11. Cyfrowa kamera fotograficzna oraz cyfrowe (komputerowe) przetwarzanie obrazu

Transkrypt

1 11. Cyfrowa kamera fotograficzna oraz cyfrowe (komputerowe) przetwarzanie obrazu 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 bezpośrednie złącze SCSI (w aparatach pamięć półprzewodnikowa dysk miniaturowy Zapis do pamięci (w aparatach na PC-Card przenośnych) Rys Schemat blokowy cyfrowego aparatu fotograficznego 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. 1

2 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. 2

3 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 α wynika ze wzorów soczewkowych: a b = f 2, M = -b/f, M α = 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 3

4 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 oraz z cyfrowym zapisem i komputerową obróbką obrazu 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 4

5 sterujący, mechanizm wykonawczy nastawia odpowiednio obiektyw. Natomiast w aparatach 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 5

6 progresywna. Im większy stopień kompresji tym plik jest mniejszy, czyli możemy zapisać 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 Komputerowa obróbka zdjęć Do komputerowej obróbki zdjęć wybrano dwa programy: HP Photo Printing - stanowiący element pakietu dostarczonego z aparatem cyfrowym HP Photo Smart C200 (i fakultatywnie Corel Photo Paint - będący reprezentantem kombajnów o bardzo dużych możliwościach edycyjnych). Zwrócono szczególną uwagę na podstawowe elementy korekcji obrazu: - kadrowanie, - identyfikację i usunięcie przebarwienia, regulację chrominancji, - zmiana luminancji (jasności), - wyostrzanie zdjęcia, - zapis zdjęć po obróbce, - umieszczanie zdjęć na stronie internetowej Przedstawione tutaj sposoby obróbki zdjęć często wprowadzają nieodwracalne zmiany dlatego też przed przystąpieniem do edycji należy zapisać zdjęcie w nowym pliku. Daje to kopię oryginalnego zdjęcia i ewentualną możliwość powrotu do stanu przed edycją. Kadrowanie obrazu Często obszar kadru na wizjerze podglądu LCD aparatu cyfrowego jest mniejszy od rzeczywiście rejestrowanego. W związku z tym w kadrze mogą pojawiać się niepożądane elementy, których podczas fotografowania nie można było zobaczyć, i trzeba je usunąć za pomocą kadrowania obrazu. Kadrowanie stosuje się głównie, gdy ważny obiekt zdjęcia zajmuje niewielki jego obszar np. dolny róg obrazu, resztę zaś wypełnia niebo, drzewa lub inne tło. Kadrowanie nie sprawia problemów dla zdjęć wykonanych w wysokiej rozdzielczości np. 1600x1200. Wówczas należy wyciąć interesujący fragment usuwając niepotrzebną część. W programie HP Photo Printing, po wybraniu interesującego zaznaczenia, przez ograniczenie dostępnymi narożnikami, należy zaakceptować zmianę (Accept) a następnie zapisać w nowym pliku (Save Image As). 6

