Cyfrowa kamera fotograficzna

Transkrypt

1 Ćwiczenie nr 11 LABORATORIUM OPTOELEKTRONIKI OBRAZOWEJ Cyfrowa kamera fotograficzna Pytania kontrolne: 1. Schemat blokowy aparatu fotograficznego. 2. Co to jest liczba przesłony i jaki związek ma z jasnością obiektywu? Która liczba przesłony (2,8 czy 5,6) gwarantuje większy strumień światła i ilokrotnie? 3. Cechy odwzorowania wiernego, wzór soczewkowy, powiększenie liniowe i kątowe. Na czym polega zoom optyczny i zoom cyfrowy? 4. Jak realizowana jest migawka w aparacie cyfrowym? Co to jest efekt czerwonych oczu? 5. Jak definiuje się rozdzielczość? Co to jest kompresja? 1

2 11. Cyfrowa kamera fotograficzna Budowa i zasada działania aparatu fotograficznego Cyfrowy aparat fotograficzny jest urządzeniem niewielkich rozmiarów pozwalającym na fotografowanie obrazów, wykorzystując jako materiał światłoczuły czujniki, obecnie najczęściej CCD lub CMOS. Obraz wędruje do pamięci aparatu, skąd zazwyczaj transmitowany jest do wyświetlacza LCD oraz na nośnik pamięci, którym może być karta CompactFlash, SmartMedia, MemoryStick itp.. Są także inne sposoby magazynowania danych dyskietka, mała płyta CD-R lub rozpowszechniony głównie w kamerach wideo nośnik MultiMediaCard. Podstawową różnicą pomiędzy aparatami fotograficznymi, a ich cyfrowymi odpowiednikami, jest element światłoczuły. W aparacie analogowym światło padające przez obiektyw aparatu na film wywołuje na jego światłoczułej powierzchni nieodwracalną reakcję chemiczną. obiektyw przetwornik A/C Przetwornik CCD / CMOS procesor sterujący oraz pamięć wewnętrzna pamięć półprzewodnikowa dysk miniaturowy bezpośrednie złącze SCSI (w aparatach atelierowych) Rys Schemat blokowy cyfrowego aparatu fotograficznego Zapis do pamięci (w aparatach na PC-Card przenośnych) W cyfrowych aparatach fotograficznych obraz rzutowany jest przez układ optyczny na przetwornik światłoczuły CCD lub CMOS. Obraz w aparacie cyfrowym rejestrowany jest na elemencie światłoczułym jedynie przez chwilę, po czym sygnał świetlny zostaje zamieniony na impulsy elektryczne. Taki sposób rejestracji wprowadza możliwość natychmiastowego podglądu wykonanego ujęcia z możliwością jego wstępnej edycji czy usunięcia. Analogowe dane opisujące luminancję każdego punktu obrazu (składowe: czerwona, zielona lub niebieska) trafiają do przetwornika analogowo cyfrowego. 2

3 Po przetworzeniu do postaci cyfrowej dane zapisywane są w wewnętrznej pamięci operacyjnej aparatu. Następnie w procesie interpolacji barw układy elektroniczne aparatu estymują dla każdego punktu dwie brakujące składowe koloru, uwzględniając przy tym wartości punktów sąsiadujących. Ponieważ w wyniku interpolacji objętość danych graficznych zwiększa się trzykrotnie, przed zapisem na karcie pamięci obraz poddawany jest kompresji stratnej np. JPEG. W tym przypadku cała obróbka zachodzi w aparacie, który zapisuje zdjęcia w postaci standardowego pliku graficznego, możliwego do obejrzenia nawet na komputerze z procesorem Sygnał będący odwzorowaniem widzianego przez obiektyw obrazu zapisywany jest zwykle na kartach pamięci półprzewodnikowej formatu PC Cards o pojemności od 4MB do ponad 1GB (w najnowszych rozwiązaniach). Często stosuje się również pamięci pośrednie (buforowe) wykonane jako półprzewodnikowe typu błyskowego (flash memory). W urządzeniach atelierowych (podłączonych na stałe do komputera) rzadko stosuje się zapis na nośniku umieszczonym w aparacie. Cyfrowa postać obrazu jest od razu wyprowadzana do komputera np. przez złącze SCSI w celu przygotowania go do druku. O jakości zdjęcia cyfrowego decydują nie tylko czysto techniczne parametry, jak np. rozdzielczość elementu światłoczułego, rozmiar matrycy, czy liczba rejestrowanych barw przez układ światłoczuły. Znaczący wpływ na ostateczną jakość uzyskanej fotografii ma umiejętne wykorzystanie możliwości tkwiących w optyce aparatu: możliwości obiektywu, odpowiedni dobór czasu i parametrów naświetlania, a także sprawne posługiwanie się funkcją autofocus. Rys Budowa cyfrowego aparatu fotograficznego Obiektyw Zasadniczym elementem układu optycznego cyfrowego aparatu fotograficznego jest obiektyw. Obiektywy w ap. cyfrowych są z reguły znacznie prostsze niż w klasycznych aparatach fotograficznych, często przymocowane na stałe lub zintegrowane z konstrukcją urządzenia. Jednak dostępne są również modele umożliwiające swobodne dobieranie obiektywu. 3

