Лекция по предмету Информатика на тему: цифровые матрицы в фотокамерах РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГЕОЛОГОРАЗВЕДОЧНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. СЕРГО ОРДЖОНИКИДЗЕ ГЕОФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ Кафедра Информатики и ГИС по предмету Информатика на тему: цифровые матрицы в фотокамерах. Студент: группы рФ-09-2 Кухарёнок Дмитрий Научный руководитель: Доцент кафедры Информатики иГИС Оборнев Евгений Александрович москва 2010 Оглавление . 1 Введение. 3 Основные форматы светочувствительных элементов. 4 Преимущество и недостатки крупного и среднего формата перед 35 миллиметровым (малым) форматом. 5 35-миллемитровый формат. 5 История 35 миллиметрового формата 6 Немного из истории. 7 Типы цифровых матриц. 7 Принцип работы CCD(ПЗС) и CMOS(СМОП) матриц. 8 Основные размеры цифровых матриц. 10 Средний формат цифровых матиц. 10 Матрица 36*24 мм(full frame). 10 Матрица APS-H((Nikon)30*20мм). 10 Матрица APS-H((Canon)27,9*18,6мм). 10 Матрица APS-C((Nikon DX,Pentax,Sony)23,6*15,7мм) 11 Матрица APS-C((Canon)22,3*14,9мм) 11 Матрица Foveon((Sigma)20,7*13,8мм) 11 Матрица Four Thirds System(Olympus(17,3*13мм)) 11 Матрица ``2/3``(9,2*6,1мм) 11 Матрица ``1/1.8``(7,1*5,3мм) 11 Матрица ``1/2.5``(5,7*4,2мм) 11 Заключение. 12 Ссылки и сноски: 13 Введение В современных фотокамерах очень много факторов, которые, в той или иной степени, влияют на качество изображения цифровой фотографии. Например: от объектива, качества электроники, размера матрицы и т.д. Но, на мой взгляд, самым важным фактором, который влияет на качество изображения, среди перечисленных является физический размер цифровой матрицы. В данном е говорится о том, какие бывают типы матриц, их размеры, на каких типах фотокамер они установлены. В чём преимущество того или иного типа матриц перед другими, и в чём их недостатки. В конце а я расскажу о перспективах развития этого направления. Основные форматы светочувствительных элементов В настоящий момент все форматы светочувствительных элементов делятся на три основных типа: 1) Крупный формат. 2) Средний формат 3) Малый формат. Теперь подробнее про каждый из форматов. Крупный формат . К крупному формату относятся форматы светочувствительных элементов размером не менее 90*120 мм. Крупный формат делится на 3 под формата:1) 90*120мм 2) 130*180 3) 180*240 мм[1] . Обычно крупный формат используют в телескопах, и в крупноформатных фотокамерах. Например самая большая цифровая матрица установлена на на американском телескопе PS1 её размер в поперечнике составляет более 400 мм[2] . Из самых больших матриц которые могут появиться в относительно ближайшее время на рынке это CMOS сенсор компании Canon, размер которого составляет 202*205 мм[3] , и по площади превосходящий 35 мм формат почти в 48 раз. Средний формат К среднему формату относятся форматы светочувствительных элементов размер который превышает 36*24 мм. Средний формат делится на 3 под формата 1) 60*45мм 2)60*60 мм 3) 60*90мм[4] . Используется в спутниках, среднеформатных фотокамерах. Так же среднеформатные фотокамеры фирмы Hasselblad[5] использовались американцами при высадке на Луне. Малый формат Это размер светочувствительного элемента 36*24мм. Именно этот размер светочувствительного элемента используется за так называемый эталон. Преимущество и недостатки крупного и среднего формата перед 35 миллиметровым (малым) форматом. Крупный и средний формат Малый формат(35-миллиметровый формат) Преимущества Недостатки Преимущества Недостатки 1) Самое главное преимущество это качество снимков. Чем размер светочувствительного элемента больше тем больше деталей он несёт т.е более мягкие переходы от темых тонов к светлым и наоборот. 