Цифровые фотоаппараты: сравнительные характеристики и применение Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

ЦИФРОВЫЕ ФОТОАППАРАТЫ: СРАВНИТЕЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПРИМЕНЕНИЕ О.В. Павлушко

Рассмотрены принципы работы и особенности цифровых фотоаппаратов, а также их преимущества и недостатки по отношению к традиционной технике. Приведены основные сравнительные характеристики цифровых фотоаппаратов различных модификаций и области применения цифровой фотографии.

Введение

Сфера применения цифровых фотоаппаратов довольно разнообразна, они широко используются в полиграфии, научных исследованиях, медицине, геологии, криминалистике. В этих и многих других отраслях довольно часто возникает необходимость получения снимков практически мгновенно с последующей обработкой и пересылкой их на большие расстояния через сеть Интернет. Обширный рынок цифровой фототехники и разнообразные характеристики цифровых фотоаппаратов обуславливают необходимость сравнительного анализа научно-технических решений, представленного в настоящей работе.

Основные виды и характеристики цифровых фотокамер

Для получения изображения невысокого качества достаточно разрешения VGA (640x480). Для того, чтобы изображение было четким, прорисовывались мелкие детали, разрешение должно быть не менее XGA (1024х768). На сегодняшний день существуют камеры, разрешение которых достигает 1600х1200 и выше, вполне сравнимое с профессиональными фотоаппаратами. Разрешение определяется числом светочувствительных элементов (пикселов) на поверхности светочувствительного сенсора. На рынке светочувствительных сенсоров на сегодняшний день конкурируют две технологии: на основе ПЗС-матриц (приборов с зарядовой связью) и КМОП-кристаллов (комплементарных структур металл-окисел-полупроводник).

Кристаллы КМОП значительно дешевле и проще в изготовлении, к тому же они потребляют существенно меньше энергии, чем ПЗС. Светочувствительная микросхема - самый дорогой элемент цифрового фотоаппарата. Стоимость КМОП-датчика, сопоставимого по характеристикам с ПЗС-матрицей примерно вдвое ниже стоимости последней. Кроме этого, приборы ПЗС чаще всего выполняют единственную функцию регистрации интенсивности света. В кристаллах КМОП можно реализовать множество дополнительных функций, таких как аналого-цифровое преобразование, фильтрация сигнала, управление балансом белого и параметрами камеры и др. Плотность КМОП-элементов на кристалле и диапазон представления цвета можно повысить без существенного увеличения цены изделия.

КМОП-кристаллы работают с более низкими напряжениями питания, что уменьшает потребляемую мощность и позволяет строить портативные камеры с более высокими тактовыми частотами.

Одним из главных отличий между КМОП и ПЗС-сенсорами является то, что в КМОП-сенсоре АЦП интегрирован в кристалл, а при использовании ПЗС-сенсора он находится на внешнем чипе. Но по этой же причине КМОП-сенсор имеет более высокий уровень шума.

По указанным причинам в ближайшем будущем почти все камеры "начального уровня" будут выполнены на базе КМОП-приборов, а ПЗС будут применяться только в устройствах среднего и высокого класса.

Поскольку обычный сенсор регистрирует только яркость, то обычный цифровой фотоаппарат может воспроизвести только черно-белое изображение. Профессиональные модели выделяют данные о красном, зеленом и синем цветах

каждого пиксела при помощи трех отдельных сенсоров, причем изображение предварительно разделяется призмой на три компонента, каждый из которых попадает на свой сенсор. Такая технология позволяет предотвратить наложение цветов (когда границы красного, синего и зеленого цвета сдвинуты на изображении). Однако подобные камеры требуют прецизионной технологии изготовления, а из-за наличия призмы они более массивны и менее надежны. Кроме этого, в них должна использоваться улучшенная оптическая система, так что общая цена такой камеры существенно выше.