4 Obiektyw aparatu fotograficznego, mimo że przeważnie zbudowany jest co najmniej z kilku, a czasem nawet kilkunastu, elementów optycznych (soczewek lub soczewek i luster), może być w uproszczeniu traktowany jako pojedyncza soczewka skupiająca (tzw. soczewka gruba), odwzorowująca wewnątrz aparatu rzeczywisty obraz przedmiotu. Zależność między położeniem przedmiotu a i położeniem jego obrazu (względem odpowiednich ognisk), ogniskową f obiektywu oraz powiększeniem liniowym M i kątowym M wynika ze wzorów soczewkowych: a b = f 2, M = -b/f, M = 1/M Jeżeli więc przedmiot znajduje się w dużej odległości od obiektywu (w nieskończoności ), to jego obraz powstaje niemal w ognisku i tutaj jest umieszczona w klasycznym aparacie błona światłoczuła. Natomiast, jak widać ze wzoru, ostry obraz przedmiotu znajdującego się w niewielkiej odległości, powstanie w większej niż poprzednio odległości od obiektywu, czyli za płaszczyzną błony. Dla uzyskania optymalnej ostrości obrazu na elemencie światłoczułym konieczne jest odpowiednie zwiększenie odległości obrazowej, czyli wysunięcie całego obiektywu. Ręcznie odbywa się to zwykle przez obracanie pierścienia oprawy zaopatrzonego w gwint. W aparatach typu kompakt z systemem Autofocus służy do tego celu mechanizm sprężynowy, natomiast w aparatach lustrzanych wyposażonych w ten system służy do tego celu silnik elektryczny, przeważnie wbudowany w korpus aparatu i połączony z oprawą obiektywu za pomocą sprzęgła. Wyjątek stanowią produkty firm Canon Sigma i nowy Nikon, które zdecydowały się na wyposażenie w silnik każdego obiektywu. Zakres przesuwania jest proporcjonalny do ogniskowej obiektywu. W obiektywach długoogniskowych jest więc on dość duży, co utrudnia szybkie nastawianie ostrości. Ostatnio wiele firm stosuje w obiektywach tego typu tak zwane wewnętrzne ogniskowanie. Polega ono na tym, że zamiast wysuwania całego obiektywu, dla nastawienia ostrości obrazu zmienia się położenie wzajemne niektórych elementów jego układu optycznego. W ten sposób całkowita długość oprawy pozostaje nie zmieniona, a ponieważ przesuw elementów wewnątrz obudowy obiektywu jest niewielki, nastawienie ostrości odbywa się bardzo szybko. W prospektach firmowych obiektywy takie są oznaczane angielskim określeniem: internal focusing. Większość aparatów zawiera obiektywy o zmiennej ogniskowej. W najprostszych aparatach optyka pozwala uzyskać tylko dwukrotną zmianę ogniskowej (istnieją oczywiście także egzemplarze w ogóle pozbawione opcji zoom). W bardziej zaawansowanych aparatach cyfrowych układy optyczne pozwalają uzyskać ośmiokrotną, dziesięciokrotną lub nawet czternastokrotną zmianę ogniskowej (i powiększenia obrazu). Dobrej jakości obiektyw powinien być jasny (parametr f/d określany ilorazem ogniskowej i średnicy otworu przysłony powinien być możliwie mały) i pozwalać na wykonywanie zdjęć z jak największym otworem przysłony (przysłona zwykle zamyka się w granicach f/2,8 do f/11). Możliwe jest wtedy wykorzystywanie aparatu w gorszych warunkach oświetleniowych (np. wieczorem, w pochmurny dzień) bez konieczności użycia lampy błyskowej. Swoboda w operowaniu wielkością przesłony umożliwia wpływ na głębię ostrości strefę (przedział odległości), w której obrazy fotografowanych obiektów są ostre. Im mniejszy otwór przesłony, tym większa głębia ostrości. Ogniskowa standardowego obiektywu (kąt widzenia analogiczny jak oka ludzkiego) klasycznego aparatu fotograficznego (klatka 24x36 mm) wynosi około 50 mm. Jeżeli aparat wyposażony jest w zoom to wartość ogniskowej wynosi od 38 do 115 mm, a nawet od 20 do 400 mm. Aparaty cyfrowe wyposażane są zazwyczaj w przetworniki analizujące o mniejszej przekątnej niż typowa klisza, i ich obiektywy mają proporcjonalnie krótsze ogniskowe. Np. kamera HP M407 z przetwornikiem 1/2 ma 3x zoom z ogniskową zmieniającą się w 4

5 granicach 6-18 mm. Najjaśniejsze obiektywy mają modele stało ogniskowe, co wynika z ich prostszej konstrukcji optycznej. Istnieją również obiektywy zapewniające dobry tryb makro, wykorzystywany do makrofotografii. Minimalna odległość obiektywu od fotografowanego przedmiotu wynosi wtedy zaledwie 1 lub 2 centymetry. Uzyskanie podobnych rezultatów za pomocą tradycyjnego aparatu fotograficznego wymaga użycia specjalnych akcesoriów (tzw. pierścieni pośrednich) lub specjalistycznych obiektywów i jest znacznie bardziej kłopotliwe. Migawka Innym charakterystycznym elementem układu optycznego jest migawka, która występuje częściej w profesjonalnych urządzeniach cyfrowych. W aparatach bez migawki czas ekspozycji (naświetlania) fotodetektorów regulowany jest elektronicznie np. przez odczyt z określoną częstotliwością zgromadzonych w nich ładunków elektrycznych. W aparatach cyfrowych stosowane są dwie metody naświetleń układu światłoczułego. W droższych modelach wykorzystuje się mechanizm znany z konstrukcji analogowych, czyli fizycznie zamontowaną w aparacie migawkę, otwierającą się na czas określony przez fotografującego, lub przez automatykę aparatu. W tańszych modelach układ światłoczuły poddawany jest naświetleniu cały czas, a pod pojęciem czas otwarcia migawki rozumie się czas, przez jaki matryca CCD lub CMOS będzie rejestrować dane ujęcie. Generalna zasada jest prosta im krótszy czas otwarcia migawki, tym większa szansa, że fotografowane obiekty będą ostre i nieporuszone. Niestety, krótszy czas otwarcia migawki to także mniej światła docierającego do elementu światłoczułego, co z kolei może spowodować, że wykonywane zdjęcie będzie nie doświetlone. Dodatkowo chcąc uzyskiwać dobre i ostre zdjęcia, warto stosować się także do następującej reguły: maksymalny czas naświetlania powinien być odwrotnie proporcjonalny do jasności (lecz proporcjonalny do liczby przesłony f/d) obiektywu. Przesłona Z informacji podanych powyżej wynika, że czynnikiem decydującym o jakości uzyskanych zdjęć jest wartość, czy też liczba przesłony f/d (iloraz ogniskowej i średnicy otworu przysłony). O ile czas otwarcia migawki decyduje o tym, jak długo światło pada na element światłoczuły, to liczba przesłony informuje o wielkości otworu, przez który światło pada na ten element. Oczywiste jest, że aby zdjęcie nie wyszło prześwietlone lub nie doświetlone, ilość padającego na układ światłoczuły światła musi być stała. Inaczej mówiąc, ekspozycja musi pozostać niezmienna bez względu na regulację parametrów aparatu. Łatwo zauważyć prostą zależność. Im dłuższy będzie czas otwarcia migawki, tym mniejszy powinien być otwór przesłony (a większa liczba f/d) Podstawowe pojęcia związane z cyfrowymi aparatami fotograficznymi Autofocus Automatyczny system, który wykorzystuje silnik elektryczny wbudowany w obiektyw lub korpus aparatu dla uzyskania takiego wysunięcia obiektywu, które zapewnia ostrość naświetlanego obrazu. Odległość od fotografowanego obiektu ustalana jest na podstawie np. pomiaru różnicy faz fali wysyłanej przez aparat i odbitej od obiektów lub na podstawie różnicowania kontrastów obrazu na przetworniku. Nastawianie ostrości obrazu w systemie AF przebiega dwuetapowo i jest zależne od typu aparatu. W aparatach z celownikiem lunetkowym nie ma możliwości bezpośredniej kontroli ostrości obrazu, dlatego w pierwszym etapie układ pomiarowy ustala samoczynnie odległość przedmiotową, a w drugim etapie, po przetworzeniu tej informacji przez elektroniczny układ sterujący, mechanizm wykonawczy nastawia odpowiednio obiektyw. Natomiast w aparatach 5

