Камерофон как цифровой фотоаппарат - азы устройства. Часть 1:

Сенсоры CMOS и CCD
Как устроена фотографическая половинка камерофона? Что такое сенсор? Как он работает? В принципе, без этих необязательных знаний можно обойтись.


Множество людей успешно пользуется сотовыми телефонами, даже не подозревая о тонкостях их устройства. Но техника фотографии настолько интересна, настолько увлекательна, что удержаться от соблазна небольшого исследования невозможно...

Цифровой фотоаппарат, как и многие замечательные электронные штучки, окружающие нас, дело рук инженеров компании Sony. В начале 80-х годов в недрах этой новаторской корпорации появился на свет проект Mavica. Итогом исследований должен был стать трёхмерный сканер, способный оцифровывать объёмные изображения. Исходная технология оцифровки двухмерных изображений уже существовала и применялась достаточно широко. Обычный планшетный (барабанный, ручной – неважно) сканер состоит из набора светочувствительных полупроводниковых элементов, выстроенных в линейку, оснащённых миниатюрными объективами и лампой подсветки. Сканирование плоского оригинала (листа бумаги с рисунком или текстом) производится построчно и последовательно. Линейка располагается под сканируемой поверхностью оригинала. Лампа освещает лист, световой поток отражается от поверхности оригинала и фокусируется микрообъективами на поверхности светочувствительных электронных элементов. В переходном слое полупроводника возникает слабый электрический ток. Чем выше яркость света, тем больше ток. Этот сигнал усиливается и поступает в АЦП, где преобразуется в цифровой двоичный код, последовательность логический нулей и единиц. После сканирования узкой полосы оригинала линейка сдвигается шаговым двигателем и процесс сканирования повторяется. Таким образом, общее изображение строится из отдельных отсканированных строк.

Каждый элемент сканера снабжен оптической системой. Очень похоже на микроскопический фотоаппарат, только угол сканирования очень мал – на поверхности светочувствительного элемента фокусируется изображение всего одной точки. А если собрать светочувствительные элементы не в узкую линейку, а в прямоугольную матрицу? И расположить полученный набор в кадровом окне плёночного фотоаппарата? Получится тот самый трёхмерный сканер, над которым трудились инженеры Sony.

Теоретически задача выглядит элементарно простой. На практике она оказалась настолько труднореализуемой, что на разработку технологии ушли многие годы. Здесь возникает целый ряд очень непростых проблем. Во-первых, элементы матрицы должны быть таких размеров, которые были бы хотя бы сравнимы с размером зёрен фотоэмульсии обычной фотоплёнки на основе галогенидов серебра. Во-вторых, самих элементов должно быть достаточное количество, чтобы обеспечить приемлемое разрешение. При этом размеры самой матрицы должны быть как можно больше, чтобы воспользоваться оптикой для узкоплёночных камер. Далее – полученное изображение должно быть полутоновым, то есть сенсор должен различать не только светлые и темные участки изображения, но и градации между абсолютно черным и абсолютно белым. Минимальное количество градаций не менее 16, то есть оцифровка должна быть не менее, чем 4-разрядной. Но более или менее приемлемая картинка получается при 8-разрядной оцифровке, когда каждый элемент монохромного изображения может иметь какую либо из 64 градаций серого цвета.

Да, а как быть с настоящим цветом? Цветное изображение можно получить разными способами, но самый простой – наложением трёх базовых цветов (красного, зелёного и голубого). Точность цветопередачи не самая высокая (другие цветовые модели используют четыре и более цветов), но и при этом способе каждый светочувствительный элемент матрицы должен состоять из триады более мелких субэлементов, каждый из которых прикрывается светофильтром одного из базовых цветов. То есть сенсор состоит из набора элементов, каждый из которых, в свою очередь, не один, а три субэлемента - триада. Размеры субэлемента втрое меньше размеров элемента и различимы разве что под микроскопом. Задача всё же была решена, и в начале 90-х годов на рынке появились первые цифровые камеры любительского и профессионального классов. Позже на основе этих же технологий были созданы и цифровые видеокамеры для съемки движущихся объектов… К слову – в современных сенсорах ПЗС используется иная, более сложная с технической точки зрения, но и более точная, более эффективная технология построения цветного изображения, основанная на анализе яркостной составляющей цветовой характеристики изображения.