Другие виды камер используют какую-либо комбинацию главных цветов на каждом сенсоре и сложные алгоритмы для получения цветного изображения. В полупрофессиональных моделях обычно применяется только однокристальный сенсор, захватывающий только одно значение красного, зеленого или синего цветов для каждого пиксела. После этого камера рассчитывает недостающие значения цветов при использовании цветов в соседних пикселах. Хотя такой подход довольно эффективен, при захвате повторяющихся цветовых узоров могут возникать искажения цветов.

Оптическая система

Помимо характеристик сенсора, важным фактором для качественной работы является оптическая система цифрового фотоаппарата. Она включает в себя высококачественный высокоразрешающий объектив, эффективность вспышки и возможность ручной установки параметров экспозиции.

Более дешевые модели имеют простые объективы и фиксированную или автоматическую фокусировку без возможности ручной настройки. В настоящее время существуют камеры, выполненные на основе зеркального объектива, включающего в себя несколько асферических элементов, что позволяет получить хорошее качество изображения по всей площади кадра, а не только в его центре, даже при крайних положениях диапазона увеличения. Наряду с автоматической фокусировкой у таких камер есть ручная. К моделям рассмотренного класса можно отнести Olympus D-600L, D-620L, Canon Powershot Pro-70, Nikon Coolpix 950, Minolta EX-1500, Kodak DC-260, Minolta Dimage 5(7), Olympus E—10.

Значимость качества оптической системы для цифрового фотоаппарата не меньшая, чем для обычного фотоаппарата. Размер ПЗС-матрицы составляет примерно 1,5 см по диагонали, в то время как диагональ кадра обычной пленки равна приблизительно 4,3 см. При этом обычный фотоаппарат обеспечивает от 30-ти до 60-ти пар черно-белых линий на миллиметр, в то время как цифровой фотоаппарат может обеспечить до 150-ти пар линий на миллиметр. В результате цифровой фотоаппарат очень чувствителен к условиям освещенности и количеству света, прошедшего через оптическую систему. При всем совершенстве современных технологий обработки данных неправильным было бы думать, что они способны обеспечить высокое качество изображения при неправильной экспозиции или недостаточном освещении.

У цифровой и обычной фотографии много общего, и поэтому многие приспособления могут использоваться как с теми, так и с другими фотоаппаратами. Учитывая вышесказанное, рынок профессиональных цифровых фотокамер изначально ориентировался на полную совместимость принадлежностей, однако оказалось, что эта совместимость дается очень дорогой ценой.

Примером оригинального технического решения является разработанный компанией Silicon Film миниатюрный модуль цифровой камеры в виде специальной вставки для 35-мм пленочных камер, которая позволяет перейти на цифровую фотографию, сохранив при этом возможность применения всех своих объективов и функциональность фотоаппарата. Устройство обеспечивает разрешение 1280х1024 и совместимо с камерами Canon EOS 1N, Canon EOS A2/5, Nikon F-5, Nikon N-90/F90 и

Nikon F-3. Конструктивно устройство выполнено как катушка с пленкой. Для съемки цифровых фотографий достаточно вынуть из камеры пленку и установить вместо нее модуль EFS-1 Film. Устройство позволяет сделать 24 снимка, после чего при помощи специального переходника миниатюрную камеру можно подключить к компьютеру для переноса изображений и последующей их обработки. Устройство значительно повышает возможности при фотосъемке, совмещая функциональность зеркального фотоаппарата и цифровой камеры.

В качестве другого примера отметим объектив камеры для научных исследований типа FujiFilm FinePix 4700, характеристики которого очень близки к характеристикам глаза, что позволяет выполнять съемку прямо через окуляр микроскопа, причем изображение занимает почти всю площадь кадра. Обычно приходится подбирать для объектива камеры специфический "окуляр", в рассматриваемом случае можно просто поместить камеру на место глаза наблюдателя и выполнить съемку.

