Как работает цифровая таблетка. Как работают цифровые принтеры Вычисление электронной подписи

Много-много лет назад, работая админом на одном из градообразующих предприятий российской глубинки, мне пришлось впервые столкнуться с понятием «электронно-цифровая подпись» (далее ЭЦП).
В головах руководства, на тот момент, укоренилась мысль, что ЭЦП - это обычная подпись, отсканированная и добавляемая на все документы, которые должны быть «подписаны».

Давайте разбёрмся, что же такое ЭЦП и как она работает.

Для работы с ЭЦП нам, прежде всего, необходим цифровой сертификат и закрытый ключ.

Сначала, нам необходимо установить ЭЦП под документом.
Установка ЭЦП происходит в два шага:
1. Берём документ, который мы хотим подписать и вычисляем хэш от этого документа. (Упрощённо, хэш - это односторонняя математическая функция преобразования документа произвольной длинны, в документ фиксированной длинны).
2. Затем, этот полученный хэш шифруем нашим закрытым ключом.

Теперь документ, с прикреплённой к нему ЭЦП и нашим сертификатом, отправляем получателям.

Получив подписанный документ, нам необходимо проверить подпись - действительна она или нет.
Проверка ЭЦП происходит несколько сложнее:
1. Берём документ, подпись под которым необходимо проверить, вычисляем хэш от этого документа.
2. Берём цифровой сертификат пользователя, который подписал документ и прикреплённую к документу ЭЦП (которая является зашифрованым на закрытом ключе подписсанда хэшом оригинального документа) и расшифровываем с помощью открытого ключа.
Таким образом, у нас есть два хэша - тот, который мы вычислили сами и тот, который мы получили вместе с документом и расшифровали открытым ключом подписанта.
3. Теперь сравниываем эти хэши. Если хэши совпадают, значит подпись действительна, если хэши различаются, значит подпись неделйствительна.

В заключении определим, что нам даёт использование цифровой подписи:
1. Неизменяемость в процессе передачи или хранения - если документ был изменён, то хэш, который мы вычислим, и который был прикрёплён к документу, буду разные, следовательно, подпись будет неделйстительная, из чего можно сделать вывод, что документ был изменён;
2. Неотказуемость от авторства - если подпись верна, значит подписант, сертификат (точнее открытый ключ из сертификата) которого используется для расшифрования хэша и является автором документа;

Для того, чтобы было невозможно подделать ЭЦП, закрытый ключ должен быть в единственном экземпляре и доступ к нему должен быть только у владельца. Это можно реализовать используя смарт-карты, но это уже совсем другая история.

В этом номере я собираюсь начать "долгоиграющую" тему о том, как устроена и как работает цифровая камера, что значат всякие умные слова вроде "брэкетинг" и "экспокоррекция" и, главное, как всем этим целенаправленно пользоваться.

Вообще, цифровая камера - это аппарат, позволяющий получать изображения объектов в цифровой форме. По большому счету, разница между обычным и цифровым фотоаппаратом - только в приемнике изображения. В первом случае это фотоэмульсия, требующая затем химической обработки. Во втором - специальный электронный датчик, преобразующий падающий свет в электрический сигнал. Датчик этот называется сенсором или матрицей и действительно представляет из себя прямоугольную матрицу светочувствительных ячеек, помещенных на одном полупроводниковом кристалле.

При попадании света на элемент матрицы он вырабатывает электрический сигнал, пропорциональный количеству попавшего света. Затем сигналы (пока что это аналоговые сигналы) с элементов матрицы считываются и преобразуются в цифровую форму аналогово-цифровым (АЦП) преобразователем. Дальше цифровые данные обрабатываются процессором камеры (да, в ней тоже есть процессор) и сохраняются уже в виде, собственно, картинки.

Итак, сердцем любой цифровой камеры является сенсор. Сейчас существуют две основные технологии производства сенсоров - ПЗС (CCD, charge coupled device - устройство с зарядовой связью) и КМОП. В ПЗС-матрице во время экспозиции (то есть в момент, собственно, фотографирования) в светочувствительных элементах накапливается заряд, пропорциональный интенсивности падающего света. При считывании данных эти заряды сдвигаются из ячейки в ячейку, пока не будет считана вся матрица (фактически, чтение происходит построчно). Данный процесс в популярной литературе любят сравнивать с передачей ведер с водой по цепочке. Производятся ПЗС-матрицы по МОП-технологии и для получения качественного изображения требуют высокой однородности параметров по всей площади чипа. Соответственно, они достаточно дороги.