6 lustrzanych układ pomiarowy AF analizuje bezpośrednio ostrość obrazu odwzorowanego przez obiektyw i na tej podstawie koryguje za pomocą silnika nastawienie obiektywu. Jak więc widać, odbywa się to podobnie jak przy nastawianiu ręcznym. Systemy AF stosowane w cyfrowych aparatach fotograficznych są analogiczne do systemów stosowanych w kamerach wideo (patrz ćw. 9). Rozdzielczość Łączna liczba punktów składających się na zarejestrowany obraz. Im więcej pikseli tym zdjęcie jest wyraźniejsze, większe co do formatu i objętości. Teraz podstawowym standardem dla aparatów cyfrowych jest rozdzielczość 1600x1200 pikseli. Im wyższa rozdzielczość, tym większe możliwości aparatu. Wyższa rozdzielczość gwarantuje lepszą jakość obrazu i daje większe możliwości późniejszego przetwarzania pliku (kadrowania, skalowania, retuszu). Rozdzielczość aparatu cyfrowego związana jest bezpośrednio z rozmiarem matrycy CCD lub CMOS. Im więcej elementów światłoczułych zawiera matryca, tym lepszą jakość zdjęć można uzyskać. Rozdzielczość zdjęć wyrażana może być również w następujących jednostkach: - dpi (dots per inch) liczba kropek na cal wykonanego zdjęcia, - lpi (lines per inch) liczba rozróżnialnych linii na cal, - liczba linii na kadr (stosowana często w telewizji) W ćwiczeniu rozdzielczość określana jest jako liczba rozróżnialnych linii na kadr wykonanego zdjęcia. Pomiar rozdzielczości polega tutaj na określeniu liczby linii w kadrze przy fotografowaniu wzorcowego testu. Zoom optyczny Zdolność zbliżenia obrazu za pomocą regulacji optyki aparatu. W aparatach cyfrowych dość popularne są zoomy 3 krotne (3x). Spotykane są również (dość rzadko) zoomy 14x np. w aparacie Sony MVC FD91. Zoom cyfrowy Stratne jakościowo zbliżenie obrazu, polegające na wycięciu fragmentu z całości zdjęcia i elektronicznym powiększeniu go. Powiększenie cyfrowe jest możliwe dzięki interpolacji (sztucznego powielenia pikseli) lub udostępnienia tego mechanizmu jedynie w niższych rozdzielczościach oferowanych przez aparat (wykorzystywany jest wtedy powstały w ten sposób zapas pikseli okupiony niższą rozdzielczością). Zatem zoom cyfrowy prawie zawsze powoduje (pośrednio lub bezpośrednio) spadek jakości danego zdjęcia. Ekspozycja Ilość światła, którego działaniu poddaje się materiał światłoczuły, regulowana czasem otwarcia migawki oraz przesłoną obiektywu. W aparatach cyfrowych czułość elementów CCD/CMOS jest regulowana. Zwiększenie czułości powoduje wzrost zakłóceń rejestrowanych przez matrycę światłoczułą. Dobór czułości jest praktycznie zawsze sprawą kompromisu, jednak przy dobrym oświetleniu należy ustawić najniższą wartość ISO. Kompresja obrazu Algorytm zmniejszania rozmiaru pliku ze zdjęciem kosztem utraty jakości obrazu. Kompresję obrazu stosuje się w celu zmniejszenia rozmiaru pliku zawierającego zdjęcie, a także w celu zapewnienia krótkiego czasu zapisu obrazu do pamięci. Kompresja może być stała lub progresywna. Im większy stopień kompresji tym plik jest mniejszy, czyli możemy zapisać 6

7 większą liczbę zdjęć, lecz gorsza jakość zdjęcia. Kompresja nie jest odwracalna, tzn. skompresowanego zdjęcia nie można odtworzyć w formie przed kompresją, stąd konieczność świadomego wyboru trybu kompresji przed wykonaniem zdjęcia. Ma to znaczenie przy zdjęciach wymagających powiększenia małego fragmentu obrazu. Często stosowany algorytm JPEG bazuje na założeniu, że informacja o jasności danego punktu obrazu jest znacznie ważniejsza od informacji o kolorze tego punktu (co wynika z fizjologicznych uwarunkowań ludzkiego wzroku). Efekt czerwonych oczu Efekt pojawiający się na zdjęciach barwnych przy fotografowaniu osób za pomocą lampy błyskowej, umieszczonej blisko osi obiektywu (dotyczy wszystkich lamp wbudowanych do aparatu). Uwidacznia się on w postaci czerwonej plamki w centralnej części oka portretowanej osoby. W większości aparatów cyfrowych istnieje możliwość zredukowania tego efektu, dzięki funkcji tzw. przed błysku. Polega to na wstępnym mignięciu lampy błyskowej tuż przed wykonaniem zdjęcia. Silny strumień światła powoduje zwężenie źrenic fotografowanej osoby dzięki czemu niepożądany efekt jest minimalizowany. 7

8 9.2. Elementy i układy składające się na cyfrową kamerę wideo Obiektyw Obiektywy wszystkich kamer (poza najprostszymi) złożone są z kilku soczewek zwanych elementami. Ich zadaniem jest kierowanie (drogą załamania) światła tak, aby jak najwierniej odwzorować filmowaną scenę na elemencie światłoczułym (błonie lub sensorze). Celem projektantów obiektywów jest minimalizacja aberracji (błędów odwzorowania) przy użyciu jak najmniejszej liczby elementów. Przedni element obiektywu ma kluczowy wpływ na jego jakość. Jego krzywizna jest dobrana w taki sposób, aby kąt padania i kąt załamania promieni były jednakowe. Jest to łatwe do osiągnięcia w obiektywach stałoogniskowych ale bardzo trudne w obiektywach typu zoom (zmiennoogniskowych). Przedni element pokryty jest specjalnymi powłokami mającymi na celu; 1) poprawę gładkości, 2) poprawę własności transmisyjnych (powłoki antyrefleksyjne), 3) zmniejszenie podatności na flarę od słońca, 4) poprawę własności kolorystycznych. Większość dzisiejszych obiektywów jest wielokrotnie powlekana (ang. multi coated) oraz posiada element będący filtrem UV. Regulacja ostrości (ogniskowanie) polega na zmianie odległości między soczewkami a sensorem lub na zmianie odległości między poszczególnymi grupami elementów. padające światło diafragma (apertura) błona światłoczuła lub sensor cyfrowy elementy obiektywu Rys. 9.2 Budowa obiektywu. Najczęściej stosowanymi do wykonywania soczewek materiałami są; szkło, szkło kwarcowe, fluoryt, plastik i german. Plastik umożlwia formowanie elementów asferycznych, których wykonanie w szkle byłoby trudne lub nawet niemożliwe. Nie stosuje się go do wykonywania elementów przednich ze względu na podatność na zarysowania. Producenci często nazywają plastik stosowany w obiektywach 'żywicą optyczną'. Wewnątrz obiektywu znajduje się również przysłona (apertura) o zmiennej średnicy. Jest to mechanizm regulacji ilości przechodzącego przez obiektyw światła. Obecnie najczęściej stosuje się przysłonę irysową. Składa się ona z tzw. listków, których liczba świadczy często o jakości obiektywu. Większa ilość listków pozwala lepiej odwzorować pożądany, okrągły kształt apertury, co daje wysokiej jakości bokeh rozmycie tła zarejestrowanego obrazu. Rys Prostokątna przysłona widoczna wewnątrz obiektywu cyfrowej kamery video 8