7 Identyfikacja i usunięcie przebarwienia - dopasowanie chrominancji obrazu Zdjęcia wykonane aparatem cyfrowym często zawierają wszelkiego rodzaju przebarwienia tłumiące rzeczywiste kolory. Przebarwienia te można zidentyfikować i usunąć w programach graficznych wykorzystując w tym celu kroplomierz. Identyfikacja przebarwienia polega na wybraniu do analizy kilku punktów odpowiedzialnych za odcienie jasne, neutralne i ciemne: elementy jasne (światła) zdecydowanie najjaśniejsze i białe obszary zdjęcia zachowujące szczegóły. Z dwoma wyjątkami. Nie mogą być nimi źródła światła, ani odbłyski. Światła to obszary, o których z dużą pewnością wiadomo, iż są białe. elementy neutralne (półcienie), czyli kolory czarny, biały i wszystkie odcienie szarości. Kolory neutralne występują bardzo często. Obiektami w kolorach neutralnych są często chodniki, ulice, elementy stalowe. elementy czarne (cienie) czyli najciemniejsze i w znacznym stopniu neutralne obszary zdjęcia, które zawierają szczegóły i które jest w stanie wydrukować drukarka. Punktem ciemnym może być np. element budynku znajdujący się w cieniu. Dokonując korekty zdjęć, na których są osoby, można wybrać punkty odpowiedzialne za odcienie skóry. Przy korekcji odcieni skóry należy wziąć pod uwagę cerę fotografowanej osoby i stosować pod tym kątem edycję. Należy pamiętać, aby w przypadku dość dużego zbliżenia twarzy, rąk, czy innych odsłoniętych części ciała, obszar skóry nie był nadmiernie prześwietlony, ani zacieniony i nie posiadał nienaturalnych kolorów (np. na skutek makijażu). Przebarwienie zdjęcia można usunąć stosując regulację kolorów za pomocą koła barwnego, lub, np. w programie Corel Photo Paint: edycję balansu kolorów i funkcję selektywnej zmiany kolorów. Regulacja kolorów za pomocą koła barwnego Dopasowanie chrominancji i usunięcie przebarwienia zdjęcia może zostać przeprowadzone przez edycję koła barwnego. Funkcja ta jest dostępna np. w programie HP Photo Printing (rys ) A B wskaźnik udziału odcieni barw wskaźnik udziału koloru w zdjęciu Rys Okno edycji koła barwnego w programie HP Photo Printing, A - przed zmianą, B po zmianie Edycja kolorów w programie HP Photo Printing odbywa się globalnie dla wszystkich punktów obrazu. Regulacja ta polega na zmianie składowych barw przez przesunięcie wskaźnika udziału odcieni barw na kole w kierunku czerwonego, zielonego lub niebieskiego koloru. Pozwala to na globalną zmianę udziału danego koloru w zdjęciu. 7

8 Funkcja edycji koła barwnego pozwala również na płynną regulację koloru w obrazku. Regulacja ta odbywa się poprzez zmianę położenia wskaźnika udziału koloru. Efektem może być np. uzyskanie zdjęcia czarno-białego (skrajne lewe położenie wskaźnika) (rys B) Zmiana luminancji (jasności) zdjęcia Jednym z parametrów zdjęcia jest jego jasność. Często w zdjęciach ważne jest uwidocznienie ciemnych niewidocznych szczegółów lub też osłabienie niekorzystnego wpływu światła. W tym celu wykorzystuje się funkcje pozwalające na regulację jasności zdjęć. Zmianę jasności zdjęcia można uzyskać w programie HP Photo Printing wykorzystując funkcję Exposure (naświetlenie) dostępną w menu programu (rys.11.4.) Regulacja luminancji odbywa się tutaj selektywnie poprzez zmianę suwaków oświetlenia dla punktów zawierających informacje odpowiadające: światłom, półcieniom oraz cieniom. suwak regulacji półcieni (midtones) suwak regulacji świateł (highlights) suwak regulacji cieni (shadows) Wyostrzanie zdjęcia. Rys Okno edycji oświetlenia w programie HP Photo Printing. O jakości zdjęcia, oprócz prawidłowej struktury luminancji i barwy, decyduje również poprawne odwzorowanie szczegółów. Nieostrości mogą powstać przy fotografowaniu aparatem cyfrowym, posiadającym zbyt małą matrycę światłoczułą, lub przy fotografowaniu w niekorzystnych warunkach (np. we mgle, w deszczu, wieczorem). Poprawę ostrości obrazu, można uzyskać przez zwiększenie kontrastu na krawędziach obiektów zdjęcia. W programie HP Photo Printing wyostrzanie zdjęcia można przeprowadzić wykorzystując dostępną w menu funkcję Sharpnes, umożliwiającą zwiększenie ostrości rozmytych elementów obrazka i zwiększającą kontrast między sąsiadującymi pikselami. Regulację efektu można dokonać wykorzystując dostępny suwak (rys.11.5.) Przesunięcie suwaka w lewą stronę powoduje wprowadzenie rozmycia i może być wykorzystane np. do tworzenia zdjęć portretowych. Rys Okno dialogowe funkcji wyostrzania w programie HP Photo Printing 8