Альтернативой ПЗС являются CMOS (то бишь, по-русски, КМОП) матрицы. По сути своей, КМОП-сенсор достаточно похож на микросхему оперативной памяти - DRAM. Тоже прямоугольная матрица, тоже конденсаторы, тоже считывание с произвольным доступом. В качестве светочувствительных элементов в КМОП-матрицах используются фотодиоды. В общем, КМОП-матрицы намного лучше подходят для производства по хорошо разработанным нынче техпроцессам. К тому же, помимо всего прочего (большая плотность упаковки элементов, меньшее энергопотребление, более низкая цена), это позволяет интегрировать сопутствующую электронику на один кристалл с матрицей. Правда, до недавнего времени CMOS не выдерживал конкуренции с CCD в смысле качества, так что на основе CMOS-сенсоров делались, в основном, дешевые устройства вроде веб-камер. Однако в последнее время сразу несколько крупных компаний (в частности, такой монстр индустрии, как Kodak) разрабатывали технологии производства CMOS-матриц высокого разрешения и высокого качества. Первая "серьезная" (трехмегапиксельная цифровая зеркалка) камера на КМОП - Canon EOS-D30 - появилась почти два года назад. А объявленные на последней Photokina полноформатные камеры Canon EOS 1Ds и Kodak Pro DCS-14n окончательно продемонстрировали потенциал КМОП-сенсоров. Впрочем, большинство камер пока все-таки выпускаются на основе ПЗС-матриц.

Желающие более подробно познакомиться с обеими технологиями могут начать вот с этого адреса www.eecg.toronto.edu/~kphang/ece1352f/papers/ng_CCD.pdf , а мы пойдем дальше.

Следующий момент - элементы матрицы (любого из вышеописанных типов) воспринимают только интенсивность падающего света (то есть, дают черно-белое изображение). Откуда берется цвет? Для получения цветного изображения между объективом и матрицей располагается специальный светофильтр, состоящий из ячеек основных цветов (GRGB, либо CMYG), находящихся над соответствующими пикселами. Причем, для зеленого цвета используются два пиксела (в RGB, или один в CMY), поскольку глаз наиболее чувствителен именно к этому цвету. Окончательный цвет пиксела на картинке в такой системе высчитывается с учетом интенсивностей соседних элементов разных цветов, так что в результате каждому одноцветному пикселу матрицы соответствует цветной пиксел на картинке. Таким образом, окончательная картинка всегда в той или иной степени интерполирована (то есть рассчитана, а не получена непосредственным фотографированием объекта, что неминуемо сказывается на качестве мелких деталей снимка). Что касается конкретных фильтров, то в большинстве случаев используется прямоугольная матрица GRGB (фильтр Байера).

Существует еще такая штука, как SuperCCD, изобретенная Fuji Photo Film и использующаяся в камерах Fuji с 2000 года. Суть этой технологии в том, что пикселы (и элементы светофильтра - тоже GRGB) расположены в виде своеобразной диагональной матрицы.

Причем камера интерполирует не только цвета самих пикселов, но и цвета точек, расположенных между ними. Таким образом, на фотоаппаратах Fuji всегда указывается разрешение, в два раза превосходящее даже количество физических (одноцветных) пикселов, что не есть правда. Впрочем, технология Fuji все же получилась достаточно удачной - большинство людей, сравнивавших качество снимков с SuperCCD и обычных камер, сходится в том, что качество картинки с SuperCCD соответствует обычной матрице с разрешением, примерно в 1.5 раза большим, чем физическое разрешение SuperCCD. Но не в 2 раза, как это заявлено Fuji.

Заканчивая разговор о фильтрах, самое время упомянуть о третьей альтернативной технологии производства сенсоров, а именно - Foveon X3. Она разрабатывалась фирмой Foveon и была объявлена весной этого года. Суть технологии - физическое считывание всех трех цветов для каждого пиксела (по идее, разрешение такого сенсора будет эквивалентно разрешению обычного сенсора с в три раза большим количеством пикселов). При этом для деления падающего света на цветовые компоненты используется свойство кремния (из которого изготовлен сенсор) пропускать свет с разной длиной волны (то есть, цветом) на разную глубину. Фактически, каждый пиксел Foveon представляет собой трехслойную структуру, причем глубина залегания активных элементов соответствует максимуму пропускания кремнием света для основных цветов (RGB). По-моему, весьма перспективная идея. По крайней мере, в теории. Потому что на практике первая объявленная камера на основе Foveon X3 пока так и остается единственной. Да и ее поставки пока толком так и не начались. Более подробно об этой технологии мы писали в шестом номере газеты за этот год.

