Зрительная система человека

Зрительная система человека
палочек (100 - 125 млн) (~10 000 x 10 000)
 колбочек (4 - 6.5 млн)
(~ 2 500 x 2 500) (~1 на квадрат 4x4 палочек)
 зрительный нерв (800 000)
(~900 x 900 точек)
Глаз человека различает около 10 миллионов цветовых оттенков

Радужная оболочка, в центре которой
находится круглое отверстие - зрачок играет
роль диафрагмы, её диаметр определяется
освещенностью объекта и расстоянием до
него.
Диаметр зрачка меняется от ~ 2 мм (при
ярком свете) до ~ 8 мм (при малой
освещенности).
Прозрачный хрусталик выполняет роль объектива с переменным фокусным
расстоянием, изменяющимся под воздействием кольцевой мышцы. Это явление
носит название аккомодации.
На сетчатке образуется перевёрнутое изображение объектов
Если света чрезмерно много, то возможно повреждение сетчатки. Нельзя,
например, смотреть на солнце, свет ультрафиолетовой лампы или газовую
сварку. Особенно опасны ультрафиолетовые и в значительной мере синие лучи
солнечного света. Радужная оболочка изменяет количество света, проходящего в
глаз. Окраска радужной оболочки аналогична цветным светофильтрам в очках.
Резкость
наводится
перемещением линзы объектива
или
передвижением
самого
объектива.
<= Устройство фотоаппарата
Устройство, встроенное в объектив, которое позволяет изменять световое отверстие
объектива, называется диафрагмой. Чаще всего применяется ирисовая диафрагма

Современные фотоаппараты снабжаются объективами с относительными
отверстиями 1 : 1,5; 1:2; 1 : 2,8; 1 : 3,5; 1 : 4; 1 : 4,5; 1 : 6,3. Относительное
отверстие обозначается отношением единицы к числу, показывающему, во
сколько раз диаметр полного отверстия данного объектива меньше его
фокусного расстояния.

Числа на шкале диафрагм являются знаменателями фактических (действующих)
относительных отверстий объектива. Числитель, всегда равный единице, для
удобства опускается.

Отверстие объектива имеет форму круга. Как известно из геометрии, площади
кругов относятся, как квадраты их диаметров.

С уменьшением диаметра круга в два раза площадь круга уменьшается в четыре
раза. Диаметры кругов А, Б, В относятся как 1 : 1/2 : 1/4, а площади их - как 1 :
1/4 : 1/16

Современные фотоаппараты снабжаются объективами с относительными
отверстиями 1 : 1,5; 1:2; 1 : 2,8; 1 : 3,5; 1 : 4; 1 : 4,5; 1 : 6,3. Относительное
отверстие обозначается отношением единицы к числу, показывающему, во
сколько раз диаметр полного отверстия данного объектива меньше его
фокусного расстояния.

Числа на шкале диафрагм являются знаменателями фактических (действующих)
относительных отверстий объектива. Числитель, всегда равный единице, для
удобства опускается.
Относительное отверстие объектива телескопической системы
(D – диаметр объектива, f -фокусное расстояние)

Чем ниже значение числовой апертуры диафрагмы, тем больше света,
пропускает объектив, и наоборот, чем больше значение диафрагмы, тем
меньше света проходит через него. Эту зависимость наглядно иллюстрирует
следующая схема:
1.4,
2.0,
2.8,
<=== Больше света

4.0,
5.6,
8,
~
11,
16,
22
Меньше света ==>
Общая зависимость такова: при увеличении диафрагмы на одно деление,
количество света, проходящего через объектив, увеличивается, в два раза, а при
уменьшении - в два раза уменьшается
Диафрагма
1.4
2.0
2.8
4.0
5.6
8
11 16
22
Относительная величина
выдержки
1
2
4
8
16
32
64 128
256
Цвет
Свет имеет волновую природу. Свет - это видимая часть спектра
электромагнитных волн. Каждая волна характеризуется своей длиной.
Область электромагнитного спектра, которую может воспринимать
человеческий глаз, находится в промежутке приблизительно от 350 до 780
нанометров
Видимый свет, есть форма электромагнитных колебаний, лежащих в узкой
области спектра от 350 до 780 нм

Внутри человеческого глаза находятся сенсоры, чувствительные к разным
волнам видимого спектра. Когда электромагнитные волны попадают на эти
сенсоры, в них формируется сигнал, который затем поступает в мозг. И мозг
уже принимает решение о том, свет какого цвета видит человек
380 – 470 нм – фиолетовый, синий
500 – 560 нм – зеленый
560 – 590 нм – желтый, оранжевый
590 – 760 нм – красный

Сетчатка состоит из светочувствительных элементов двух типов: палочек и
колбочек. Цвет воспринимается колбочками. При низкой освещённости,
колбочки теряют чувствительность и работают только палочки, и предметы
кажутся черно-белыми. (В темноте все кошки серые)

Эти элементы сложным образом соединяются между собой, образуя
многослойную нервную сеть. Максимальную плотность эти элементы имеют в
зоне центрального жёлтого пятна, расположенного в центре сетчатки, на её
оптической оси

Квант света поглощается светочувствительной молекулой (пигмент - родомин
или родопсин). Таких молекул в одной зрительной клетке 109 (миллиард).
Молекула работает как фотоумножитель.