Сегодня в цифровой съёмочной технике применяются сенсоры двух типов – ПЗС (прибор с зарядовой связью, в английском варианте получается аббревиатура CCD) и КМОП (комплиментарный металл-окисел-полупроводник, в английском варианте CMOS). Первые, ПЗС, более сложны в производстве, обладают высокой светочувствительностью и точностью оцифровки изображений, вторые, КМОП, более технологичны, а потому считаются самыми перспективными. Однако сенсоры КМОП, применяемые в любительской аппаратуре начального уровня и в камерофонах, имеют невысокую светочувствительность и разрешение (хотя в дорогие полупрофессиональные камеры, вроде Canon EOS 350D, устанавливают сенсоры, построенные именно по этой технологии). Почему же в камерофонах не используются сенсоры ПЗС? Причина в особенностях устройства самих сенсоров.

Сенсор КМОП - это матрица светочувствительных элементов, каждый из которых представляет собой крошечный полупроводниковый элемент (полевой транзистор), изменяющий свои параметры в зависимости от яркости падающего на его поверхность света. Количество элементов в матрице определяет разрешение сенсора, то есть в сенсоре разрешением 350 тыс. пикселей (что равно разрешению VGA - 640х480 пикселей) примерно столько же светочувствительных ячеек. На самом деле их несколько больше, поскольку часть ячеек выходит за границы кадровой рамки и в построении снимка не используется. Сенсор КМОП потребляет электроэнергию только в момент экспозиции (транзисторы изменяют своё состояние на открытое или закрытое только под воздействием светового потока), поэтому экономичен и не требователен к источникам энергии. Вместе с тем ячейки матрицы КМОП крупней ячеек ПЗС и светочувствительность их ниже (поскольку на поверхности матрицы располагаются не только транзисторы, но полупрозрачные металлические проводники).

Каждая ячейка сенсора ПЗС представляет собой трёхслойную конструкцию из полупроводниковой подложки, изолирующего слоя окисла и металлического электрода. К электродам постоянно подводится электрический ток, величина которого изменяется под воздействием светового потока. Эти изменения считываются контроллером сенсора, обрабатываются процессором, который на основе этих сигналов строит картинку. Сенсор ПЗС устроен намного сложней сенсора КМОП. Кроме светочувствительных ячеек (они называются стеками накопления), на поверхности матрицы располагаются специальные ячейки (стеки) хранения и транспортировки сигналов (регистры вертикального сдвига). Если сенсор КМОП в самых простых камерах (и, кстати, в камерофонах) не требует применения механического затвора - контроллер просто считывает мгновенное состояние ячеек засвеченной матрицы, в сенсоре ПЗС затвор необходим. Дело, опять же, в особенностях устройства сенсоров ПЗС. Существует три вида светочувствительных матриц на основе элементов с зарядовой связью. Первый вид – матрицы с построчным переносом зарядов. На них стеки накопления и стеки хранения расположены в непосредственной близости. Возникающие на электродах стеков накопления электрические заряды перемещаются в стеки хранения, представляющие собой такие же ячейки, но прикрытые светоизолирующим слоем, а потом заряды по регистрам вертикального сдвига поступают в выходной усилитель матрицы. Если световой поток будет облучать поверхность такого сенсора постоянно, то сохранённые и только что возникшие заряды будут смешиваться и картинки не получится. Поэтому сенсорам со строчным переносом зарядов требуется фотозатвор, ограничивающий время экспозиции.

Сенсоры другого вида – с покадровым переносом – устроены несколько иначе. В них светочувствительные ячейки соединены не с регистрами хранения, а непосредственно с регистрами вертикального сдвига. По регистрам электрические заряды попадают в регистры хранения, расположенные по краям поверхности сенсора. Поскольку процесс переноса зарядов занимает некоторое время, заряды не успевают смешиваться. Такой матрице фотозатвор не нужен. Но в фотоаппаратах лишь изредка применяются сенсоры с построчным переносом зарядов и почти никогда с покадровым. Почему? Потому что сенсор первого вида не позволяет использовать встроенный дисплей фотоаппарата для визирования кадра, а сенсор второго типа оказывается крайне громоздким и неэффективным – значительная часть поверхности матрицы не используется, поскольку на ней располагаются и стеки накопления, и стеки хранения зарядов.