Специфика цифровой технологии подразумевает использование более короткофокусных объективов, и отказ от совместимости позволил создать ряд дешевых моделей, не уступающих по качеству дорогим. Но при этом обнаружилось полное отсутствие каких бы то ни было аксессуаров к этим камерам. Финансовая ситуация, на наш взгляд, сегодня такова. Существует ряд профессиональных камер в ценовом диапазоне от 6000 до 50000 USD, с которыми может использоваться стандартное фотографическое оборудование, а суммарная стоимость доступного ассортимента для каждой из этих камер может составлять сотни тысяч USD. При этом существуют камеры ценой менее 2000 USD, имеющие почти такое же качество изображения, но при отсутствии специальных принадлежностей к ним.

Емкость памяти

Изображения содержат большой объем информации, поэтому особенно важное значение имеют электронные средства записи и архивирования изображений, т.е. "электронная память".

Существуют несколько стандартов, которые используются в цифровых фотокамерах. Это стандарт PCMCIA Type I, II, III, хорошо знакомый владельцам ноутбуков, и стандарты CompactFlash и SmartMedia. Практически во всех полупрофессиональных и любительских камерах в настоящее время используется стандарты CompactFlash и SmartMedia.

Максимальный объем SmartMedia-карточки достигает 256 Mb, хотя наиболее часто используются 32 и 64 Mb. Последняя разработанная CompactFlash-карточка имеет 120 Mb памяти, и максимальный объем постоянно растет.

Выбирая фотоаппарат, необходимо помнить о том, как удобнее будет считывать информацию с карточки. Например, владельцам ноутбуков имеет смысл использовать PCMCIA или CompactFlash (тогда для считывания нужен адаптер). Владельцам обычных персональных компьютеров больше подойдет SmartMedia. При этом требуется обычное устройство считывания с гибких дисков, при помощи которого можно считывать информацию. Существует ряд приспособлений, позволяющих использовать носители PCMCIA или CompactFlash с персональными компьютерами.

Наличие ЖК монитора

Практически все фотокамеры в настоящее время имеют ЖК монитор, поскольку он дает возможность быстрого просмотра отснятого материала, выбор наиболее удачных снимков и удаление лишних, т. е. обеспечивает основные преимущества цифровой фотографии. Во многих случаях ЖК монитор имеет совмещенную функцию видоискателя. Но нужно учитывать, что при работе с монитором используется большое количество энергии.

Поскольку на ЖК-панелях отображаются изображения, сохраненные в камере, более предпочтительными считаются большие ЖК-панели. Во многих камерах сохраненные изображения отображаются в виде групп уменьшенных набросков. Например, на 1,8-дюймовой (4,6 см) ЖК-панели Olympus D400 Zoom (размеры панели измеряются по диагонали) размещаются до 16-ти набросков. Для экономии времени работы батарей без перезаряда предусмотрена функция отключения ЖК-панели при съемке.

Светочувствительность

Чувствительность сенсоров цифровых камер обычно представляется как эквивалент чувствительности согласно стандарту ISO определенной пленки. Для камер полупрофессионального класса типично наличие возможности изменения чувствительности ISO от 100 до 400. В моделях с изменяемой чувствительностью, например, DC4800Kodak, при недостаточном освещении сигнал сенсора усиливается, но это может приводить к нежелательному усилению электронного шума сенсора. В настоящее время не существует стандартов в определении эквивалентных значений чувствительности ISO для сенсоров ПЗС. По этой причине, например, компания Casio не приводит эквивалент ISO для своей камеры QV-7000SX.

Увеличение

Оптическое увеличение изменяет размер изображения, сфокусированного на светочувствительной матрице. Менее качественное цифровое увеличение просто увеличивает изображение на основе математических преобразований масштаба и добавления пикселов. У большинства моделей цифровое увеличение функционирует только при съемке с разрешением 640х480 пикселов. Часто в качестве параметра увеличения указывают результат сочетания оптического и цифрового увеличения. Современные модели фотокамер обеспечивают шестикратное оптическое и двукратное цифровое увеличение.