9 Odległość ogniskowa (w skrócie ogniskowa): jest to odległość od płaszczyzny głównej (przedmiotowej lub obrazowej) układu soczewek do skojarzonego z nią ogniska. W sytuacji gdy obraz z kamery jest ostry, jej sensor znajduje się niemal w ognisku obiektywu. Odległość ogniskowa jest głównym parametrem obiektywu i nie zależy od rodzaju aparatu bądź kamery do której jest zamocowany. Wyrażana jest w milimetrach [mm]. Pole widzenia (ang. field of view - FOV) jest to kątowy wycinek danej sceny możliwy do zarejestrowania przez sensor kamery. Zależy od dwóch parametrów: odległości ogniskowej obiektywu oraz fizycznych rozmiarów sensora. Rys Pole widzenia kamery lub aparatu fotograficznego Pole widzenie nie jest cechą samego obiektywu i może być określone jedynie gdy znany jest rozmiar sensora. Aby opisać pole widzenia w pionie, poziomie i po przekątnej podaje się odpowiedni kąt widzenia. K FOV 2 arctg 2 f (9.1) gdzie: K średnica, długość lub szerokość sensora, f odległość ogniskowa nominalna bądź efektywna Z wzoru (9.1) wynika, że gdy odległość ogniskowa rośnie, pole widzenia kamery maleje. Odległość ogniskowa soczewki ludzkiego oka wynosi ~50mm. Obiektywy o ogniskowej ~50mm zastosowane w aparatach z kliszą o rozmiarach 24 x 36 mm 2, nazywane są normalnymi, bowiem ich pole widzenia jest zbliżone do oka ludzkiego. Jeśli ogniskowa jest krótsza, mówi się że obiektyw jest szerokokątny, a jeśli dłuższa jest to teleobiektyw. W tabeli 9.1 zestawiono kąty widzenia w pionie, poziomie i po przekątnej odpowiadające typowym odległościom ogniskowym obiektywów. Jak już wspomniano, pole widzenia zależy również od rozmiaru sensora i wszystkie wartości w tabeli są słuszne dla tzw. aparatów małoobrazkowych (o wymiarach klatki 36 x 24mm). Tabela 9.1. Kąty widzenia małoobrazkowego aparatu fotograficznego dla wybranych odległości ogniskowych. ogniskowa [mm] Po przekątnej ( ) Pionowo ( ) Poziomo ( )

10 Ekwiwalentna odległość ogniskowa jest to ogniskowa obiektywu aparatu małoobrazkowego, przy której pole widzenia jest takie jak pole widzenia danej kamery (z innym obiektywem i sensorem). Przelicznik ogniskowej (ang. crop factor) jest to współczynnik, który pomnożony przez odległość ogniskową obiektywu danej kamery daje ekwiwalentną odległość ogniskową. przeliczni k ogniskowej przekatna klatki kliszy aparatu maloobrazkowego przekatna danego sensora (9.2) Proporcje pojedynczej klatki kliszy aparatu małoobrazkowego (tzw. kliszy 35mm ) to 3:2 (36mm na 24mm), tymczasem wiele sensorów obecnie stosowanych w kamerach, ma proporcje 4:3, lub 16:9. Dlatego też przelicznik wyznacza się dla przekątnej. Jasność obiektywu liczba F Liczba F (określana potocznie mianem 'jasności') wyraża odległość ogniskową obiektywu w odniesieniu do średnicy przysłony (tzw. apertury). Jest wielkością bezwymiarowa opisaną wzorem: F f /# gdzie: f odległość ogniskowa, D średnica przysłony Oznaczenie "f/#" traktowane jest jak jeden symbol a jego poszczególne wartości zapisuje się zastępując znak # liczbą (np. f/11 gdy odległość ogniskowa jest 11 razy większa niż średnica przysłony). Im większa jest liczba F tym mniej światła trafia na powierzchnię sensora. Aby dwukrotnie zmniejszyć ilość padającego, średnica apertury musi zmaleć 2 =1,41 raza. Dlatego do oznaczenia obiektywów używa się standardowej skali liczb F. Jest to w przybliżeniu geometryczny szereg liczb, potęg 2 : f/1, f/1.4, f/2, f/2.8, f/4, f/5.6, f/8, f/11, f/16, f/22, f/32, itp. Wartości są zaokrąglone w celu uproszczenia zapisu. f D (9.3) f/1,4 f/2 f/2,8 f/4 f/5,6 f/8 Rys Sposób oznaczania apertury obiektywu za pomocą liczby F Jak już wspomniano, zmiana jasności obiektywu od danej wartości liczby F do sąsiedniej wartości z szeregu powoduje dwukrotną zmianę ilości padającego na sensor światła. W fotografii mówi się wtedy o zmianie o 1 EV jedną wartość ekspozycji (z ang. exposure value). 10

11 Migawka W każdej kamerze konieczna jest możliwość kontrolowania czasu ekspozycji. W przypadku aparatów fotograficznych z wyższej półki migawka jest mechaniczna i ma postać kurtyny przesuwającej się w płaszczyźnie obrazowej nad powierzchnią sensora, pozwalając precyzyjnie kontrolować czas naświetlania. W przypadku kamer cyfrowych migawka jest najczęściej elektroniczna. Czas otwarcia migawki wyraża się w normalny sposób w sekundach, jednak wartości zapisuje się w postaci ułamków zwykłych; 1/25s, 1/320s, 1/4000s. W przypadku aparatów fotograficznych czas ten dobiera się indywidualnie przed każdą ekspozycją. Kamera cyfrowa natomiast musi rejestrować sekwencje obrazów utrzymując odpowiednie tempo np. 25 klatek na sekundę. Czas otwarcia migawki nie może w tym przypadku przekroczyć 1/25 sekundy. Układ automatycznej ekspozycji kamery dobiera pozostałe parametry (aperturę obiektywu i czułość ISO sensora) w taki sposób, aby warunek ten był spełniony. W sensorach CMOS elektroniczna migawka działa w sposób następujący: kolejne wiersze sensora są resetowane jeden po drugim począwszy od góry. Gdy proces obejmie kilka wierszy (ich liczba zależy od czasu ekspozycji) rozpoczyna się odczyt w jednakowy sposób wiersze odczytywane są kolejno począwszy od góry z taką samą szybkością z jaką przebiega resetowanie. Okres integracji (akumulacji ładunków) stanowi czas ekspozycji i jest równy opóźnieniu między resetem oraz odczytem danego wiersza zatem zmieniając te dwie wartości można sterować czasem ekspozycji. Z racji tego że proces integracji przesuwa się po sensorze przez pewien okres czasu (podobnie jak dla migawki szczelinowej aparatu fotograficznego), na obrazie pojawiają się charakterystyczne zniekształcenia: Rys Skoszenie efekt uboczny działania opadającej migawki Jeśli pojazd porusza się podczas ekspozycji z dużą prędkością to jego dach może podlegać odczytowi wcześniej niż koła, co daje efekt widoczny na rysunku powyżej Sensor kamery i matryca Bayera Sensor znajdujący się w kamerze wideo, wykonany jest w jednej z dwóch technologii: CMOS lub CCD. Oba typy sensorów bazują obecnie na komórkach MOS (choć spotykane są również sensory CCD oparte na tranzystorach bipolarnych). Akumulują one w pikselach pewną ilość ładunku proporcjonalną do natężenia oświetlenia dokonując w ten sposób próbkowania obrazu. Gdy ekspozycja dobiegnie końca, w przypadku najprostszych sensorów CCD ładunek zgromadzony w danym pikselu jest przesuwany wzdłuż rejestru, do sąsiedniego piksela w następnym wierszu. Zawartość kolejnych wierszy trafia do rejestru przesuwnego tzw. wyjściowego, na wyjściu którego dokonywana jest konwersja ładunku na napięcie. W 11