В современных фотоаппаратах в подавляющем большинстве случаев используются сенсоры, построенные по гибридной технологии. То есть центральная часть матрицы устроена по принципу сенсора с покадровым переносом зарядов и работает в системе построения изображения на дисплее камеры в режиме визирования. А остальная часть сенсора построена по принципу матрицы с построчным переносом зарядов. Непосредственно перед съёмкой (когда мы скомпоновали кадр по электронному дисплею и нажимаем спусковую кнопку) затвор фотоаппарата закрывается, сенсор переключается в режим построчного переноса, затвор отрабатывает выдержку, сенсор экспонируется, сигналы с ячеек поступают в выходной усилитель и далее в контроллер сенсора, матрица снова переключается в режим покадрового переноса зарядов, затвор открывается – мы снова можем использовать встроенный дисплей камеры в качестве электронного видоискателя.

Автор: © Николай Надеждин, специально для Mobiset.ru

Если Вас заинтересовала эта лекция , впереди ещё четыре:

Источник: http://www.mobiset.ru/articles/text/?id=595

О вреде вау-фактора

Источник: tubelka.livejournal.com

Перед вами очередная жертва вау-фактора. Этот человек сидит и понуро тыкает в красивые кнопочки. Этот человек уже два месяца мечтал купить хороший фотоаппарат и пытался немного даже закапываться в разные темы. Впрочем, не слишком глубоко: на людей, которые закапываются слишком глубоко, вау-фактор действует по-другому. И вот, после долгих попыток сосредоточиться и начать искать, этот человек определяется, что он хочет купить. Он долго и тщательно разглядывает всяческие характеристики выбранной модели. Столь же долго и тщательно он разглядывает все аналоги, до которых он может дотянуться. Кажется, его всё устраивает.

И вот, наступает день, когда он говорит себе: всё, больше не могу. Хочу фотоаппарат прямо сейчас. И он идёт в магазин и покупает, разумеется, совсем другую модель.


И в этой самой совсем другой модели он обнаруживает: очень красивый, но несколько навязчивый интерфейс (который считает своим долгом включать звук обратно всякий раз после выключения камеры); полное отсутствие диафрагмы, и, разумеется, отстутствие режимов с приоритетом диафрагмы или выдержки; навязчивую лампочку снаружи (и какая тогда радость, что он чёрный?); очень медленную автоматическую фокусировку и отсутствие ручной; отсутствие понятия ориентации фотографии; одну маленькую-маленькую недоработку интерфейса, которая уже стоила всех кадров, сделанных за первый день; жутко греющийся аккумулятор и карту памяти (или что-то, расположенное рядом с ними); ну и, разумеется, крайне ограниченный интерфейс общения с компьютером, не допускающий, по-видимому, перепрошивку. В остальном же, очень приятный и эргономичный интерфейс и корпус с, видимо, неплохой оптикой...

Первым кандидатом был Canon A640.

Вторым кандидатом, и, в итоге, купленной камерой стал Samsung NV10.

И теперь эта жертва вау-фактора сидит и думает, то ли ему и вправду ничего большего от фотоаппарата и не нужно, то ли всё-таки отнести чудо техники обратно в магазин и поменять на более достойное...

Postscriptum. Сделал несколько пробных кадров. Выложил их в галерею

http://dendik.bpa.nu/cgi/gal.cgi?gal=07-05-31

. Последний кадр – это снимок зарядного устройства аппарата, очень забавный:





Postscriptum. Пообщался с Санрайзом, в котором камера была куплена. Оказывается, единственная категория, на которую у них есть возврат – это внутренности компьютеров. Был бы я большой и смелый, пошёл бы и засудил их к чёртовой бабушке. А так, я всё равно уже свыкся с этой коробочкой, пусть живёт.

... На снимках сохранён EXIF. Большинство кадров я сделал в ISO100, и даже на них всё-таки видны местами шумы, это тоже не радует.

Десять правил ломографии

1. Всегда носи с собой фотоаппарат.
2. Используй его всегда — днём и ночью.
3. Ломография — это не вмешательство в твою жизнь, это часть её.
4. Снимай «от бедра».
5. Приближайся к объектам съёмки настолько близко, насколько можно.
6. Снимай, не размышляя.
7. Действуй быстро.
8. Тебе не нужно знать заранее, что у тебя будет на плёнке.
9. Тебе не нужно знать это и потом.
10. Забудь о правилах.

источник: http://semen-painter.livejournal.com/

Как мы выбираем фотокамеру или как обманываем себя.