Форматы данных и архивирование изображений

Основными форматами представления цифровых фотографий являются TIFF (Tagged Image File Format) и JPEG (Joint Photographers Expert Group). Первый из них первоначально был разработан для платформы Macintosh и затем дорабатывался и улучшался. Формат TIFF имеет ряд преимуществ, в частности, он поддерживает 32-битную разрядность для цветового CMYK формата, что может быть полезно, например, при прямой печати данных с экрана монитора на принтере.

Формат JPEG совмещает две особенности - полный диапазон оттенков и низкий объем памяти, необходимой для хранения изображения (связанный однако с небольшой потерей качества). Сохранение цифровой фотографии в JPEG требует меньшего объема памяти, чем TIFF формат. Происходит это благодаря тому, что JPEG формат при компрессии распознает некоторые данные как неважные и отбрасывает их при сжатии, причем степень сжатия можно контролировать. Формат JPEG становится все более распространенным из-за удобства его использования при работе в информационной сети.

Удобство работы с цифровым изображением определяется скоростью передачи изображения из фотоаппарата в компьютер. Первоначально фотоаппарат напрямую подключался к компьютеру через последовательный порт RS-232, при этом передача данных (порядка 1 Мб) занимала около 15 мин. В настоящее время существует ряд других способов считывания данных со Smart Card напрямую. Основными устройствами считывания являются PCMCIA-адаптер (MA-2E), который позволяет быстро и удобно считывать данные с карты портативным компьютером; USB-адаптер

(MAUSB-2E), который подключается напрямую к USB - порту и позволяет очень быстро передавать данные на компьютер (средняя скорость передачи 12 Мбит/с, при этом файл емкостью 32Мб можно передать за 60 с); адаптер под 3.5"-дискету (MAFP-2E), в который вставляется Smart Card, и адаптер, в свою очередь, вставляется в компьютер вместо дискеты. Это достаточно удобный способ для считывания информации.

Некоторые принтеры могут считывать информацию напрямую с карты, что тоже является одним из способов передачи данных.

Дополнительные возможности. Печать фотоснимков

Существует большое разнообразие дополнительных функций цифровых фотокамер: возможность работать с объектом съемки в движении, записи звукового сигнала, печати фотографий непосредственно от камеры, наличие видеовыхода и др. Многие изготовители наделяют цифровые камеры возможностями, выходящими за рамки базовых функций, необходимых для получения изображений.

Камеры Ricoh RDC-2E, SoundVision SV mini-209, UMAX MDX 8000 и Vivitar ViviCam 3000 могут использоваться для проведения видеоконференций, хотя низкая частота регенерации (один кадр каждые несколько секунд) не позволяет фиксировать или отображать движущиеся изображения в реальном времени.

При печати напрямую в отсутствие общепринятых интерфейсных стандартов для каждой камеры требуется специальный принтер от фирмы-изготовителя камеры. Модели Casio, Olympus, Ricoh и Sony представляют собой принтеры с термопереносом красителя с форматом отпечатка размером с фотоснимок. В принтерах Fuji и Panasonic используется разработанная компанией Fuji технология Thermo-Autochrome. Модель Epson Stylus Photo - это цветной струйный принтер. Модель Olympus P—200 не только компактна, но и мобильна - при наличии дополнительной батареи можно печатать фотографии даже в полевых условиях. Фотоаппараты, совмещенные с фотопринтером, небогаты ресурсами памяти (не более 1,3 мегапиксела) и функциональными возможностями.

Недавно фирмой Canon были разработаны Bluetooth-модули, присоединяемые к обычной цифровой камере Power Shot S10 и струйному принтеру. С помощью этих модулей появляется возможность производить распечатку фотографий нажатием одной кнопки на камере. Никаких проводов не требуется, ограничен лишь радиус действия Bluetooth-передатчиков, составляющий максимум 10 метров.