1)На то чтобы сделать снимок уходит значительно больше времени(скорость съёмки меньше одного кадра в секунду). 1)Возможность быстрой фотосъёмки 1)Проигрыш в качестве фотографий среднему и крупному формату. 2)Низкий динамический диапазон. 2) Высокий динамический диапазон. 3) Большой размер самих фотокамер. 3)Малый размер самих фотокамер. 4) Дороговизна объективов 4) Более дешевая стоимость объективов. 35-миллемитровый формат Из таблицы видно что 35 миллиметровый формат проигрывает крупному и среднему формату в качестве, а качестве это главный критерий фотографии В данной главе будет рассказано краткая история 35 миллиметрового формата и почему он получил такое широкое распространение. История 35 миллиметрового формата [6] В 1916 году фирма Kodak создала 35 миллиметровау плёнку . Это была 35-мм неперфорированная плёнка. Тот тип 35 мм. плёнки который мы все знаем появился значительно позже в 1934 с обозначением «135[7] ». Добавив единицу в начало кода, сохранили узнаваемость и показали отличие от неперфорированной версии. Плёнка была помещена в кассеты Kodak-Retina. К рассвету цифровой фототехники из малого формата по сути остался только 135-й тип плёнки с форматом кадра 24×36 мм. Все прочие типы, включая систему APS (или плёнка типа 240[8] ), которой пророчили вытеснение с рынка 135-го типа, так и не оправдали возлагаемых разработчиками надежд на вытеснение плёнки типа 135. В настоящее время рынок любительской плёночной фототехники настойчиво вытесняется цифровой аппаратурой и предположения о переходе на другой тип со ставшей классической малоформатной плёнки уже маловероятны. Широкое распространение 35 миллиметровый формат стал получать благодаря тому что со временем зернистость малоформатной плёнки становилась все меньше и меньше, обеспечивая постепенный рост разрешения снимка, одновременно расширялся динамический диапазон 35-миллиметрового кадра. После того как разрешение 35-миллиметровой плёнки перешло определённый порог, малоформатная фототехника стала стремительно вытеснять среднеформатные камеры. Причиной тому стали не только заметно меньшие габариты 35-миллиметровых фотоаппаратов и сравнительная простота их эксплуатации, но и сопутствующая выгода от перехода на меньший размер кадра. Преимущества заключались, во-первых, в возможности сократить фокусное расстояние оптической системы (и уменьшить размеры и вес объектива), при этом величина объекта в кадре не изменялась. Во-вторых, при уменьшении габаритов кадра возрастает глубина резкости объектива (отрезок пространства перед объективом – все объекты, попавшие в этот отрезок, будут отображены на плоскости регистратора изображения с достаточной резкостью). Возросшая глубина резкости, в свою очередь, позволяет компенсировать ошибки фокусировки либо «приоткрыть» при съёмке диафрагму, в результате можно использовать более «короткую» выдержку и заметно снизить шанс нечёткости снимка. Немного из истории В конце 60-х начали разрабатываться так называемые "Приборы с Зарядовой Связью", что сокращённо пишется как ПЗС. На английском языке это выглядит как "charge-coupled devices" или сокращённо - CCD. И в 1969 году прибор с зарядовой связью был изобретён Уиллардом Бойлом и Джорджем Смитом в Лабораториях Белла. В1973 году компания Fairchild начала промышленный выпуск ПЗС[9] -матриц. Они были чёрно-белыми и имели разрешение всего 100х100 пикселей. В 1974 при помощи такой ПЗС-матрицы и телескопа была получена первая астрономическая электронная фотография. В 1975 Инженер Стив Сассон работавший в компании Kodak сделал первую работающую камеру на ПЗС-матрице производства Fairchild. Камера весила почти три килограмма и позволяла записывать снимки размером 100x100 пикселей на магнитную кассету (один кадр записывался 23 секунды). В 1980 году Sony представила на рынок первую цветную видеокамеру на основе ПЗС-матрицы (до этого все камеры были чёрно-белыми). 