Однако вернемся к сенсорам. Основной характеристикой любой матрицы, с точки зрения конечного пользователя, является ее разрешение - то есть количество светочувствительных элементов. Большинство камер сейчас делается на основе матриц в 2-4 мегапиксела (миллион пикселов). Естественно, чем больше разрешение матрицы, тем более детализированный снимок можно на ней получить. Конечно, чем больше матрица, тем она дороже. Но за качество всегда приходится платить. Разрешение матрицы и размер получаемого снимка в пикселах связаны напрямую, например, на мегапиксельной камере мы получим картинку размером 1024х960 = 983040. Надо сказать, что увеличение разрешения матриц - одна из главных задач, с которой сейчас борются производители цифровых камер. Скажем, года три назад большинство камер среднего ценового диапазона снабжалось мегапиксельными матрицами. Два года назад это число увеличилось до двух мегапикселов. Год назад оно уже стало равно трем-четырем мегапикселам. Сейчас же большинство последних моделей камер комплектуется сенсорами с разрешением 4-5 мегапикселов. И уже существует несколько полупрофессиональных моделей, снабженных матрицами больше 10 мегапикселов. Видимо, где-то на этом уровне гонка и остановится, поскольку снимок с 10-мегапиксельной матрицы примерно соответствует по детализации снимку на стандартную 35-миллиметровую пленку.

Кстати, не надо путать разрешение матрицы в том виде, как мы определили его выше, и разрешающую способность. Последняя определяется как способность камеры разделить изображение двух объектов и обычно измеряется по снимку штриховой миры с известным расстоянием между штрихами. Разрешающая способность описывает свойства всей оптической системы камеры - то есть матрицы и объектива. В принципе, разрешение и разрешающая способность связаны между собой, но связь эта определяется не только параметрами матрицы, но и качеством использованной в камере оптики.

Следующая характеристика цифровой камеры, напрямую связанная с матрицей, - это чувствительность. Или, точнее, светочувствительность. Этот параметр, как и следует из названия, описывает чувствительность матрицы к падающему свету и, в принципе, полностью аналогичен светочувствительности обычных фотоматериалов. Например, вы можете купить в магазине пленку чувствительностью 100, 200 или 400 единиц. Точно так же можно выставить чувствительность матрицы, но полюс цифрового фотоаппарата в том, что чувствительность выставляется индивидуально для каждого кадра. Скажем, при ярком солнечном свете можно снимать с чувствительностью 100 или 50, а для ночной съемки можно переключиться на 400 (а в некоторых фотоаппаратах и на 1400). Большинство цифровых камер позволяет выставлять стандартные значения чувствительности - 50, 100, 200 и 400. Кроме того, система автоэкспозиции может менять чувствительность плавно. Поскольку физически регулировка чувствительности осуществляется изменением коэффициента усиления сигнала с матрицы, то в камере это реализовать достаточно просто.

Измеряется чувствительность в единицах ISO (по крайней мере, для цифровых камер они уже стали стандартом). Как они переводятся в единицы DIN и ГОСТ, вы можете посмотреть в таблице.

Впрочем, у регулируемой чувствительности есть свои недостатки. Поскольку физически при этом свойства матрицы не меняются, а просто усиливается существующий сигнал, то на изображении начинают все больше и больше проявляться шумы, свойственные любому электронному устройству. Это очень сильно снижает рабочий динамический диапазон камеры, так что при высокой чувствительности вы хорошей картинки не получите. С аналогичной проблемой, кстати, можно столкнуться и при больших экспозициях - любая матрица шумит, а со временем шум накапливается. Сейчас во многих камерах реализуются специальные алгоритмы шумоподавления при больших экспозициях, однако они склонны сглаживать изображение и размывать мелкие детали. В общем, против законов физики не попрешь, но все-таки возможность регулировать чувствительность - большой плюс цифровых камер.