Таблица

Сравнительные характеристики некоторых камер

Canon Minolta Nicon Olimpus E-10

Powershot G1 Dimage 7 Coolpix 995

Тип Цифровая фотокамера Цифровая фотокамера Цифровая фотокамера Цифровой зеркальный фотоаппарат

Видео PAL/NT SC + NTSC или PAL по выбору PAL, разъем для подключения внешнего микрофона

Макс. 2048x 1536, 1024 2560x1920 2,048 x 1,536 2240х1680,

разрешение x 768, 640 x 480, пикселей; UXGA- 1600х1200,

320 x 240 Movie размер (1600 x 1280х960,

(до 30 сек.) 1200); SXGA- 1024х768,

размер (1280 x 640х480

960); XGA-размер

(1024 x 768); VGA-размер (640 x 480); 3:2 (2048 x

1360); по выбору

Память в комплекте CompactFlash 16mb CF Type II CompactFlash 16mb CompactFlash 16Mb

Связь с USB, RS-232C. USB USB USB

компьютером

Объектив Фокусное Фокусное 4x Zoom Nikkor; f Фокусное

расстояние 721мм (34-102мм расстояние 28 -196 = 8.0~32.0мм [35мм (135) расстояние 936мм (35-140мм в

в эквиваленте мм (wide, 35 мм формат - эквиваленте для

для 35 мм эквивалент) эквивалентно 35мм

фотоаппарата), Материал линз 38~152мм]^2.6 ~ фотоаппарата),

светосила 1:2- - стекло, 5.1 с светосила 1:2,0-

2,5. диафрагма 2.8 - макродиапазоном 2,4, минимальное

Минимальное 9.5 ; 10 элементов в 8 значение

значение , возможно группах; все диафрагмы 11. 14

диафрагмы 8. установление элементы элементов в 11

временных сделаны из группах, все

насадок экологически чистого стекла; Применено суперинтегрирова нное просветление Nikon Super Integrated Coat линзы стеклянные, есть асферические элементы и элементы из низкодисперсног о стекла.

Светочувствит ISO 50, 100, 200, До 800 100, 200, 400, 800, Автоматическая,

ельность 400, авто автонастроика; может управляться в любом режиме отработки экспозиции эквивалентна ISO 50, 100, 200

Глубина цвета 24 бит 24 бит

Вес 420 595 390 г 575

Размеры 119,7х76,8х63,8 117x91x113 мм 138 x 82 x 40 мм 120х86х152,2

Тип карт Compact Flash Compact Flash CompactFlash Smart

расширения памяти Media/Compact Flash

Применение цифровых фотоаппаратов

В повседневной жизни использование цифровой фотографии имеет значительное преимущество перед традиционными технологиями благодаря быстроте получения изображения, удобству обработки и потенциальной возможности быстрой пересылки по Интернету цифрового изображения. В связи с вышеуказанными удобствами

цифровая фотография получила распространение во многих областях. Особо хотелось бы отметить использование цифровых технологий в криминалистике, ордонтологии, лечении туберкулеза.

Криминалистическая фотография является одной из отраслей криминалистической техники, традиционно применяемая для решения криминалистических задач. Преимущества средств цифровой фотографии - упрощение фиксации улик, гарантированное получение информации и ее достоверность, а также простота обработки изображений. Например, для выявления деталей в тенях и светах используется процедура "Выравнивание гистограммы", изменяющая уровень контраста и динамический диапазон изображения. При наличии фона с регулярной структурой используют операцию "вырезание частотной области", основанную на переходе в частотную область с применением быстрого преобразования Фурье. Данный метод, в основе которого лежит селективная фильтрация в частотной области, признан эффективным способом для выявления малоконтрастных следов пальцев рук. Дальнейшее развитие криминалистической фотографии может быть связано с использованием методов и средств трехмерного моделирования объектов. Для осмотра места происшествия используют полупрофессиональные камеры на ПЗС-матрице с разрешением от 1600х1200 до 2400х1800 элементов, для криминалистических экспертиз - цифровые камеры на ПЗС-линейке с разрешением от3200х2400.