Квант света запускает каскад ферментативных реакций. Они приводят к
быстрому, эффективному размножению и усилению почти в миллион раз
первичного светового сигнала. Эта фотохимическая реакция происходит за
фантастически короткое время - менее чем за 200 фемтосекунд (одна
фемтосекунда равняется 10-15 секунды)

Три пигмента имеют максимальные поглощения приблизительно на
430, 530 и 560 нм. Этим длинам волн соответствует не синий, зеленый и
красный цвета, а фиолетовый, сине-зеленый и желто-зеленый
I
(интенсивность)
I (λ)
λ
R   I ( ) PR ( )d
G   I ( ) PG ( )d
B   I ( ) PB ( )d

В силу того, что коэффициент преломления в радужке и хрусталике растет с
увеличением частоты света, глаз не избавлен от хроматической аберрации. Т.е.
если изображение сфокусировано для одной из частот, то на других частотах
изображение расфокусированно

Хрусталик оптимально фокусирует на сетчатке свет с длиной волны около 555
нм. Так как пики чувствительности средне- длинноволновых колбочек (530 и 555
нм, соответственно) близки к друг к другу, поэтому изображения для этих
колбочек могут быть одновременно сфокусированными. Изображение же для
коротковолновых палочек будет размытым

Так степень фокусировки разная, то не требуется одинаковой разрешающей
способности глаза для разных типов колбочек. В глазу человека на одну
коротковолновую колбочку приходится 20 средне- и 40 длинноволновых

Существование трех видов колбочек дало толчок к появлению теории цветовых
моделей на основе смешения основных цветов
Цветовая модель RGB
RGB (Red, Green, Blue)


Используется в цветных мониторах, которые излучают свет
При сложении (смешении) лучей основных цветов результат светлее
составляющих. Цвета этого типа называются аддитивными
Red
(красный)
Cyan (голубой) - зеленый и синий
Green (зеленый )
Magenta (пурпурный) - синий и красный
Blue
(синий )
Yellow (желтый) - красный и зеленый
Blue (0,0,1) Cyan (0,1,1)
Magenta (1,0,1)
Black (0,0,0)
White (1,1,1)
Green (0,1,0)
Red (1,0,0)
Yellow (1,1,0)
15
Цветовая модель CMYK
CMYK (Cyan, Magenta, Yellow, blacK)
•Используется при отражении объектов, которые отражают свет
•Смешение составляющих затемняет результирующий цвет (объект
поглощает больше цвета).
•Цвета этого типа называются субтрактивными (разностными)
Cyan – голубой, зеленый и синий
Magenta – пурпурный, синий и красный
Yellow – желтый, красный и зеленый
Magenta (1,0,1)
Blue (0,0,1)
Black (0,0,0)
Red (1,0,0)
White (1,1,1)
Yellow (1,1,0)
Cyan (0,1,1)
Green (0,1,0)
17
Аддитивная
(RGB слева)
Cубтрактивная
(CMYK справа)
цветовые системы
Чтобы переключиться из системы RGB в систему CMY, достаточно всего
лишь повернуть куб
Преобразование к модели RGB и
обратно осуществляется следующими
уравнениями:
[C] [1] [R]
[M] = [1] - [G]
[Y] [1] [B]
[R] [1] [C]
[G] = [1] - [M]
[B] [1] [Y]
Если R,G,B и C,M,Y меняются от 0 до 255 (8-бит на каждый цвет)
[C] [255] [R]
[M] = [255] - [G]
[R] [255] [C]
[G] = [255] - [M]
[Y]
[B]
[255] [B]
[255] [Y]

Главная трудность при переходе из системы RGB в CMYK заключается
в том, что на бумаге (в системе CMYK) не могут быть представлены
некоторые цвета, которые с легкостью можно представить на экране
(невозможно точно подобрать полиграфические красители). Поэтому
часто то, что на экране выглядит хорошо, на бумаге выглядит блекло и
некрасиво.

Это приводит к тому, что смешение трех основных красок, которое
должно дать черный цвет, дает неопределенный ("грязный") темный
цвет

Для компенсации этого недостатка в число основных полиграфических
красок была внесена черная краска. Именно она добавила последнюю
букву в название модели (К - blacK -последняя буква (В - занята под
обозначение Blue) или, (другая версия) главная - ключевая Key)
Из CMY в CMYK
[K] = min(C,M,Y)
[C] [C] [K]
[M] = [M] - [K]
[Y]
[Y] [K]
Цветовая модель YIQ

Y - яркость, I и Q - цветоразностные сигналы. Эта цветовая модель
используется в цветном телевизионном вещании

Для передачи и воспроизведения цветного изображения необходимо
передать 4 сигнала: 3 сигнала о каждом цвете, и сигнал опорного белого,
называемый сигналом яркости
Yw = rR + gG + bB
r,g,b
коэффициенты,
чувствительностью глаза
подобранные
в
соответствии
с

При наличии информации о яркости нет необходимости передавать
информацию о трех цветах. Достаточно передать информацию о двух из них, а
третью получить из выражения для Yw

Кроме того, поскольку информация несет в себе яркостные соотношения, можно
исключит при передаче их яркостные составляющие и передавать какие-либо
две из трех цветных разностных сигналов: R-Y, G-Y, B-Y

При этом, все помехи яркостного характера, к которым глаз особо чувствителен
будут сказываться только в канале Y. Эта схема совместима также с черно-белым
телевидением. Если воспроизводить только канал Y - будет черно-белое
изображение

В цветовой модели YIQ используется полезное свойство человеческого зрения,
которое более чувствительно к изменениям интенсивности, чем к переменам
цветового фона или насыщенности. Отсюда следует, что для представления
координаты Y следует выделить большее количество бит (или более широкую
полосу частот, чем для I и Q)

Из трех цветовых составляющих выбрано две, к которым глаз менее
чувствителен: R-Y и B-Y

Таким образом полную информацию о передаваемом цветном
изображении можно закодировать в трех составляющих: Y=W; R-Y; BY. Такой способ кодирования используется в SECAM