9 Zapis zdjęć po obróbce Jednym z bardzo ważnych elementów obróbki obrazów jest zapisywanie zdjęć po retuszu. Proces ten może mieć szczególny wpływ na jakość zdjęć, dlatego też należy zwracać uwagę na to, jak zapisywane jest zdjęcie. W profesjonalnych programach graficznych typu Corel Photo Paint, Photo Shop, Paint Shop Pro można decydować zarówno o formacie pliku, w jakim będzie zapisane zdjęcie (BMP, JPEG, TIFF), a także o opcjach formatu zapisu i rozmiarze zapisywanego pliku. Parametry zapisu należy dobierać mając na uwadze, gdzie dalej będzie wykorzystane zdjęcie. Jeśli zdjęcie będzie wykorzystane do publikacji na stronie www to należy je zapisać w takim formacie aby umożliwić szybkie załadowanie, obejrzenie a także ściągnięcie ze strony. Skalując grafikę bitmapową należy liczyć się z pewną utratą jakości. Przy powiększeniu program będzie musiał dorobić brakujące obszary między pikselami, przy pomniejszeniu zaś tracona jest część informacji o tonach i kolorystyce. "Nadprogramowe" piksele będą natomiast usuwane. Zmiana formatu pliku i stopnia kompresji zapisu może zostać zrealizowana w progrmie HP Photo Printing. Program ten umożliwia zapis obrazów w czterech formatach (TIFF, JPEG, BMP, FPX), a także w czterech stopniach jakości (low, medium, high, maximum) (rys ) Rys Okno dialogowe zapisu zdjęcia w programie HP Photo Printing Publikacja zdjęć na stronie internetowej Internet bez wątpienia stał się najpopularniejszym medium, umożliwiającym prezentację zdjęć. Aby kolekcja zdjęć spotkała się z zainteresowaniem internautów, nie wystarczy tylko retusz zdjęć. Istotne znaczenie na uatrakcyjnienie umieszczonego w sieci zbioru ma rozmiar liczony w kilobajtach, gdyż im większy rozmiar, tym dłużej ładują się strony. Dlatego też należy przed publikacją zdjęć w internecie zapisać je używając odpowiedniej kompresji. Najczęściej wykorzystywaną w tym celu kompresją zapisu obrazu jest doskonale nadająca się do grafiki 24 bitowej, kompresja JPEG. Większość programów graficznych posiada funkcje zapisu umożliwiające wykorzystanie kompresji JPEG, a także określenie jej stopnia. Profesjonalne programy graficzne posiadają gotowe funkcje, które pozwalają od razu na umieszczenie skompresowanych obrazów na stronie www. Przykładem takiego programu jest Corel Photo Paint. Wbudowana funkcja Publikuj dla Internetu pozwala na dostosowanie rodzaju i stopnia kompresji obrazu, a także na automatyczne umieszczenie obrazu na stronie www. 9

10 OPTYKA GEOMETRYCZNA wprowadzenie Niemal każdy system optoelektroniczny zawiera oprócz źródła światła i detektora - co najmniej jeden element optyczny, najczęściej soczewkę gdy system służy do analizy obrazu. Soczewki elementy opt. umożliwiające uzyskanie odwzorowania optycznego tj. obrazu. Działają na zasadzie załamania (refrakcji) na granicy dwóch ośrodków, zgodnie z prawem Snella: n 1 sin θ 1 = n 2 sin θ 2 Najprostszą soczewkę stanowi powierzchnia sferyczna stanowiąca granicę dwóch ośr.: powietrza, o wsp. załamania n 1 i szkła o wsp. załamania n 2. Jest to tzw. soczewka immersyjna (zanurzona), gdzie przedmiot i obraz są zanurzone w różnych ośrodkach. Położenie obrazu i jego powiększenie wynika z zależności: n 1 /x 1 + n 2 /x 2 = (n 2 - n 1 )R oraz M = h 2 /h 1 = n 1 x 2 / n 2 x 1. ciecz immersyjna - n 2. << Soczewka immersyjna Soczewki mają zazwyczaj dwie powierzchnie sferyczne (lub sferyczną i płaską): Działanie soczewek względem strumienia świetlnego może być: a)rozpraszające, b)skupiające, c)kolimujące światło 10