12 przypadku sensora CMOS konwersja odbywa się wewnątrz każdego piksela co stanowi podstawową różnicą między obiema technologiami. CCD konwersja fotonów na elektrony CMOS konwersja ładunku na napięcie 9.7. Porównanie sensorów CMOS i CCD Siatka Bayera Aby uzyskać obraz barwny na matrycę sensorów nakładany jest dyskretny filtr optyczny (DFO) w formie siatki filtrów RGB. Siatka Bayera (od nazwiska wynalazcy - dr. Bryce'a E. Bayera z firmy Kodak) przedstawiona została na rys Często nazywana jest siatką GRGB lub RGGB albo też siatką typu zielona szachownica ponieważ zawiera 50% zielonych, 25% czerwonych i 25% niebieskich filtrów elementarnych. Filtry te pokrywają całą powierzchnię aktywną sensora. Jej konstrukcja wynika z faktu, że Rys Siatka Bayera ludzkie oko jest bardziej czułe i widzi z lepszą rozdzielczością kolor zielony. Zorganizowanie siatki w ten sposób sprawia że obraz jest bardziej szczegółowy i mniej podatny na szum. Obraz prosto z sensora z siatką Bayera różni się znacznie od obrazu ostatecznego. Fakt że każdy piksel jest przykryty filtrem przepuszczającym tylko fragment spektrum oznacza, że znaczna część energii światła nie dochodzi do sensora. Ponadto, każdy piksel zawiera tylko część informacji o kolorze w danym punkcie. Resztę informacji uzyskuje się przez analizę sąsiednich pikseli. Służą do tego tzw. algorytmy demozaikujące. a) b) Rys a) obraz nieprzetworzony z sensora z siatką Bayera, b) obraz ostateczny po procesie demozaikowania. 12

13 Istnieje wiele typów algorytmów demozaikujących; najbliższego sąsiada, interpolacji dwuliniowej, interpolacji dwusześciennej itd.. Różnią się one szybkością działania, jakością i zastosowaniem (np. dany algorytm może być zoptymalizowany pod kątem lepszej jakości wydruku) Układ automatycznego ustawiania ostrości (ang. AF autofocus) Dużym udogodnieniem dla operatora kamery jest układ automatycznej regulacji ostrości.. ultradźwiękowy przetwornik piezoelektryczny nadajnik odbiornik układ pomiaru czasu opóźnienia CCD obiektyw silnik ostrości układ sterowania silnika Rys. 9.10a. Schemat ultradźwiękowego układu Auto Focus. Stosowane są trzy rodzaje takiego układu: ultradźwiękowe, z wiązką promieniowania podczerwonego i z czujnikiem CCD. W układzie ultradźwiękowym, przedstawionym na rys. 9.10a, AF korzysta z typowych rozwiązań stosowanych w echosondach. Z przetwornika piezoelektrycznego, umieszczonego w małym tubusie obok obiektywu kamery, jest wysyłana skupiona wiązka fal ultradźwiękowych w środek obszaru obserwowanego przez kamerę. Fala ultradźwiękowa odbita od przedmiotu wraca z opóźnieniem do odbiornika, którym jest ten sam przetwornik. Odpowiedni układ elektryczny określa czas opóźnienia i zmienia tę informację na sygnał sterujący silnik ostrości obiektywu. Wadą tego systemu jest błędne ustawianie ostrości przy obserwacji przedmiotów znajdujących się np. za szybą, od której odbija się fala ultradźwiękowa lub też w przypadku filmowania obiektu umieszczonego nie w centralnej, ale w bocznej części kadru. Układ AF z wiązką promieniowania podczerwonego Infrared Auto-Focus" wykorzystujący zjawisko odbicia fal podczerwonych przedstawiono na rys. 9.10b. Wiązka promieniowania podczerwonego emitowana przez diodę LED Jest skierowana wzdłuż osi obiektywu kamery do przedmiotu. Po odbiciu od przedmiotu jest odbierana przez drugi obiektyw należący do odbiornika podczerwieni znajdującego się pod obiektywem kamery. Odbita wiązka pada następnie na zespół fotodiod A i B (ang. Split Photodiode). Zespół ten może przesuwać się w górę i w dół, przy czym jest mechanicznie sprzężony z pierścieniem ostrości obiektywu. Jeśli wiązka odbierana pada na jedną tylko fotodiodę, to silnik ostrości przesuwa zespół fotodiod aż do osiągnięcia jednakowego podziału tej wiązki w obu diodach A i B. Następuje zrównanie sygnałów elektrycznych z obu fotodiod i silnik zatrzymuje się. Do wzmocnienia sygnałów z fotodiod i sterowania silnika służą: wzmacniacz, komparator amplitudy oraz układ sterujący. Zaletą układu z wiązką promieniowania podczerwonego jest jego niezależność od stopnia oświetlenia przedmiotów. Pracuje on poprawnie nawet w ciemności. 13

14 odbiornik podczerwieni (fotodiody A i B) komparator amplitudy CCD silnik ostrości układ sterowania silnika nadajnik podczerwieni (dioda LED) Rys. 9.10b. Schemat układu Auto Focus z wiązką promieniowania podczerwonego. Układ AF z czujnikiem CCD zawiera 24 pary fotodiod działających na zasadzie przesuwania ładunku elektrycznego. Fotodiody są rozmieszczone szeregowo i tworzą liniowy czujnik świetlny CCD o długości 5mm. Strumień świetlny z obiektywu kamery zostaje rozdzielony na dwie części przez półprzeźroczyste lusterko, przy czym 70% strumienia dochodzi do przetwornika, a 30% do czujnika CCD rys. 9.10c. półprzeźroczyste lustro 70% CCD silnik ostrości lustro 30% czujnik CCD układ sterowania silnika mikroprocesor Rys. 9.10c. Układ Auto Focus z czujnikiem CCD. 14

15 Każda para diod jest wyposażona w mikroskopijną soczewkę skupiającą. Wyjścia fotodiod są odpowiednio połączone tworząc dwie grupy A i B (rys. 9.10d). A 1 B 1 A 10 B 10 Fotodiody czujnika CCD Rys. 9.10d. Zespół fotodiod A i B. a). X A B U X t b). A B X U A B X t c). X A B U B A X t Rys Zasada działania dalmierza z dwiema grupami fotodiod CCD. Działanie takiego układu jest podobne do działania optycznego dalmierza w aparatach fotograficznych, zawierającego dwa, odwrotnie ułożone względem siebie, pryzmaty. Obraz widziany w wizjerze aparatu jest przecięty na pół i przy regulacji ostrości obiektywu obie połówki obrazu schodzą się aż do zaniku przecięcia. Funkcję dwóch pryzmatów spełniają w opisywanym układzie CCD dwie grupy fotodiod (rys ). Strumień świetlny z obiektywu pada na mikrosoczewki, a stąd na fotodiody. Przy dobrze ustawionej ostrości płaszczyzna zogniskowania obrazu leży dokładnie na powierzchni czujnika CCD i fotodiody obu grup A i B dają identyczne sygnały wizyjne powodujące w efekcie wynik zerowy na wyjściu układu (rys. 9.11a.). Przy źle ustawionej ostrości płaszczyzna zogniskowania obrazu wypada przed 15