С целью использования свойств зрения, системы кодирования PAL и
NTSC строятся так, чтобы оси были сдвинуты на 33 градуса. Новые оси I
и Q выбираются так, чтобы вектор I, отображающий оранжевые и синезеленые тона опережал вектор R-Y, a Q вектор B-Y на 33 градуса
Преобразование
к модели
следующими уравнениями:
RGB
и
обратно
осуществляется
[Y] [0.299 0.587 0.114] [R]
[ I ] = [0.596 -0.274 -0.322] [G]
[Q] [0.211 -0.522 0.311] [B]
или, если использовать цветоразностные сигналы
Y = 0.299 R + 0.587 G + 0.114B
I = 0.493 (B - Y)
Q = 0.877 (R - Y)
Для обратного преобразования используется обратная матрица
[R] [1.0 0.956 0.623] [Y]
[G] = [1.0 -0.272 -0.648] [ I ]
[B] [1.0 -1.105 0.705] [Q]
Цветовая модель HSV
HSV - модель, ориентированная на человека и обеспечивающая
возможность явного задания требуемого оттенка цвета



Hue - цветовой тон
Saturation - насыщенность
Value - количество света или светлота.
По вертикальной оси конуса задается V светлота, меняющаяся от 0 до 1. Значению V =
0 соответствует вершина конуса, значению V =
1 - основание конуса; цвета при этом наиболее
интенсивны

Цветовой
тон
H
задается
углом,
отсчитываемым вокруг вертикальной оси. В
частности, 0° - красный, 60° - желтый, 120° зеленый, 180° - голубой, 240° - синий, 300° пурпурный,
т.е.
дополнительные
цвета
расположены друг против друга (отличаются на
180°)

Насыщенность S определяет насколько
близок цвет к "чистому" пигменту и меняется от
0 на вертикальной оси V до 1 на боковых гранях
шестигранного конуса

Цветовая модель HLS

Hue - цветовой тон. Цветовой тон позволяет различать цвета, такие как
красный, зеленый, желтый и т.д.

Lightness - светлота. Светлота отражает полутоновое представление от
интенсивности, как о факторе, не зависящем от цветового тона и
насыщенности.

Saturation - насыщенность. Насыщенность характеризует чистоту, т.е.
степень ослабления (разбавления) данного цвета белым, и позволяет
отличать розовый от красного, небесно-голубой от ярко-синего и т.п.
HLS
можно
представить
как
"вытягиванием"
точки
V=1,
S=0,
вверх для образования верхнего конуса
полученную
из
задающей
белый
HSV
цвет,
Цветовой круг

Основные цвета: красный, желтый и синий

Дополнительные цвета: зеленый, оранжевый и фиолетовый
Эти цвета получаются путем попарного смешения основных цветов.
Дополнительные цвета находятся напротив друг друга. (Линия их
соединяющая проходит через центр круга). Они взаимно связаны.
При их смешивании образуется черный (если это краски) или белый
(если это световые лучи) цвет. Сочетания этих цветов действует на
глаз раздражающе. Уменьшая количество одного цвета,
увеличивается содержание дополнительного. Например, увеличивая
зеленый, тем самым уменьшается содержание пурпурного

Производные цвета: желто-оранжевый, красно-оранжевый, краснофиолетовый, сине-фиолетовый, сине-зеленый и желто-зеленый. Эти
цвета образуются путем смешения основного и рядом стоящего
дополнительного цветов

Смежные цвета позволяют влиять друг на друга. Чтобы усилить
пурпурный, можно усилить красный и синий. Малоконтрастное
сочетание смежных цветов делает рисунок строгим. Такое сочетание
применимо в деловой графике

Триады- цвета равноотстоящие друг от друга на цифровом круге
(желтый, пурпурный, голубой или оранжевый, изумрудный,
бордовый). Их сочетание создает палитру насыщенных, гармоничных
цветов и оттенков)

Чтобы увеличить содержание определенного цвета, нужно
уменьшить содержание цветов, соседних с противоположным (и
наоборот). Например, чтобы ослабить пурпурный (Magenta) цвет,
достаточно усилить голубой (Cyan) и желтый (Yellow)
Цветовая модель L*A*B

Аппаратно-независимая модель для определения цветов без оглядки на
особенности устройства (монитора, принтера, печатающего устройства)

В LAB цвет отделен от яркости. Яркость объектов определяется в канале
светлоты (L), а цвет - двумя хроматическими каналами (А - от зеленого к
красному, B - от синего до желтого). Значения А и B могут быть
отрицательными

Photoshop и CorelDRAW поддерживают LAB

Возможность подбирать свет при помощи трех основных цветов весьма
привлекательна. Однако при переводе из одной системы в другую могут
возникать отрицательные веса, что неудобно при расчетах

В настоящее время для правильного определения соответствия цветов
производятся спектральные замеры каждого из устройств, участвующих в
процессе, при этом в одинаковых условиях освещенности

В 1931 г. Международной комиссией по освещению (МКО) (Commission
Internationale de l’Eclairage – CIE) были введены три основных цвета (X,Y,Z).
Комбинацией трех основных цветов c положительными весами можно описать
любые световые ощущения, которые испытывают наши глаза




Цветовое зрение человека обусловлено наличием трёх видов рецепторов на
сетчатке глаза, максимумы спектральной чувствительности которых
локализованы в области 420, 534 и 564 нм. Они являются базовыми, все
остальные тона воспринимаются как их смешение в определённой пропорции
Например, чтобы получить жёлтый цвет, совсем необязательно воспроизводить
его истинную длину волны 570—590 нм, достаточно создать такой спектр излучения, который возбуждает рецепторы глаза сходным образом. Это явление
называется метамерией.
Комитет CIE провёл множество экспериментов с огромным количеством людей,
предлагая им сравнивать различные цвета, а затем с помощью совокупных
данных этих экспериментов построил так называемые функции соответствия
цветов (color-matching functions) и универсальное цветовое пространство
(universal color space), в котором был представлен диапазон видимых цветов,
характерный для среднестатистического человека.