11 Własności odwzorowujące soczewek tradycyjnie definiuje położenie tzw. elementów głównych (kardynalnych), tj. ognisk, płaszczyzn głównych i węzłów soczewki. Gdy są znane, można wyznaczyć położenie obrazu i jego powiększenie, przy dowolnym położeniu obiektu. Konstrukcji geometrycznej obrazu dokonuje się za pomocą tzw. promieni głównych (co najmniej dwóch) o następujących właściwościach: - promień główny przechodzący przez ognisko F po jednej stronie soczewki, po drugiej stronie biegnie równolegle do osi soczewki, - promienie główne załamują się na tzw. płaszczyznach głównych H skojarzonych z odpowiednimi ogniskami F (tj. H0 z F0 i H1 z F1 ),- promienie główne przechodzące przez << promienie i punkty główne w soczewce (grubej) węzły optyczne 0, nie zmieniają kąta nachylenia względem osi optycznej, po przejściu na drugą stronę. Położenie obrazu można wyznaczyć z wzorów soczewkowych, tj.: -wzoru Newtona - x0 x1 = f0, f1, gdzie x0 x1 odległości przedmiotu i obrazu odpowiednio od ogniska przedmiotowego i obrazowego, zaś f0, f1 - odległości ognisk od odpowiednich płaszczyzn głównych, tzw. odległości ogniskowe (w skróceniu ogniskowe). - równania soczewki - f0 /(l0 p0) + f1 /(l1 p1) = 1 gdzie p0, p1 i l0, l1 są odpowiednio odległościami płaszczyzn głównych oraz przedmiotu i obrazu od pł. środkowej soczewki. Gdy p0 p1 0 soczewkę nazywa się s. grubą, jeśli zaś są pomijalnie małe względem odległości ogniskowych soczewka nazywana jest s. cienką i obie pł. główne w przybliżeniu pokrywają się. - powiększenie liniowe obrazu: M = h1/h2 = - x1/f1 = - f0/x0 - powiększenie kątowe obrazu: Mα = α1/α0 = - 1/M = f1/x1 = x0/f0 11

12 << Promienie główne w soczewce cienkiej Odwzorowanie optyczne (wierne) - promienie świetlne emitowane z każdego punktu przedmiotu trafiają do odpowiadającego mu punktu obrazu, -odległości między rozpatrywanymi punktami obrazu h1 są proporcjonalne do odl. między odpowiadającymi im punktami przedmiotu h0, a współczynnikiem proporcjonalności jest powiększenie liniowe obrazu M. Wierne odwzorowanie opt. jest możliwe gdy realizujące je promienie są prawie osiowe (paraksjalne), tzn. odległości i nachylenia względem osi są bliskie zera. Soczewki muszą mieć niezakłóconą symetrię obrotową. Jeśli ten warunek (w. optyki gaussowskiej) nie jest spełniony, powstają błędy odwzorowania (aberracje) geometryczne i fizyczne, m.in.: - aberracja chromatyczna, - błąd dyfrakcji, - aberracja sferyczna, - astygmatyzm, - zakrzywienie pola obrazu, - dystorsja (przerysowanie). Aberracje fizyczne wynikają z fizycznych własności światła, w tym własności wynikających z charakteru falowego. Zaliczają się tu, m.in.: - aberracja chromatyczna zależność wsp. załamania i odl. ogniskowej od długości fali świetlnej, Aberracja chromatyczna soczewki << Zależność wsp. załamania szkła kwarcowego od dł. fali świetlnej 12