1981 Sony выпускает камеру Mavica (сокращение от Magnetic Video Camera), с которой и принято отсчитывать историю современной цифровой фотографии. Mavica была полноценной зеркальной камерой со сменными объективами и имела разрешение 570×490 пикселей (0,28 Мп) Она записывала отдельные кадры в формате NTSC и поэтому официально она называлась «статической видеокамерой» (Still video camera). Технически, Mavica была продолжением линейки телевизионных камер Sony на основе ПЗС-матриц. В 1990 появляется уже полностью цифровая, коммерческая камера – Dycam Model 1, более известная под как Logitech FotoMan FM-1. Камера была чёрно-белая (256 градаций серого), имела разрешение 376x240 пикселов и 1 мегабайт встроенной оперативной памяти для хранения 32 снимков, встроенную вспышку и возможность подключить камеру к компьютеру. В 1991 Kodak, совместно с Nikon, выпускает профессиональный зеркальный цифровой фотоаппарат Kodak DSC100 на основе камеры Nikon F3. Запись происходила на жесткий диск, находящийся в отдельном блоке, весившем около 5 кг. И только в 1994 году на рынке появились первые Flash-карты форматов Compact Flash и SmartMedia, объёмом от 2 до 24 Мбайт. Типы цифровых матриц. В данный момент существуют много разновидностей цифровых матриц, но только 2 из этих типов распространены очень широко и используются более чем в 95% всех фотоаппаратов. Это CCD (ПЗС) и КМОП(СMOS[10] ). Принцип работы CCD(ПЗС) и CMOS(СМОП) матриц[11] ПЗС (приборы с зарядовой связью) - это фактически массив конденсаторов, в каждом из которых под действием света накапливается некоторый сигнал (заряд), и процесс считывания - это физическое перемещение всего зарадового массива как целого к выходному устройству. То есть каждый конкретный электрон, сгенерированный светом в любом месте матрицы, должен, под действием управляющих напряжений, переползти к выходному устройству матрицы, где и преобразуется в электрический сигнал. В КМОП - матрицах тоже есть массив конденсаторов, на которых накапливается фото сгенерированный заряд, однако считывание происходит совершенно иначе. С каждого конденсатора считывается напряжение (ведь напряжение на нём пропорционально заряду). Поэтому необходимости тащить каждый электрон через весь кристалл нет. Но это создаёт и свои недостатки. во-первых, раз в каждой ячейке есть своя схема преобразования заряда в напряжение, то а) есть и неоднородность такого преобразования - все ячейки хоть немножко, да разные, и б) сама схема преобразователя занимает место, а значит, не вся площадь ячейки чувствительна к свету. Кроме того, возникают чисто коммутационные проблемы из-за влияния управляющих напряжений на считываемый сигнал - в ПЗС эти вещи намного менее заметны, потому что управляющие сигналы - это напряжение, а полезный сигнал - это заряд. CCD (ПЗС) КМОП(С MOS ) Преимущества Недостатки Преимущества Недостатки 1).При низкой чувствительности более хорошее качество изображения 1) Высокий уровень шумов при высокой чувствительности(ISO) 1) Более низкий уровень шумов при высокой чувствительности(ISO) 1) Изображение на низких ISO чуть хуже чем на CCD матрицах. 2) Дороговизна в производстве 2) Дешевизна производства 3) Небольшая скорость записи 3) Возможность большой скорости съёмки. . Отдельно в этом ряду можно выделить матрицу Foveon[12] т.к её принцип устройства отличается от остальных. Её преимущество состоит в том , она состоит из 3 слоёв синего, зелёного, красного. И в теории она должна существенно отличатся по качеству изображения по сравнению CCD и CMOS матрицами. Но на практике всё далеко не так. Именно поэтому она не получила широкого распространения. Основные размеры цифровых матриц Рис.1.