Функции соответствия цветов — это значения каждой первичной
составляющей света — красной, зелёной и синей, которые должны
присутствовать, чтобы человек со средним зрением мог воспринимать все цвета
видимого спектра.

Этим трём первичным составляющим были поставлены в соответствие
координаты X, Y и Z. Основное свойство, присущее этой системе —
положительная определённость — любой физически ощутимый цвет
представляется в системе XYZ только положительными величинами. С другой
стороны, не всем точкам в пространстве XYZ соответствуют реальные цвета в
силу неортогональности функций соответствия цветов. Говоря об «эталонных»
оттенках, часто говорят только о паре x, y, считая z = 1-x-y.

Говоря о «яркости» цвета (например, для перевода изображения в чёрно-белое),
часто имеют в виду величину Y.
Пусть (X,Y,Z) - веса основных цветов МКО. Пронормируем цвета по
значению яркости
x = X/(X+Y+Z), y = Y/(X+Y+Z), z = Z/(X+Y+Z),
и учтем, что x+y+z=1
Если отобразить x и y для всех видимых
цветов, получим цветовой график МКО.
Длины волн выражены в нанометрах.
Другое название
История цветовых моделей

Большинство моделей привязывало цветовую гамму к основным
геометрическим фигурам. Круги, которые позднее стали сферами, были
наиболее популярными. Также достаточно часто встречаются
треугольники, которые потом превратились в конусы и пирамиды.

Однако со временем для отображения видимых цветов в теории стали
все чаще использовать квадратные и кубические модели. Среди прочих
моделей, на которые стоит обратить внимание, - сферы Мюнселя
(Munsell Spheres) и диаграммы CIE, которые каждая по своему,
являются теми стандартами, по которым сейчас измеряются цвета.
Основные типы светочувствительной матрицы CCD
(ПЗС) и CMOS (КМОП)

Светочувствительные матрицы (сенсоры) бывают двух основных типов ― CCD
(ПЗС) и CMOS (КМОП).
CCD - Chardge Coupled Device

В настоящее время в качестве светочувствительного устройства в большинстве
систем ввода изображений используются ПЗС-матрицы (прибор с зарядовой
связью, по-английски - CCD - Chardge Coupled Device).
Принцип работы ПЗС-матрицы следующий:
на основе кремния создается матрица
светочувствительных
элементов
(секция
накопления).
При изготовлении матрицы ПЗС на
полупроводниковую кремниевую подложку,
покрытую слоем диэлектрика из оксида
кремния, наносится линейка (ряды) из
отдельных,
регулярно
расположенных
тончайших
и
поэтому
прозрачных
металлических электродов, очень маленького
размера ~5x5 мкм. Поэтому в большинстве
современных
ПЗС
над
пикселом
устанавливается микролинза
Металлические электроды вместе с оксидом кремния
и полупроводниковой подложкой из кремния
образуют элементарные светочувствительные ячейки
(фотодатчики).
Каждый светочувствительный элемент обладает
свойством накапливать заряды пропорционально
числу попавших на него фотонов.
Таким образом, за некоторое время (время
экспозиции) на секции накопления возникает
двумерная матрица зарядов, пропорциональных
яркости исходного изображения
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Фотоны света, прошедшие через объектив
фотоаппарата.
Микролинза субпикселя.
Красный
светофильтр
субпикселя,
фрагмент фильтра Байера.
Прозрачный электрод.
Изолятор кварцевый (оксид кремния).
Кремниевый канал n-типа.
Зона потенциальной ямы (карман n-типа).
Кремниевая подложка p-типа.
На рис. показана упрощенная структура сразу целого
фрагмента столбца матрицы. Пластина из так
называемого p-кремния (то есть кремния определенного
характера
проводимости)
покрывается
тонким
прозрачным слоем изолирующего окисла (двуокиси
кремния, SiO2). На месте будущих фотоячеек наносятся
прозрачные электроды (они же светофильтры). Свет
проникает внутрь кремния на небольшую глубину и
генерирует
пару
зарядов:
положительный
и
отрицательный. Под электродом, на который в данный
момент подано напряжение (на рис. 3 — второй слева),
заряды разделяются, и образуется некий «карман»,
количество зарядов в котором пропорционально
освещенности участка. После некоей выдержки
напряжение с данного электрода снимается и тут же
подается на следующий справа, потом на следующий —
при этом накопленный заряд сдвигается вслед за волной
подаваемого напряжения.
Накопленные заряды сдвигаются строка за строкой вниз,
пока не попадают в специальную область хранения (серые
квадратики). Пока на матрице происходит накопление
зарядов для очередной строки, из этой области хранения
заряды
предыдущей
строки
последовательно
«выталкиваются» наружу и попадают в выходной
усилитель.

CCD-матрицы много потребляют (до 2–5 Вт, что примерно в 100 раз больше,
чем CMOS), требуют нескольких разнополярных напряжений питания, дороже в
производстве, имеют меньшее быстродействие и капризнее в эксплуатации.

Зато у них намного меньше уровень шумов и с последними легче бороться.
Упоминавшийся коэффициент заполнения у CCD-матриц вполне может быть
доведен до величины, близкой к 100%.