Использование цифровой фотографии весьма актуально в области медицины. В качестве примера можно упомянуть ортодонтическое лечение - процесс длительный, занимающий месяцы и даже годы. Для врача-ортодонта удобно иметь в своем распоряжении информацию, фиксирующую основные этапы лечения; наглядный план лечебных мероприятий и отметки о его выполнении. Ведение электронных карточек позволяет делать оперативные выборки по диагнозам пациентов, по проведенным мероприятиям, анализировать результаты лечения большого числа пациентов. В клинике «Меди», Санкт-Петербург, используется цифровая камера с максимальным разрешением 1280х960 и с рабочим отрезком от 8 см.

Использование компьютерных технологий для индивидуального учета и формирования групп риска по специально разработанной программе позволило сократить объем флюорографических обследований на 50-55% и выявлять при этом 7587,9% больных туберкулезом. В Новомосковском городском противотуберкулезном диспансере Тульской области под руководством сотрудников НИИ фтизиопульмонологии ММА им. И.М. Сеченова в 1992 г. разработана и в 1993 г. внедрена система активного выявления туберкулеза на основе компьютерных технологий, включающая базу данных, программу экспресс-определения индивидуальной степени риска заболевания туберкулезом и методику выявления туберкулеза врачами общей лечебной сети по клиническим проявлениям заболевания. Для более эффективного и экономичного выявления туберкулеза интенсивно внедряются в практику методы цифровой беспленочной флюорографии. Преимущества цифровых беспленочных флюорографов перед пленочными заключаются в том, что они позволяют снизить радиационную нагрузку на пациента более чем в 4 раза, избежать расходов на пленку и химреактивы, получать рентгеновское изображение непосредственно по окончании экспозиции на экранах компьютерных мониторов, что исключает возможность брака изображения. Аппараты данного класса выпускает ряд отечественных производителей. Среди них можно выделить цифровую камеру КФЦ «Электрон», где в качестве детектора используется ПЗС-матрица больших размеров и принцип цифрового фотоаппарата, позволяющие добиться разрешения 2,5-2,8 пар линий на мм, при этом принцип сканирования, используемый в большинстве отечественных флюорографов не дает разрешения более 1,5 пар линий на мм. В настоящее время в России находится в эксплуатации более ста отечественных

беспленочных цифровых флюорографов различных моделей.

Заключение

Приобретение цифровой фотокамеры с форматом кадра в 2-3 мегапиксела в настоящее время вполне оправданно, поскольку по функциональным возможностям она не устареет в короткие сроки в отличие от камер предыдущих поколений. Комплект из цифровой фотокамеры и принтера полностью удовлетворяет актуальным потребностям фотографии для профессионального применения и научных исследований.

Литература

1. Шарыгин М.Е.. Сканеры и цифровые камеры. СПб: БХВ - Санкт-Петербург, 2000.

2. Лысов И. Самоучитель по современной фотографии. Самостоятельно от азов к Мастерству. М.: Л.Б.& Т, 2000..

3. Панченко В.Г., Яценко А.Н. Убийца фотографии. М., 2000.

Дополнительные источники

4. http://www.interlink.ru/dp-help-choice.html - фотоаппараты, характеристики, ссылки на статьи

5. http://www.cosmetolog.ru/is/is3/inf/inf.htm - ортодонтология

6. http://www.rmj.ru/rmj/t8/n12/492.htm - туберкулез

7. http://www.mvd-expo.ru/CONFER/CRIM_MVD/doc19.htm - применение в криминалистике.

8. http://www.novinki.ru/userlev3.php?id=829 - мини фотоаппарат

9. http://www.3dnews.ru/rewies/peripheral/digitalphoto/index02.htm - анатомия цифрового фотоаппарата

10.http:/www.zdne.ru/id=21786 - Прорыв в цифровой фотографии?

11.http://www.flashcom.ru/html/camera/ - о цифровых фотоаппаратах