13 -błąd dyfrakcji - wynika z falowej natury światła i jako błąd nie kompensowalny stanowi podstawowe ograniczenie rozdzielczości przyrządów optycznych. Schemat powstawania błędu dyfrakcji w skutek ugięcia na kołowej przesłonie >> - astygmatyzm powstaje gdy soczewka ma zakłóconą symetrię obrotową lub przebieg promieni jest ukośny. Rezultat:- różne odległości ogniskowe w dwóch płaszczyznach symetrii. Miarą błędu jest tzw. różnica astygmatyczna fas. W połowie odległości między ogniskami liniowymi zamiast punktu, powstaje krążek rozproszenia (błąd minimalny), którego promień wynosi: δas = α fas/2,. << Schemat wiązki astygmatycznej gdzie α jest kątem połówkowym zbieżności strumienia św. 13

14 - aberracja sferyczna charakterystyczna dla zwierciadeł i soczewek o powierzchniach sferycznych. Możliwa jest częściowa kompensacja dla kombinacji soczewek, albo przy wykonaniu powierzchni hiperbolicznych (kolimacja) lub eliptycznych (odwzorowanie punktowe). Objawy silniejsze skupianie promieni odległych od osi niż blisko osiowych. W ognisku paraksjalnym promień krążka rozproszenia wynosi: δsf = Csf α3 gdzie Csf jest współczynnikiem aberracji sferycznej <<Schemat powstawania aberracji sferycznej -zakrzywienie pola obrazu i dystorsja stają się zauważalne gdy kąt widzenia układu optycznego jest duży (np. obiektywy szerokokątne). Po stronie obrazowej odległość l1 od środka socz. jest stała i stanowi promień krzywizny obrazu. Dla soczewek rozpraszających kierunek krzywizny jest odwrotny niż skupiających. Dystorsję powoduje zakrzywienie pł.głównych zmieniające odległość lo przedmiotu dla promieni odległych od osi, a więc i powiększenie M. Zakrzywienie pola obrazu >> << Dystorsja: a) poduszkowata, b) beczkowata 14

15 - Obiektywy kamer to z reguły zestawy soczewek o różnych kształtach i wsp. załamania szkła, w celu eliminacji błędów odwzorowania. Ich parametry finalne podawane są tak jak dla soczewki grubej i dotyczą ich te same wzory soczewkowe. Najważniejsze zasady konstrukcji zostały opracowane już w XIX w. << Obiektywy: a) Wollastona 1812r., b) achromatyczny Chevaliera, 1821r., c) aplanatyczny Wollastona 1860r., d) anastygmat Petzvala-Taylora 1893r. (zaznaczono przesłony aperturowe ograniczające błędy). Współczesny obiektyw Biotar f = 50 mm, f/d=2, firmy Zeiss. << Zasada działania teleobiektywu: wydłużenie ogniskowej przez wprowadzenie socz, rozpraszającej, przesuwającej płaszczyznę główną (by zmniejszyć jego gabaryty). Przetwornik (lub klisza) w ognisku F2. 15

16 9.2. Elementy i układy składające się na cyfrową kamerę wideo (materiał z ćw. 9) 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 16

17 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. 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 ( )

18 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 = gdzie: f odległość ogniskowa, D średnica przysłony f D 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 : 1, 1.4, 2, 2.8, 4, 5.6, 8, 11, 16, 22, 32, itd. Wartości są zaokrąglone w celu uproszczenia zapisu. (9.3) 1,4 2 2,8 4 5,6 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). 18

19 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 19

20 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 DFO 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. 20

21 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. 21

22 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. 22

23 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 Zespół fotodiod A i B. 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. 9.11). 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. Przy źle ustawionej ostrości płaszczyzna zogniskowania obrazu wypada przed lub za czujnikiem CCD. Powstają wówczas sygnały błędu. 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 23

24 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 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. 24

25 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 Rys Automatyczny układ równowagi bieli ACT. fotodiody 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. 25