Несмотря на видимое разнообразие телевизионных камер, ПЗС-матрицы,
используемые в них, практически одни и те же, поскольку их массовое и
крупносерийное производство осуществляется всего несколькими фирмами. Это
Sony, Panasonic, Samsung, Philips, Hitachi, Kodak
CMOS (КМОП; комплементарный металлооксидный
полупроводник; CMOS, Complementary-symmetry/metal-oxide
semiconductor)



В конце 1960-х гг. многие исследователи отмечали, что структуры КМОП
(CMOS) обладают чувствительностью к свету. Однако приборы с зарядовой
связью обеспечивали настолько более высокую светочувствительность и
качество изображения, что матрицы на КМОП технологии не получили
сколько-нибудь заметного развития.
В начале 1990-х характеристики КМОП-матриц, а также технология
производства были значительно улучшены. Переворот в технологии КМОПсенсоров произошел, когда в лаборатории реактивного движения (Jet Propulsion
Laboratory — JPL) NASA успешно реализовали Active Pixel Sensors (APS).
Теоретические исследования были выполнены еще несколько десятков лет тому
назад, но практическое использование активного сенсора отодвинулось до 1993
года. APS добавляет к каждому пикселу транзисторный усилитель для
считывания, что даёт возможность преобразовывать заряд в напряжение прямо в
пикселе. Это обеспечило также произвольный доступ к фотодетекторам
наподобие реализованного в микросхемах ОЗУ.
В результате к 2008 году КМОП стали альтернативой ПЗС.




Основное преимущество КМОП технологии — низкое энергопотребление в
статическом состоянии.
Важным преимуществом КМОП матрицы является единство технологии с остальными,
цифровыми элементами аппаратуры. Это приводит к возможности объединения на одном
кристалле аналоговой, цифровой и обрабатывающей части, что послужило основой для
миниатюризации камер для самого разного оборудования и снижения их стоимости ввиду
отказа от дополнительных процессорных микросхем.
С помощью механизма произвольного доступа можно выполнять считывание выбранных
групп пикселов. Данная операция получила название кадрированного считывания (англ.
windowing readout). Кадрирование позволяет уменьшить размер захваченного изображения
и потенциально увеличить скорость считывания по сравнению с ПЗС-сенсорами,
поскольку в последних для дальнейшей обработки необходимо выгрузить всю
информацию. Появляется возможность применять одну и ту же матрицу в принципиально
различных режимах. В частности, быстро считывая только малую часть пикселей, можно
обеспечить качественный режим живого просмотра изображения на встроенном в аппарат
экране с относительно малым числом пикселей. Можно отсканировать только часть кадра
и применить её для отображения на весь экран. Тем самым получить возможность
качественной ручной фокусировки. Есть возможность вести репортажную скоростную
съёмку с меньшим размером кадра и разрешением.
Дешевизна производства в сравнении с ПЗС-матрицами, особенно при больших
размерах матриц.

Сигнал снимается индивидуально с каждой ячейки. Это полезное свойство —
можно снимать картинку только в некоем окне (реализуя тем самым «цифровой
зум» без дополнительных усилий), и быстродействие много выше (его можно
довести до 500 кадров в секунду).

Это позволяет успешно использовать CMOS-матрицы в системах машинного
зрения и для анализа быстродвижущихся объектов. Наконец, у таких матриц, как
и у любых CMOS-элементов вообще, — очень низкое энергопотребление и
требуется только один низковольтный источник питания.
Основными параметрами матриц являются:



размерность в пикселах;
физический размер в дюймах (2/3, 1/2, 1/3 и т. д.), при этом сами цифры не
определяют точный размер чувствительной области, а, скорее, определяют
класс прибора;
чувствительность
Формирование цветного сигнала

Все элементы, или ячейки матрицы, одинаковы с точки зрения спектральной
чувствительности. Иначе говоря, они различают только уровень яркости
падающего на них света, но не цвет

Чем большее количество света попадает на светочувствительные элемент
матрицы, тем больший электрический заряд на нем формируется
Количество
различаемых
матрицей
уровней, или градаций, яркости, у простых
цифровых аппаратов составляет 256, и тогда
матрица называется 8-разрядной, или 8битовой.
В камерах продвинутого уровня матрицы
10- или 12-разрядные, то есть они различают
1024 и 4096 уровней яркости соответственно,
более дорогие аппараты могут иметь 14- и 16разрядную
Существуют следующие способы формирования цветного сигнала:

использование одноматричной камеры;
 с помощью светофильтров
 с помощью трехслойных светочувствительных датчиков
 с помощью механического перемещения ПЗС или светофильтров

использование системы из трех ПЗС-матриц со светоделительной головкой
для получения R,G,В компонентов цветного сигнала на этих матрицах.
Камеры с одной матрицей

На
следующем
рисунке
представлена
типичная
спектральная
чувствительность ПЗС матрицы. Такие матрицы более чувствительны в
красной области спектра, чем человеческий глаз

ПЗС матрица не может определить "цвет" фотона, попавшего на поверхность,
воспринимая лишь интенсивность упавшего света. Поэтому для того, чтобы
вводить цветное изображение, перед каждым элементом ПЗС матрицы
устанавливается светофильтр

При расположении пикселов в виде прямоугольника цвета приходится
разбивать не на триады, как в основной цветовой схеме RGB (красныйзеленый-синий), а на тетрады

Чаще всего приоритет отдается зеленому цвету, и наиболее активным в схеме
расположения светофильтров выступает зеленый — GRGB — как самый
распространенный

Существуют несколько схем раскраски матриц

В видеокамерах с одной ПЗС-матрицей наиболее часто применяется одна из
трех схем фильтрации:




Bayer Mosaic Filter,
Complementary-Primary Mosaic Filter
Hybrid Complementary-Primary Mosaic Filter.
Но во всех этих схемах для считывания информации о яркости и
цветонасыщенности используются ПЗС-матрицы с минимальными
элементами кластера 2х2
Рассмотрим схему Фильтр Байера
Cостоит из 25 % красных элементов, 25 % синих и 50 % зелёных
элементов. Назван в честь его создателя, доктора Брайса Э.
Байера
(Bryce
Bayer),
сотрудника
компании
Kodak,
запатентовавшего предложенный им фильтр в 1976 г.
Исторически самый первый из массивов цветных фильтров.
Для отличия от других разновидностей его называют GRGB, RGBG, или (если
надо подчеркнуть диагональное расположение красного и синего пикселов) RGGB.
Вследствие использования фильтров каждый фотоприемник
воспринимает лишь 1/3 цветовой информации участка
изображения, а 2/3 отсекается фильтром. Для получения
остальных цветовых компонент используются значения из
соседних ячеек. Недостающие компоненты цвета
рассчитываются процессором камеры на основании данных
из соседних ячеек в результате интерполяции (по алгоритму
demosaicing) Таким образом, в формировании конечного
значения цветного пиксела участвует 9 или более
фотодиодов матрицы.
Поскольку зелёного цвета в каждой ячейке в два раза больше,
чем фотодиодов других цветов, в результате разрешающая
способность такой структуры максимальна в зелёной области
спектра, что соответствует особенностям человеческого
зрения.
Сфотографируем исходный объект (для наглядности его часть увеличена):
При этом получаются три цветовые составляющие:
Таким образом, мы получили изображение, каждый пиксель которого содержит
только одну цветовую составляющую одной из предметных точек, спроецированных
на него объективом. И только 4 предметных точки, рядом расположенных и
спроецированных объективом на блок пикселей RGGB, приближенно формируют
полный набор RGB 1-й усредненной предметной точки. Далее, процессор камеры
должен, используя специальные математические методы интерполяции, рассчитать
для каждой точки недостающие цветовые составляющие. В результате получается
следующее изображение:
Изображение получилось более размытым, чем исходное.
Такой эффект связан с потерей части информации в
результате работы фильтра Байера. Для исправления
процессор фотоаппарата должен повысить чёткость
изображения.

Рассмотрим схему Hybrid Complementary-Primary Mosaic Filter
Используются белый (W), зеленый (G), голубой (Cy) и
желтый (Ye) светофильтры.
Два дополнительных цвета (желтый и голубой) и один
основной (зеленый).

На следующем рисунке показано как формируются сигналы яркости и цвета.
На рисунке 4х4 таких элемента. Всего 16 пикселов. Пикселы разнесены,
чтобы показать как формируются яркость и цвет
Яркость определяется по следующей формуле:
Y = 0,29R + 0,59G + 0,11B или Y = R + 2G + B
В нечетных рядах:
Yнечет. = W + G (Белый + Зеленый). Поскольку белый,
конечно, равен W = R + G + B, то сочетание элементов белого
и зеленого фильтров дает Yнечет. = R + 2G + B
В четных рядах:
Yчетн. = Cy + Ye (Голубой + Желтый). Поскольку Cy = G + B,
а Ye = R + G, то Yчетн. = R + 2G + B
Для генерации цвета используются следующие уравнения:
•Красный цвет может определяться как R = W - (G + B).
Поскольку (G + B) = Cy, то R = W - Cy (Белый - Голубой).
Однако для достижения лучшей чувствительности и
равномерного распределения цветовых составляющих по
матрице используются все четыре фильтра:
R = (W + Ye) - (G + Cy)
•Голубой цвет образуется следующим образом: B = W - (R +
G), где (R + G) = Ye. При использовании всех четырех
фильтров
B = (W + Cy) - (G + Ye)
•Зеленый цвет получается так: G = W - (B + R), где (B + R) =
Mg. Фильтр Mg отсутствует, но можно одновременно
применять B- и R-составляющие. А при использовании всех
четырех фильтров для достижения лучшей чувствительности
и равномерного распределения цветовых составляющих по
матрице
G = (G + Cy + Ye) - W

Таким образом для генерации
информация о двух строках
цветовых
составляющих
необходима

Для 16 элементов (H x V = 4 х 4) можно определить 12 (H-1 x V = 4 х 3)
яркостных и 9 (H-1 x V-1 = 3 х 3) цветовых компонент (R, G, B)
Современные модели однообъективных зеркальных цифровых
фотоаппаратов позволяют записывать изображения в Raw-формате, где
изображение записывается в виде сигналов яркости в каждом диоде, то
есть в черно-белом виде, не неся никакой цветовой формы, и в файл
записываются данные, полученные напрямую с матрицы.
Расширения файлов Raw-изображений
.dng — Adobe
.3fr — Hasselblad
.arw, .srf, .sr2 — Sony
.bay — Casio
.crw, .cr2 — Canon
.dcr, .kdc — Kodak
.erf — Epson
.mef — Mamiya
.mrw — Minolta
.nef, .nrw — Nikon
.orf — Olympus
.raf — Fujifilm
.raw, .rwl, .dng — Leica
.raw, .rw2 — Panasonic
.r3d — Red One
.ptx, .pef — Pentax
.srw — Samsung
.x3f — Sigma
Камеры с трехслойными датчиками

Все матрицы со светофильтрами дают меньшее пространственное
разрешение, чем ч/б матрица.

Перспективным решением являются матрицы, в которых используется
квантовый эффект: свет с разной длиной волны поглощается на
разной глубине полупроводника.

Компании Foveon удалось разработать такую технологию, которая
позволяет с помощью одной ПЗС-матрицы захватывать изображение,
по качеству сопоставимое с тем, что обеспечивает кинокамера для 35ти миллиметровой пленки. Для этого используется трехслойный
светочувствительный датчик, который внедрен в силиконовую
подложку: верхний слой записывает синий, средний - зеленый, а
нижний - красный свет.

Таким образом, по цветовой схеме эта матрицы наиболее близка к
пленке: каждая точка изображения выступает не группой
расположенных рядом точек, а одним «бутербродом» разноцветных
пикселов.