16 lub za czujnikiem CCD. Powstają wówczas sygnały błędu A i B jak na rys b i c. Sygnały te dochodzą do mikroprocesora wytwarzającego odpowiednie sygnały sterujące silnik ostrości obiektywu, który dopóty obraca pierścień ostrości, dopóki nie nastąpi zrównanie sygnałów A i B. Układ AF z czujnikiem CCD nie działa niestety prawidłowo lub w ogóle przestaje działać, jeżeli obserwowany obiekt nie zawiera żadnych szczegółów, np. gdy kamerę skieruje się na białą ścianę lub kontrastowe poziome pasy lub gdy oświetlenie jest zbyt słabe. W tych przypadkach należy przejść na ręczne sterowanie ostrością. Zaletą układu CCD jest możność stosowania go przy dowolnym obiektywie, również przy teleobiektywie. Zarówno układ AF z wiązką promieniowania podczerwonego, jak i z czujnikiem CCD działają bezpośrednio przez obiektyw kamery, stąd też spotyka się dla nich określenia TTL (ang. Through The Lens) lub TCL (ang. Through The Camera Lens). Ostatnim osiągnięciem jest układ Piezo Auto Focus CCD, w którym czujnik CCD zamocowano na płytce piezoelektrycznej. W przypadku nieostrego obrazu mikroprocesor wytwarza odpowiednie napięcie na tej płytce powodując natychmiastowe ustawienie czujnika CCD w płaszczyźnie zogniskowania. Jednocześnie mikroprocesor ustala, o jaki kąt należy obrócić pierścień ostrości obiektywu kamery, i wysyła odpowiednie napięcie sterujące do silnika ostrości, który po chwili ustawia prawidłową ostrość obrazu w kamerze. W układzie Piezo AF zamiast poszukiwania optimum, jak to było w poprzednim układzie AF z CCD, następuje jednorazowy, docelowy obrót pierścienia do położenia ustalonego przez mikroprocesor. Zwiększa to precyzję i szybkość osiągnięcia ostrości obrazu Temperatura barwowa i balans bieli Czystość bieli jest parametrem kolorowego obrazu telewizyjnego, na który wyjątkowo uczulony jest wzrok człowieka. Nawet niewielki dodatek jakiegokolwiek koloru zanieczyszczającego biel jest dostrzegalny przez obserwatora. Bardzo krytycznie jest oceniany Tabela 9.2. Temperatury barwowe typowych źródeł światła Oznaczenie Temperatura barwowa [K] Źródło światła Czyste niebieskie niebo Zachmurzone niebo 6000 Letni dzień, południe. Lampy błyskowe Ranek lub wieczór 4000 Świetlówka fluorescencyjna Żarówki halogenowe i wolframowe Ogień, świece także kolor skóry na twarzy, rękach itp. Prawidłowe odtwarzanie bieli przez kamerę telewizyjną daje równocześnie poprawne odtwarzanie wszystkich kolorów. Główny zatem wpływ na czystość bieli w kamerze ma wyrównanie poziomów u trzech składowych sygnałów RGB. Stąd też pochodzi określenie równowaga bieli (ang. White Balance). Podobnie jak w kolorowej fotografii, uzyskanie wiernego odtworzenia kolorów oraz prawidłowej bieli zależy od zabarwienia światła oświetlającego filmowaną scenę. Parametrem charakteryzującym to zabarwienie jest temperatura barwowa. Temperatura barwowa określa odcień bieli i jest wyrażana w Kelvinach. Odpowiada ona temperaturze do której należy 16

17 podgrzać ('do białości') ciało doskonale czarne aby emitowało białe światło o danym odcieniu. Nieco na przekór intuicji; wyższe temperatury barwowe (>5000K) reprezentują kolory 'chłodne', niższe natomiast ( K) ciepłe. Im jest ona niższa, tym światło pozornie białe jest bardziej zabarwione kolorem czerwonym, a im wyższa - kolorem niebieskim. Dla porównania w Tab. 9.2 podano temperatury barwowe kilku znanych ogólnie źródeł światła. Z przytoczonych przykładów widać, z jak dużą rozpiętością temperatury barwowej może spotkać się kamera telewizyjna. Aby dobrać w kamerze właściwą równowagę bieli przy aktualnym oświetleniu, stosuje się układy ręcznej lub automatycznej regulacji. Dawniej, w tanich kamerach, dla uproszczenia, używany był przełącznik np. dla 4 różnych warunków: oświetlenie żarowe, świetlówka, słońce, niebo zachmurzone. Rozwiązanie takie dawało tylko przybliżone wyniki i nie zapewniało prawidłowej równowagi bieli dla dowolnego oświetlenia. Zwiększenie dokładności ustawienia równowagi bieli zapewnia układ automatyki, który samoczynnie dobiera tę równowagę po skierowaniu kamery na białą powierzchnię, np. ścianę, kartkę papieru itp. i naciśnięciu przycisku układu automatyki równowagi bieli w kamerze. Aby zwolnić operatora kamery z obowiązku pamiętania o konieczności korygowania równowagi bieli, wprowadzono układ ACT (ang. Auto Colour Tracking) przedstawiony na rys Działa on w sposób ciągły, nawet bez konieczności przerywania nagrań przy przechodzeniu z oświetlenia np. słonecznego na elektryczne. Półprzewodnikowy czujnik kolorów ma dwie fotodiody, jedną czułą na światło o odcieniu niebieskim, a drugą, o odcieniu czerwonym. Czujnik ten analizuje nieustannie dochodzące do niego światło i przenosi dane do układu macierzowego RGB, który automatycznie koryguje równowagę bieli. Układ ACT działa podobnie jak zmysł wzroku, dzięki któremu można rozpoznawać kolory przedmiotów przy różnym zabarwieniu oświetlenia. obiektyw U Y koder sygnału U wy CCD U R-Y U B-Y U Y U R układ macierzy RGB filtr R U B sygnały równowagi bieli mleczna szyba Filtr B fotodiody Rys Automatyczny układ równowagi bieli ACT. 17

18 Czułość ISO i szum Czułość sensora kamery to miara tego jak wrażliwy jest on na światło. Skrót 'ISO' pochodzi od nazwy specyfikacji; ISO 12232:1998 opracowanej przez Międzynarodową Organizację Normalizacyjną. Pojęcie to funkcjonowało przez długi czas w fotografii analogowej jako szybkość filmu. Mało czułe (wolne) klisze, o małym ISO wymagają większej ekspozycji (dłuższego czasu otwarcia migawki lub większej apertury) niż klisze szybkie żeby w tych samych warunkach zarejestrować jednakowo jasny obraz. Typowe wartości ISO to: 64, 100, 200, 400, 800, 1600 itp. Podczas gdy kiedyś wymagało to wymiany rolki filmu, współczesne kamery cyfrowe potrafią zmieniać czułość sensora na bieżąco poprzez regulację wzmocnienia sygnału z sensora. Niestety ze wzrostem czułości rośnie też ilość szumu widocznego na obrazie. W przypadku klisz fotograficznych obecność szumu wynikała z faktu, że ziarna srebra musiały być większe dla klisz o większej czułości. Natomiast w przypadku kamer i aparatów cyfrowych można wyróżnić dwa rodzaje szumu: Typ I (szum stały): wynikający z różnych odpowiedzi poszczególnych pikseli, Typ II (szum losowy): wynikający z fluktuacji czułości danego piksela w czasie. ISO 100 ISO 400 R G B R G B Rys Wpływ czułości ISO na szum w składowych R,G i B obrazu cyfrowego Szum stały Wynika z różnej czułości poszczególnych pikseli na światło. Jest najbardziej widoczny przy dłuższym czasie ekspozycji i dużym wzmocnieniu (wysokim ISO), dlatego też przeszkadza w filmowaniu scen nocnych. Ten rodzaj szumu jest superpozycją dwóch składowych; jedna przypomina ziarno kliszy fotograficznej i posiada stosunkowo małą amplitudę, druga składa się z jasnych, rozproszonych 'pików' określanych mianem 'gorących pikseli'. Nie należy ich mylić z martwymi pikselami, które są defektami sensora i występują niezależnie od czasu ekspozycji. W fotografii szum stały jest zwalczany przez odjęcie 'czarnej klatki' (utworzonej bezpośrednio po właściwej ekspozycji przy zamkniętej migawce) od właściwego zdjęcia. Nie jest to możliwe w przypadku kamery cyfrowej gdzie ekspozycje następują jedna po drugiej. 18