Автор: нет данных
Источник: www.Garlem.Net


Фразы двух поколений:
«Когда я вижу прекрасное, я стараюсь сфотографировать это»
Тысяча лет назад
«Когда я вижу прекрасное, я закрываю глаза и наслаждаюсь»

Искусно созерцать картины мира
Нам от рождения дано,
Но человек, увы, стремится
Искусство превратить в нечто ужасное. Фото с мобильного телефона – вот оно искусство… А мы тут спорим 20D, D70, 300D… Живем мы в мире вещей, с раннего детства вокруг нас игрушки. «Как же, это ведь развитие для ребенка», – скажут многие. Хотя, изучая растение или букашку Творца, ребенок получит куда большее развитие. Но мы выросли в этой системе и к ней привыкли. На игрушках живет или наживается вся экономика. А чтобы игрушки покупали, придумали новые виды искусства и различные понятия – мода, престиж, которые впитываются в наши головы и вызывают на подсознательном уровне желания. А потом душа затрепетала… и затребовала.
Вот посмеемся над школьниками, которые щелкают на кнопки своего мобильника и завидуют тому, у кого самая последняя модель долларов за пятьсот. Через год эта модель будет не новой и дети будут смотреть на того у кого появилась другая новая модель долларов за пятьсот.
- На твоем ДжиПэЭрЭс есть?
- Не-а, а что это?
- Точно не помню, но круто!
Забыли о предназначении телефона? Нет не забыли, но на мобильнике оно стало немного другим. Так производители будут вводить новые эталоны престижа и нас стричь, стричь, стричь…

Вот посмеемся над взрослыми, которые щелкают на кнопки своих игрушек, создавая произведения искусства, которые называются фотографиями. Ну пусть фотографии – искусство, ну пусть «цифра» – оперативность. А нужны еще другие эталоны, чтобы получить производителю больше прибыли. «Мегапиксельность» – чудесно. Но многие продвинутые раскусили, что не только в этом прелесть. Пожалуйста, для продвинутых – «размер сенсора», и так далее, далее, далее… Увлекаясь, мы забываем о предназначении нашей взрослой игрушки – записать и получить изображение. Возьмем две фотокамеры с близкими по качеству получаемыми изображениями. Назовем их, к примеру, 300D и 10D (каждый может назвать любые другие пары по своему усмотрению). Одна, чтобы вытянуть денег из тех, кто поскупее, а другая – из тех, кто чуть «менее поскупее». В одной «наворотов» побольше, а в другой поменьше, чтобы скупым халявы не было. Слава Равилю и Васе! Себестоимость камер ведь практически одинакова, но облапошены и скупые, и «не скупые» – все зависит от того, сколько может каждый заплатить. Но для богатых есть отдельные эталоны престижа, и называются они - предметы роскоши. Применительно к теме: профессиональные камеры – у них «наворотов» еще больше. Mamiya 22 миллиона пикселей... А нужны ли профессионалу «навороты»? Профессионалу достаточно одних ручных режимов, так как у него получается всегда одинаково хорошо. Но тогда коллеги не поймут. Кто-то скажет, что там все мелкие детали видны, а кто-то заметит, что один художник каждую травинку прорисует, а другой – «мастер спорта по живописи» - одними мазками набросает, на выставке картины ведь издали принято смотреть…

Но для производителей игрушек есть враг – конкурент. Но и с этим можно справиться путем очередного облапошивания покупателей: либо вводя новые и новые эталоны престижа (автофокус по лицу, например), либо играя на чувствах, впечатлениях и эмоциях. Чтобы покупали кубики «галина бланка», нужно их показать в рекламе вместе с аппетитно обжаренными кусочками мяса, золотистым лучком и красными дольками помидорок. Чтобы покупали геркулес, нужно на коробочке нарисовать клубничку и дольку персика. Чтобы покупали фотоаппарат, нужно к техническому обзору поместить галерею красивых по содержанию снимков. Сравните на «Дпревю» галерею Canon и Nikon. Какие снимки вам больше нравятся?
И вот купив себе однажды игрушку, мы подсознательно не хотим признать себя обманутыми и будем поддерживать полезность престижных «штучек-дрючек-прибамбасов» нашей фотокамеры, участвовать на форумах, а господа производители будут читать эти форумы и «выкидывать» для нас новые уловки.
Середина апреля 2007 года. Москва. Выставочный центр «Сокольники». Мировые производители фототехники – представляют новые игрушки.

P.S. А автор продолжает копить денежки на новую игрушку – фотокамеру, старая уже не устраивает.