Подобная схема устраняет цветовые артефакты, возникающие из-за
«размазывания» одной точки по группе из четырех разноцветных
пикселов, что можно отождествить с увеличением разрешения в три
раза.
Камеры с механическим перемещение ПЗС или светофильтров

Этот вариант используется в цифровых фотокамерах с разверткой кадра
строчным ПЗС. Чип ПЗС в этом случае представляет собой три ряда
пикселей, соответствующих одной строке изображения. Один ряд пикселей
покрыт красным фильтром, другой - зеленым, третий - синим. При
фотосъемке ПЗС перемещается и в каждый момент времени регистрирует
только одну строку изображения, что в конечном счете обеспечивает
высокое качество.
Для фотосъемки неподвижных
объектов и получения высокого
качества
цветного
конечного
изображения
чаще
всего
применяют
другой
способ
цветоделения. Матрица ПЗС при
этом экспонируется три раза за
зональными
аддитивными
светофильтрами, закрепленными
во вращающейся турели
Камеры с системой из трех матриц

С помощью призмы происходит разделение изображения на красную,
зеленую и синюю составляющие, попадающие каждая на свою матрицу ПЗС.
Такие
цветоделящие
системы
обеспечивают
высокое
качество
цветовоспроизведения и устраняют помехи, которые могут возникнуть между
цветными составляющими
Каждый из трех чипов ПЗС при
фотосъемке воспринимает только свою
часть спектра - красную, зеленую
синюю. Такие камеры позволяют
проводить фотосъемку движущихся
объектов, обеспечивая при этом
высокое качество изображения.

В профессиональных и современных любительских цифровых фотокамерах
применяется цветоделительная система с дихроическими полупрозрачными
зеркалами
Пример работы дихроической призмы

Чтобы сравнить количество генерируемых яркостных и цветовых
составляющих камерами с одной и тремя ПЗС, посмотрим на данные,
приведенные в табл.
ПЗС 1280х659
Элементы ПЗС
Яркостные
составляющие
Цветовые
составляющие
Камеры с тремя
ПЗС
843 520
843 520
843 520
Камеры с одной
ПЗС
843 520
841 861
841 582

Обратите внимание на очень малое различие между видеокамерами с одной
или тремя ПЗС-матрицами

Однако, "вычисленный" цвет выходного пиксела не есть цвет
соответствующего элемента исходного изображения, а лишь результат
обработки яркостей различных элементов исходной картинки

Видеокамеры с тремя ПЗС-матрицами на самом деле обеспечивают более
высокое качество цветопередачи, а также снижают цветовые искажения,
которые могут возникать при съемке быстро движущихся объектов

Но при достаточном запасе разрешения и видеокамеры с одной ПЗСматрицей будут поддерживать выборку с запасом по частоте дискретизации,
которая обеспечит устранение нежелательных эффектов фильтрации,
проводимых до сжатия и перекодирования (Пространственное разрешение
больше).

Поэтому современные цифровые фотоаппараты работают с одной
матрицей, в то же время видеокамеры, которые должны снимать движения, с
системой из трех матриц
Размеры матриц цифровых фотокамер

В описаниях цифровых фотокамер, как правило, указываются два варианта
фокусного расстояния объектива — реальное и эквивалентное. Например,
объектив имеет реальное фокусное расстояние 7–21 мм, а эквивалентное —
34–102 мм. Чему же эквивалентно второе значение и почему требуется
пересчет реального фокусного расстояния?

Дело в том, что масштаб изображения, получающегося при съемке, зависит от
фокусного расстояния объектива и размеров кадра

В большинстве обычных пленочных фотоаппаратах используется пленка
шириной 35 мм. Поэтому масштаб изображения принято характеризовать
фокусными расстояниями объективов для кадра 36 x 24 мм

Например, объектив с фокусным расстоянием примерно 50–80 мм дает
изображение, близкое к видимому невооруженным взглядом, без эффекта
приближения или удаления, более 80 мм — увеличенное изображение,
объективы с фокусным расстоянием менее 35 мм считаются
широкоугольными

Но если кадр имеет меньшие размеры, на него попадает только центральная
часть изображения, формируемого объективом, и получается, что
изображение «приближается»

При этом оно соответствует изображению, получаемому на 35миллиметровой пленке с помощью объектива, имеющего большее фокусное
расстояние

Если размеры матрицы составляют 22,7 x 15,1 мм (это примерно в 1,5 раза
меньше размера стандартного пленочного кадра), то масштаб кадра при
использовании с этим фотоаппаратом 50-миллиметрового объектива
соответствует использованию 80-мм объектива с пленочным фотоаппаратом

Таким образом, коэффициент пересчета фокусного расстояния равен 4,9, и его
матрица должна иметь диагональ примерно 8,8 мм. Однако в характеристиках
камеры указано, что размер матрицы — 1/1,8 дюйма, что примерно равно 14,1
мм

Дело в том, что подобные обозначения в дюймах применялись еще в 50-х
годах для кинескопов первых телевизоров. И указываемый размер
соответствовал не диагонали изображения, а диаметру стеклянной колбы, в
которой находился экран.

Потому размеры 1/1,8 дюйма, 1/3,2 дюйма, 2/3 дюйма, указываемые в
характеристиках цифровых фотокамер, заметно больше реальных
диагоналей матриц

Ниже показаны соответствия между реальными размерами наиболее
распространенных форматов матриц и обозначениями

Большая матрица имеет более крупные пиксели, чем маленькая, если
количестве пикселей осталось прежнее. Перед нами условная схема 2-х
матриц, первая с матрицей 7.2 x 5.3 mm (обозначение 1/1.8"), вторая от
зеркальной камеры 23.7 x 15.6 mm (обозначение "APS-C"). На самом деле
количество квадратиков-пикселей в реальных камерах гораздо больше,
(например, 12 миллионов, а не 48 как здесь), но соотношения сторон на
схеме для наглядности выполнены достаточно точно.