19 Szum losowy Szum losowy jest obecny zawsze, niezależnie od czasu ekspozycji czy czułości. Polega na tym, że ten sam piksel może daje nieco inną odpowiedź za każdym razem gdy wystawiony jest na działanie takiego samego światła. Czynniki które mają wpływ na szum losowy to: Fluktuacja ilości fotonów padających na obszar aktywny piksela N p, Fluktuacja ilości wygenerowanych elektronów N e, Losowe efekty w procesie wzmocnienia i przetwarzania C/A sygnału. Pierwsze dwa z efektów opisuje rozkład Poisson'a i dlatego nazywane są wspólnie szumem Poisson'a. Zgodnie z tym rozkładem; jeśli piksel jest oświetlony tak, aby wygenerować 1000 fotoelektronów to fluktuacje wyniosą /2 =31e - (3,1%), natomiast przy dziesięciokrotnie słabszym oświetleniu (100 fotoelektronów) będzie to 100 1/2 =10e - (aż 10%). Amplituda szumu losowego zwiększa się ze wzrostem wzmocnienia. Istnieje wiele algorytmów służących do jego usuwania, jednak każdy z nich prowadzi do utraty szczegółowości obrazu, ponieważ wszystkie polegają na uśrednianiu wartości sąsiednich pikseli Rozdzielczość Podstawowe pojęcia Kamera wideo jest przykładem systemu analizującego obraz. Dokonuje ona próbkowania rejestrowanej sceny w czasie (w tempie np. 25 klatek na sekundę) oraz w przestrzeni. Ta druga operacja polega na przyporządkowywaniu poszczególnym punktom obrazowym pikselom (znajdującym się w płaszczyźnie obrazowej, na powierzchni sensora) odpowiednich punktów przedmiotowych. Zdolność rozdzielcza analizatora obrazu to jego zdolność do rozróżniania (rozdzielania) szczegółów przedmiotu, innymi słowy zdolność do mierzenia kątowej separacji punktów przedmiotowych. Rozdzielczość jest to minimalna odległość pomiędzy dwoma rozróżnialnymi elementami obrazu. Nie należy jej utożsamiać z liczbą pikseli sensora, ponieważ rzadko kiedy jest on najwęższym gardłem całego systemu Dyfrakcja zjawisko ograniczające rozdzielczość Jakość obiektywu ma kluczowe znaczenie dla rozdzielczości całego systemu. Dla dużych apertur (np. f/1, f/1.8, itp...) maksymalna rozdzielczość obiektywu ograniczają aberracje. W przypadku mniejszych apertur i obiektywów bardzo wysokiej jakości (takich gdzie aberracje są kompensowane np. z pomocą soczewek asferycznych i/lub s. o niskiej dyspersji) ograniczenie rozdzielczości wynika z dyfrakcji. Równoległe promienie światła przechodzące przez aperturę rozchodzą się i interferują ze sobą, ponieważ w drodze do ekranu przebywają różne odległości i występują między nimi przesunięcia fazowe. Zjawisko to jest tym silniejsze im mniejsza jest średnica apertury w stosunku do długości światła. W efekcie interferencji, obrazem pojedynczego punktu przedmiotowego jest obraz dyfrakcyjny zwany dyskiem Airy'ego. Jego średnica (mierzona od środka do pierwszego minimum) służy do określenia maksymalnej teoretycznej rozdzielczości obiektywu. 19

20 Rys Dysk Airy'ego Kryterium Rayleigh'a określa limit rozdzielczości obiektywu. Obrazy dwóch sąsiadujących punktów przedmiotowych uznaje się za rozdzielone gdy maksimum główne (dysku Airy'ego) pierwszego obrazu pokrywa się z pierwszym minimum drugiego obrazu, stąd: x f sin 1,22, oraz x 1, 22 D f D (9.4) gdzie: rozdzielczość kątowa, x - odległość dwóch dysków Airy ego na ekranie, f odległość ogniskowa, D apertura (średnica przesłony). Odległość x odpowiada rozmiarowi najmniejszego przedmiotu który obiektyw jest w stanie odwzorować. Jest to również średnica najmniejszego punktu do którego obiektyw jest w stanie zogniskować skolimowaną wiązkę światła. Wielkość ta jest proporcjonalna do długości fali λ, zatem niebieskie światło może zostać zogniskowane do mniejszego punktu niż czerwone. Dyfrakcja ogranicza rozdzielczość obiektywu (a więc i całego systemu), gdy: - średnica maksimum głównego dysku Airy'ego jest porównywalna z rozmiarem piksela sensora, - dwa dyski Airy'ego znajdują się wzajemnie w odległości bliższej niż ta wynikająca z kryterium Rayleigh'a. Rys Trzy przypadki wzajemnego położenia dysków Airy'ego Funkcja przenoszenia modulacji MTF Funkcja MTF służy do opisu rozdzielczości przestrzennej systemu lub któregoś z jego komponentów. Przedstawia ona zmianę współczynnika modulacji (który opisuje kontrast) w dziedzinie częstotliwości przestrzennych. Częstotliwość przestrzenna szczegółów obrazu jest odpowiednikiem częstotliwości (w dziedzinie czasowej) dźwięku. Wysoki ton (dźwięk o 20

21 dużej częstotliwości, powodujący szybkie drgania membrany głośnika) można porównać do układu prążków o dużej częstotliwości przestrzennej. MTF wyostrzanie, artefakty 1 dobra ostrość i kontrast aliasing 0,5 MTF50 0,1 MTF10 granica rozdzielczości częstotliwość Nyquista częstotliwść przestrzenna Rys. 9.16a. Przykładowa krzywa MTF Standardową jednostką służącą do opisu rozdzielczości w systemach telewizyjnych jest [LW/PH], czyli liczba linii na wysokość obrazu (ang. line widths per picture height). Dla wygody przyjęło się nazywać tą jednostkę liczbą linii telewizyjnych (np. 200 linii TV). Współczynnik modulacji jest to wartość funkcji MTF dla danej częstotliwości przestrzennej i wyraża kontrast. Może być bezwymiarowy (np. 0,5) lub wyrażony w procentach (np. 50%). Na rysunku 9.16b przedstawiono sinusoidę o rosnącej częstotliwości przestrzennej. Górna połówka posiada stały kontrast (to przypadek wyidealizowany). Dolna połówka ilustruje efekt przejścia sygnału przez system optyczny (opisany pewną funkcją MTF). Jak widać kontrast dolnej sinusoidy maleje ze wzrostem częstotliwości przestrzennej. Rys. 9.16b. Przykład wpływu systemu optycznego na kontrast Interpretacja wykresów MTF Poniższe zestawienie zawiera wielkości które można odczytać z wykresu MTF i służące do oceny jakości systemu optycznego pod kątem rozdzielczości: MTF10 - Kryterium Rayleigh'a - jest to częstotliwość przestrzenna dla której kontrast obrazu spada do poziomu 10% swojej początkowej wartości. W przypadku większości obiektywów ten spadek kontrastu wynika z względnie słabej jakości szkła i występujących w nim aberracji. W przypadku obiektywów ograniczonych dyfrakcją odpowiada wynika on z kryterium Rayleigh a. 21

