256=16 777 216. Еще большее
количество цветов получается при 10- и
12-битном кодировании на каждый цветовой
канал, что, в общем, дает 30-или 36-битную
разрядность цвета — это прерогатива
профессиональной съемочной техники.

Как отмечалось, с
ростом разрядности цвета растет и размер
графического файла, в котором хранится
снимок. С ростом разрешения его размер
растет еще больше.

Чтобы снимок,
полученный цифровым способом, мог хотя
бы приблизиться по качеству к снимку с
пленочного негатива, каждый элемент
сенсора должен иметь размер, который
был бы сравним с частицей галогенида
серебра пленочной эмульсии. Речь идет
об элементе величиной с десяток микрон.
Если учесть, что каждый светочувствительный
элемент (пиксел) это сочетание трех
более мелких субэлементов, снабженных
индивидуальным светофильтром (красным,
зеленым или голубым), то становится
ясно, какая это сложная задача. На
практике даже очень качественный и
большой по физическим размерам сенсор
обладает худшей разрешающей способностью,
чем самая крупнозернистая фотопленка.
Именно поэтому в цифровых камерах
используются сложные механизмы
программной коррекции и интерполяции
изображения.

Тема 1. Визуальная информация. Методы кодирования графической информации. Аппаратные средства ввода изображений в память эвм. Цифровая визуальная информация.

Изображение служит
для представления информации в визуальном
виде. Эффективность восприятия этой
информации человеком зависит от многих
факторов. Максимальный учет влияния
этих факторов возможен при условии
изучения целого ряда вопросов, связанных
со способами получения, свойствами
зрительного восприятия и обработкой
изображений.

Методы
получения цифровых изображений

Системы получения рентгенографических изображений

Рентгеновское
излучение активно используется для
получения изображений с момента его
открытия в 1895 г. Изображение формируется
в результате взаимодействия квантов
рентгеновского излучения с приемником
и представляет собой распределение
квантов, которые прошли через объект
диагностики и были зарегистрированы
детектором (рис. 1).

Рис.
1. Компоненты
системы для получения рентгеновских
изображений. B и E — кванты, которые прошли
через исследуемый объект без взаимодействия;
C и D — рассеянные кванты. Квант D отсеивается
сеткой, которая препятствует рассеянному
излучению, а квант A — поглощается в
объекте.

Блок-схема типичной
цифровой рентгенографической системы
представлена на рис. 2.

Рис.
2. Элементы
цифровой системы получения рентгеновских
изображений.

Рентгеновский
аппарат и приемник изображения связаны
с компьютером, а полученное изображение
запоминается и отображается (в цифровой
форме) на телеэкране.

В
цифровой рентгенографии используют
такие приемники изображения как усилитель
изображения, ионографическая камера и
устройство с вынужденной люминесценцией.
Эти приемники могут непосредственно
формировать цифровые изображения без
промежуточной регистрации. Усилители
изображения не имеют наилучшей
пространственной разрешающей способности
или контраста, но имеют высокое
быстродействие. Аналогово-цифровое
преобразование флюорограммы с числом
точек на изображении 512 * 512 может
занимать время меньшее, чем 0,3 с. Даже
при числе точек на изображении 2048*2048
время его превращения в цифровую форму
составляет всего несколько секунд.
Время считывания из пластины с
люминесценцией или с ионографической
камеры значительно больше, хотя здесь
лучшая разрешающая способность и
динамический диапазон.

Записанное на фотопленке изображение
можно перевести в цифровую форму с
помощью сканирующего микроденситометра,
но любая информация, зафиксированная
на фотопленке с очень маленькой или
очень высокой оптической плотностью,
будет обезображена влиянием характеристик
пленки. В цифровую форму можно превратить
и ксерорентгенограмму также с помощью
сканирующего денситометра, который
работает в отраженном свете, но недостатком
полученного изображения является
наличие уже усиленных контуров.

К преимуществам
цифровых рентгенографических систем
относятся следующие факторы: цифровое
отображение информации; низкая доза
облучения; цифровая обработка изображений
и улучшения качества.