В данном рисунке показаны размеры матриц, и во сколько одни матрицы больше других. Средний формат цифровых матиц . В данный момент рынок цифрового среднего формата представлен следующими производителями: Hasselblad, Leica[13] , Pentax[14] . Но они не имеют большого распространения т.к их цена очень высока. Матрица 36*24 мм(full frame). В данный момент только Canon[15] , Nikon[16] и Sony производят фотокамеры с таким размером матриц. · У Canon это камеры : 1Ds mark 3,1Ds mark 2, 5d mark 2, 5d. · У Nikon это камеры:D3x, D3, D3s, D700. · У Sony это камеры: A900 и A850. Матрица APS-H((Nikon)30*20мм). Данная функция доступна только на камере D3s тем самым можно изменить фокусное расстояние в 1.2 раза т.е при необходимости можно приблизить объект на 20%,за счёт уменьшения рабочей поверхности матрицы. Матрица APS-H((Canon)27,9*18,6мм). Данная матрица используется в репортажных камерах Canon а именно:1D mark4, 1D mark3, 1D mark 2. Матрица APS-C((Nikon DX,Pentax,Sony)23,6*15,7мм) Данная матрица установлена на следующих камерах а именно: · На Nikon DX :D300,D300s,D200,D100,D7000,D90,D5000,D3100,D3000,D60,D40x,D40. · На Pentax:K-5,K-7,K-20D,K-10D, K200D, K100D Super K110D,K100D, K-r, K-x, K-m[17] . · На Sony: A700,KM 7D,A 580,A 550, A560, A500,A450, A390,A380,A350,A330,A300,A290,A 230, A200,A100,KM 5D[18] . Матрица APS-C((Canon)22,3*14,9мм) Данная матрица присутствует на следующих камерах:7D,60D,50D,40D,30D,20D,550D,500D,450D,400D,350D,300D. Матрица Foveon((Sigma)20,7*13,8мм) Применяется в фотокамерах: SD9, SD10,SD14,SD15[19] . Матрица Four Thirds System(Olympus(17,3*13мм)) Данная матрица применяется на фотокамерах Olympus серии E. Матрица ``2/3``(9,2*6,1мм) Данная матрица достаточно редко встречается по той причине, что те камеры на которые она устанавливается по стоимости сопоставимы с зеркальными камерами начального уровня. Например Fujifilm s100fs,Nikon d5000 в данный момент обе камеры сняты с производства. Матрица ``1/1.8``(7,1*5,3мм) Данная матрица применяется в очень хороших компактных камерах или псевдозеркалках стоимостью от 10000руб. Матрица ``1/2.5``(5,7*4,2мм) Данная матрица применяется почти во всех фотокамерах стоимостью ниже 10000 руб. Заключение В заключение хочу сказать, что технологи не стоят на месте, что в свою очередь ведёт к удешевлению производства цифровых матриц и, соответственно, это приведёт к уменьшению стоимости их элементарного объема . Уже сейчас стоимость некоторых цифровых среднеформатных фотокамер приблизилась к стоимости топовых 35-миллиметровых камер, что ещё лет 5 назад представить было сложно. Те возможности, что ещё 10 лет назад были прихотью фотографов-профессионалов, уже сейчас в полной мере могут использоваться фотографами-любителями. На мой взгляд, производители будут ещё долго выжимать из CCD и CMOS матриц все что можно и, возможно, они перейдут на технологию создания трёхслойных матриц подобной Foveon, если к тому времени ещё не будет осуществлён прорыв технологии подобной той , которой состоялся при переходе от плёнке и цифре. В дальнейшем все фотоаппараты будут снимать в 3d формате20 . Фотоаппараты будут установлены в очках, при этом качество получаемых снимков не будет уступать качеству 35-миллиметровых цифровых фотокамерах. Миниатюрность, фотоаппарат в очках, трехмерный, голографический фотоаппарат. Обращения к базе данных Ссылки и сноски: [1] http://www.ferra.ru/online/digiphoto/s27083/ [2] http://ru.wikipedia.org/wiki/PS1 [3] http://news.ferra.ru/hard/2010/08/31/102631/ [4] http://www.ferra.ru/online/digiphoto/s27083/ [5] Victor Hasselblad AB — шведская компания, занимающаяся производством среднеформатных камер и фотографического оборудования. Штаб-квартира компании расположена в Гётеборге. [6] http://www.zenitcamera.com/qa/qa-filmtypes.html [7] Плёнка типа 135 или 35-мм фотоплёнка — на сегодняшний день (2010 год) самый распространённый тип плёнки для фотоаппаратов. Этот стандарт был предложен на рынке фирмой Kodak в 1934 году и представлял собой предназначенную для фотодела 35-мм киноплёнку (полностью совпадают размеры и перфорация), которая была стандартизирована в 1925 году. [8] Плёнка типа 220 , которая появилась в 1965 году, предсталяет собой удлиненную вдвое по отношению к типу 120 пленку (которая выпускается с 1901 года), намотанную на такую же катушку. Номер новой пленки получился "говорящим" и легко запоминающимся. Увеличение длины удалось достичь за счет того, что бумажный защитный ракорд располагается не по всей длине пленки, а только в ее начале и на конце, что уменьшает общую толщину пленки, позволяя разместить большее ее количество в том же объеме на катушке. Данный тип пленки не применим в старых фотоаппаратах с индикационным окошком на задней крышке, в котором видны номера кадров, напечатанные на бумажном ракорде пленки 120. [9] CCD (ПЗС) -ма́трица (сокр. от «прибор с зарядовой связью») или CCD-ма́трица (сокр. от англ. CCD, «Charge-Coupled Device») — специализированная аналоговая интегральная микросхема, состоящая из светочувствительных фотодиодов, выполненная на основе кремния, использующая технологию ПЗС — приборов с зарядовой связью. [10] CMOS(КМОП) -матрица — светочувствительная матрица, выполненная на основе КМОП-технологии. В КМОП-матрицах используются полевые транзисторы с изолированным затвором с каналами разной проводимости. Точная дата создания CMOS матрицы неизвестна. [11] http://otvet.mail.ru/question/28776067/ [12] Foveon X 3 — матрица компании Foveon, в которой цветоделение на аддитивные цвета RGB проводится послойно, по толщине полупроводникового материала, с использованием физических свойств кремния. Название сенсора «Х3»подразумевает как его «трёхслойность», так и «трёхмерность» структуры. [13] Leica — семейство фотоаппаратов, выпускаемых одноимённой немецкой компанией «Leica». [14] В цифровом среднем формате Pentax представленная только одной фотокамерой.Pentax 645D — среднеформатная автофокусная цифровая однообъективная зеркальная камера. Цена на момент анонса серийной камеры (10.03.2010) — 9 400 $. Начало продаж планировалось на май 2010 года, однако было перенесено на начало декабря [15] Корпорация Кэ́нон (англ. Canon Inc., яп. キャノン株式会社, Кянон кабусики гайся) (TYO: 7751, NYSE: CAJ) — японская машиностроительная компания, один из мировых лидеров в области создания цифрового оборудования для использования в офисе и дома. Со времени основания в 1937 г. компания Canon заняла уверенные позиции в сферах фото-, видеотехники и информационных технологий. Главный офис компании расположен в Токио (Япония)( http://ru.wikipedia.org/wiki/Canon) [16] Nikon (Nikon Corporation, яп. 株式会社ニコン, Кабусики гайся Никон, произносится «Никон» listen (info)) — японская компания, специализирующаяся на производстве оптики и электронных устройств для обработки изображений.(http://ru.wikipedia.org/wiki/Nikon) [17] http://ru.wikipedia.org/wiki/Pentax [18] Sony α — серия цифровых фотоаппаратов компании Sony. Зеркальные модели были созданы на основе камер Konica Minolta, поэтому часто полностью совместимы с оптикой для зеркальых камер Konica Minolta. Акцессуары совместимы полностью или частично (иногда работают не все функции); Фотоаппараты оснащаются байонетом Minolta AF (новое название «байонет α»). (http://ru.wikipedia.org/wiki/Sony_Alpha). [19] http://market.yandex.ru/model.xml?hid=91148&modelid=2660117 20 В данный момент на рынке цифровых фотокамер представлена только одна камера способная снимать в 3d формате это fujifilm finepix real3D w3. www.Foto.ru www.fujifilm.ru