Площадь каждого пикселя у крупной матрицы больше, и соответственно,
светочувствительность и цветопередача лучше, а шумов меньше.
Соответствие между объективами и разрешением матриц

Разрешающая способность объективов - это максимальное количество
линий на миллиметр в поле изображения, при котором линии еще не
сливаются

Мы ведем все рассуждения в соответствии с понятием "линий на
миллиметр", принятым в фотографии, когда за одну линию считается линия
с ее промежутком, а не так, как в телевидении, где черная и белая линии
считаются за две, отчего цифры удваиваются и у клиента возникает
впечатление мнимого благополучия

Приличный 50-миллиметровый объектив для камер 36х24 дает 90–100
лин./мм. Специальные объективы производства Zeiss или Nicon с
разрешением 100-120 пар линий на мм стоят более 1000 долларов. Если мы
приложим такую величину (которая примерно соответствует разрешающей
способности пленки) к миниатюрной матрице и еще раз посмотрим на
таблицу физических размеров, то увидим, что в длинную сторону уложится
всего-навсего 500–800 линий, в короткую - 400–600
(800*600=480 000 pixel)

Объективы для маленьких матриц при одинаковой светосиле должны иметь
меньший диаметр линз, так как поле изображения у них существенно
меньше. Потому их производство упрощается, что позволяет достигать
более высокого качества при меньших затратах.

Эксперименты с фотографированием миры качественными камерами Canon
и Sony показывают, что при 15-процентной контрастности разрешение
может достигать 120 лин./мм

К сожалению, информацию по разрешающей способности объективов
получить очень тяжело. По некоторым сведениям можно установить, что
конструкторы объективов для приличных камер среднего класса
ориентируются на разрешение порядка 130–150 лин./мм.
Зная разрешение объектива можно построить для различных значений
диафрагм наложение кружка Эйри на сетку пикселов


На рис. размер пикселя камеры 5D MarkII

Для 1/2-дюймовой матрицы Sony ICX039 размер пиксела составляет 8,6х8,3
мкм. Следовательно, объектив должен иметь разрешение лучше, чем
1/(8.3x10-3)=120 линий (60 пар линий на миллиметр)

Физический размер такой матрицы 6.4 на 4.8 мм. Поэтому максимальное
число датчиков может быть 744 на 578 пикселя.
(744*572=425 568 pixel)

Если сокращать размер пикселя, то падает световой поток и ухудшается
чувствительность датчика

Именно поэтому для повышения качества изображения следует стремиться
к увеличению физических размеров матрицы; повысить же разрешение
объектива, оставаясь в приемлемых границах стоимости, не удастся.

Поэтому выше некоего предела (3–4 Мп для обычных матриц,
используемых в мыльницах) вообще не стоит обращать внимания на то,
сколько там пикселов имеется

Универсальная фотопленка
примерно 100 лин./мм.

Если перемножить число линий на каждую сторону кадра 24х36 мм, то
количество элементов составит 8 640 000. Примем его для удобства равным
8 миллионам. Если углубиться в тонкости процесса воспроизведения миры,
то эту величину следует увеличить вчетверо (вдвое по каждой стороне) или
минимум вдвое, чтобы разрешались черные и белые полосы.

Пленочный кадр
мегапикселам

Профессиональные фотографы снимают широкопленочными аппаратами с
кадром 6х7 см. Однако объективы для таких камер имеют меньшее
разрешение. Качественные и дорогие профессиональные объективы для
пленочных камер 6х7 см имеют резкость в середине кадра приблизительно
70–80 лин./мм, по краям - всего до 40. Поэтому многие профессиональные
фотографы в настоящее время довольствуются цифровыми задниками к
широкопленочным фотоаппаратам
24х36
обладает
мм
разрешающей
соответствует
способностью
примерно
32–34
Самый большой объектив

Немецкая компания Carl Zeiss разработала новый телеобъектив, который,
как утверждается, на сегодняшний день является самым большим в своём
классе. Новинка имеет фокусное расстояние 1700 мм и обеспечивает 21кратное оптическое увеличение. Телеобъектив предназначен для съёмки
удалённых объектов, например, диких животных в привычной для них среде
обитания. Весит телеобъектив Carl Zeiss около 260 килограммов.
Примечательно, что для управления оптикой немецким специалистам
пришлось разработать специальную систему сервоприводов
Самая большая матрица

Японская корпорация Canon объявила о создании самой большой в мире
CMOS-матрицы. Размеры чипа, который формирует цифровую фотографию,
составляет 202x205 миллиметров. Это приблизительно в 40 раз больше
самой крупной на данный момент матрицы, используемой в камерах фирмы
Самая маленькая матрица

Компания OmniVision Technologies разработала новый КМОП-сенсор
CameraChip OV6920, который, как утверждается, является самым маленьким
устройством в своем классе. Матрица имеет размеры 1/18 дюйма и
предназначена для использования в медицинском оборудовании. Габариты
чипа составляют всего 2,1 х 2,3 мм.
Самый большая фотоаппарат
Швейцарская компания Seitz Phototechnik планирует начать продажи
уникального цифрового фотоаппарата Seitz 6x17 Digital,
позволяющего делать фотографии с разрешением до 160 миллионов
пикселей
Размеры камеры равны 495 х 175 х 95 мм, вес - 2,8 кг.

Один кадр при максимальном разрешении в 21 250 х 7 500 точек в
несжатом виде занимает почти 1 Гб

Минимальная
выдержка
составляет
светочувствительность - ISO 500-10000

Стоимость студийного варианта фотоаппарата составит 26 900 евро,
мобильная версия обойдется покупателям в 28 900 евро
1/20000
секунды,
Классификация устройств ввода оптической информации