22 MTF50 jest to częstotliwość przestrzenna dla której kontrast obrazu spada o połowę. Wielkość tą uznaje się za wyznacznik ostrości obrazu. Niekiedy zamiast MTF50 używa się wielkości MTF50P (p-peak) w przypadku kamer i aparatów w których zastosowano agresywny algorytm cyfrowego wyostrzania obrazu. Krzywe MTF takich urządzeń posiadają charakterystyczne maksimum widoczne na rysunku Częstotliwość Nyquist'a Według twierdzenia o próbkowaniu Nyquist'a sygnał ciągły może być wiernie odtworzony z sygnału dyskretnego wtedy, gdy był próbkowany z częstotliwością co najmniej dwa razy większą od granicznej częstotliwości swojego widma. Jak już wspomniano, kamera cyfrowa dokonuje próbkowania rejestrowanej sceny. Częstotliwość graniczną próbkowania nazywa się częstotliwością Nyquist'a i oznacza f n. Jest to największa częstotliwość przestrzenna szczegółów, które matryca kamery zdolna jest zarejestrować. 1 f n rozmiar piksela 0,5 cyklu / 2 piksel (9.20) Sensor cyfrowy potrzebuje minimum 2 pikseli do zarejstrowania jednej pary linii (jednego cyklu). Odpowiada to maksymalnej częstotliwości równej ½ cyklu/piksel. Wartość ta stanowi teoretyczny limit rozdzielczości sensora. Rys Próbkowanie Ponieważ maksymalna częstotliwość przestrzenna dla sensora wynosi 0,5 cyklu/piksel, to rozdzielczość kamery może być opisana ilością pikseli sensora tylko w przypadku, gdy wartość MTF10 występuje przy częstotliwości wyższej niż f n. Aliasing Jeśli sygnał próbkowany zawiera składowe o częstotliwości większej od f n, to każda z nich wystąpi w zrekonstruowanym sygnale jako tzw. 'alias' o częstotliwości niższej niż f n. Przykładowo, jeśli sygnał audio próbkowany jest z częstotliwością 8000 próbek na sekundę, poprawne odwzorowane będą wszystkie jego składowe o f<4000 Hz. Jeśli próbkowany sygnał zawiera składową o częstotliwości 4900 Hz, będzie ona obecna w zrekonstruowanym sygnale jako niechciany alias o f=3100hz. Analogicznie - w rejestrowanym obrazie szczegóły (informacje) o częstotliwościach większych niż f n są aliasowane do niższych częstotliwości przyczyniając się do powstawania moiry (Rysunek 9.18). Aby zapobiec powstawaniu takich zniekształceń obrazu należy odfiltrować niechciane częstotliwości za pomocą filtru antyaliasingowego zanim trafią na sensor. Filtr jest elementem którego MTF spada 22

23 gwałtownie w pobliżu częstotliwości Nyquist'a. Zwykle znajduje się on za obiektywem, tuż przed sensorem kamery. a) b) Rys a) poprawne próbkowanie, b) aliasing przestrzenny w postaci mory Aliasing jest jednym z głównych czynników ograniczających rozdzielczość kamer cyfrowych, ponieważ uzyskanie filtrów antyaliasingowych o stromej charakterystyce (dużej dobroci Q) w systemach optycznych jest bardzo trudne. 23

24 11.5 Stanowisko pomiarowe i metodyka pomiarów Pomiar parametrów cyfrowego aparatu fotograficznego możliwy jest na stanowisku pokazanym na rysunku Na ławie optycznej umieszczono w odpowiednich uchwytach aparat cyfrowy, test rozdzielczości (rys ) z możliwością zmiany położenia względem aparatu oraz lampę oświetlającą test. Test oświetlony jest od tyłu przez mleczną płytę pleksi, co zapobiega powstawaniu cieni. Badając rozdzielczość w funkcji różnych parametrów wybraną planszę odsuwamy zawsze na taka odległość, aby wypełniała cały kadr obrazu. Rys Stanowisko pomiarowe do testowania kamer cyfrowych Rys Test rozdzielczości kamer cyfrowych 24

25 Program ćwiczenia 11 Porównanie rozdzielczości zdjęć wykonanych aparatami C200, M525, PS945 i Sony H9: - zamocować aparat do statywu fotograficznego, - ustawić statyw jak najbliżej stołu naprzeciwko ławy optycznej (aparat powinien znajdować się na wysokości plansz testowych, - umieścić test 4 w widełkach, w razie potrzeby przykręcić test odpowiednimi śrubami, załączyć lampę oświetlającą test od tyłu, - włączyć aparat i usytuować test w takiej odległości, aby wypełniał cały kadr w pionie, - wykonać zdjęcie testu aparatem M525 przy najlepszej jakości obrazu i bez lampy błyskowej, z autofokusem (AF), w trybie macro, - zgrać zdjęcia na komputer i odczytać rozdzielczość. Uwaga! Podobnie jak w pozostałych ćwiczeniach, wyznaczenia rozdzielczości obrazów dokonuje się za pomocą plansz testowych. Plansze podobne do stosowanych w telewizji, pozwalają na określenie rozdzielczości pionowej L V i poziomej L H, w liniach (telewizyjnych) na kadr, umownie o szerokości równej wysokości (kwadratowy). W związku z tym wysokość obrazu planszy w wizjerze powinna dokładnie odpowiadać rozmiarowi pionowemu ekranu LCD. Dopasowanie uzyskuje się przed dobór właściwej odległości planszy od obiektywu. W przypadku gdy trzeba określić liczbę linii rozdzielanych w poziomie dla pełnej szerokości kadru, L HF., rozdzielczość poziomą L H należy pomnożyć przez współczynnik kształtu ekranu F = H/V, gdzie H i V są odpowiednio szerokością i wysokością ekranu. Dzięki takiej formule określania rozdzielczości, można stosować te same plansze testowe dla przetworników o różnych formatach. Wyznaczenie zależności rozdzielczości aparatu M525 w funkcji odległości od testu pomiarowego, przy trybie macro i auto: - zamocować aparat M525 do statywu fotograficznego, - ustawienia aparatu: jakość 6MP (normal), bez lampy błyskowej, AF, tryb macro lub auto, inne domyślne. - wykonać zdjęcia kolejno testów 2, 3, 4 i 5 pamiętając, żeby test wypełniał cały kadr w pionie, a lampa oświetlała test od tyłu (test 5 na przedpokoju sfotografować ze statywu, fotografowanie testu nr 5 należy wykonać na koniec ćwiczenia, wcześniej wykonując wszystkie ćwiczenia przy stole pomiarowym). Pomiar wpływu jakości obrazu na rozdzielczość zdjęć (aparat M525): - zamocować aparat M525 do statywu fotograficznego, - umieścić test 4 w widełkach i załączyć lampę oświetlającą test od tyłu, - wykonać zdjęcia kolejno dla pięciu ustawień rozdzielczości: 6MP Best, 6MP (normal), 4MP, 2MP i VGA, - ustawienia: bez lampy błyskowej, AF, tryb macro, inne domyślne. Pomiar wpływu zoomu na rozdzielczość zdjęć (aparat M525): - zamocować aparat M525 do statywu fotograficznego, - wykonać zdjęcia dla czterech ustawień zoomu optycznego (test 4) i pięciu ustawień zoomu cyfrowego (test 5) - ustawienia: bez lampy błyskowej, AF, tryb macro do 40cm, powyżej tryb auto, inne domyślne. 25