Константин АФАНАСЬЕВ

> Как работает цифровая камера

Цифровая камера захватывает свет и фокусирует его через объектив на сенсор, сделанный из кремния. Она состоит из сетки мелких фотоэлементов, которые чувствительны к свету. Каждый фотоэлемент называется пикселем, сокращение от «элемент изображения». Миллионы этих отдельных пикселей находятся в датчике цифровой зеркальной фотокамеры.

Цифровая камера отбирает свет нашего мира, или космического пространства пространственно, тонально и по времени. Пространственная выборка означает, что изображение в камере разбивается прямоугольной сеткой пикселей. Тональная выборка означает, что постоянно меняющиеся тоны яркости в природе разбиты на отдельные дискретные шаги тона. Если есть достаточно выборок, как в пространстве, так и тонально, мы воспринимаем их в качестве верного представления исходной сцены. Время выборки означает, что мы делаем экспозицию заданной длительности.

Наши глаза также воспринимают мир на основе нескольких десятых долей секунды, когда количество света такое же, как в дневное время. В условиях низкой освещенности, экспозиция глаза, или время интегрирования может увеличиться до нескольких секунд. Вот почему мы можем увидеть более подробную информацию с помощью телескопа, если будем смотреть на слабый объект в течение долгого времени.

Глаз является относительно чувствительным детектором. Он может обнаружить один фотон, но эта информация не передается мозгу, потому что она не превышает минимального порога соотношения сигнала к шуму в схеме шумовой фильтрации в зрительной системе. Этот порог обуславливает поступление нескольких фотонов для фиксирования их мозгом. Цифровая камера почти также чувствительна, как глаза, и оба являются гораздо более чувствительными, чем фотопленка, которая требует множество фотонов для обнаружения.

Эти временные выборки с длинными экспозициями, которые действительно делают возможным волшебство цифровой астрофотографии. Истинная мощь цифрового датчика возникает от его способности интегрировать, или собирать, фотоны в течение более длительных периодов времени, чем глаза. Вот почему мы можем записать данные в длинных выдержках, которые невидимы для глаза, даже через большой телескоп.

CCD и CMOD датчики работают аналогично друг другу в поглощении фотонов, генерации электронов и их хранении, но отличаются тем, как заряд переносится и где он преобразуется в напряжение. И оба имеют цифровой выход.

Весь файл цифрового изображения это набор чисел, которые представляют значения яркости и местоположения для каждого квадрата в массиве. Эти цифры хранятся в файле, с которым могут работать наши компьютеры.

Не все пиксели чувствительны к свету, только фотодиодные. Процент пикселей, которые является светочувствительными, называется коэффициентом заполнения. Для некоторых датчиков, таких как CMOD, коэффициент заполнения может быть только от 30 до 40 процентов всей площади фотоэлементов. Остальная часть области на CMOD -датчике состоит из электронных схем, таких как усилители и схемы шумоподавления.

Поскольку светочувствительная площадь мала по сравнению с размером пикселей, общая чувствительность чипа снижается. Для увеличения коэффициента заполнения, производители используют микро-линзы, чтобы направить фотоны, которые поражают не чувствительные участки и остаются незамеченными, на фотодиод.

Электроны генерируются тех пор, пока фотоны воздействуют на датчик в течение продолжительности воздействия или интеграции. Они хранятся в потенциальной яме до окончания облучения. Размер ямы называют полной емкостью, и это определяет, сколько электронов может быть собрано, прежде чем яма заполнится и зарегистрирует в полном объеме. В некоторых датчиках после заполнения одной ямы, электроны могут перекинуться на прилегающие ямы, вызывая блюминг, который виден в качестве вертикальных пиков на ярких звездах. Некоторые камеры имеют антиюлюминговые возможности для сокращения или предотвращения этого явления. Большинство DSLR-камер контролируют блюминг очень хорошо, и это не является проблемой для астрофотографии.

Количество электронов, которое может накапливаться в яме, определяет динамический диапазон сенсора и также диапазон яркости от черного до белого, где камера может записывать детали как в слабых, так и в ярких областях сцены. После коррекции шума датчик с большей емкостью обычно имеет больший динамический диапазон. Датчик с низким уровнем шума помогает улучшить динамический диапазон и улучшает детализацию в слабо освещенных местах.

Не каждый фотон, попадающий на детектор, будет зарегистрирован. Количество, которое будет зарегистрировано, определяется квантовой эффективностью датчика. Квантовая эффективность измеряется в процентах. Если датчик имеет квантовую эффективность в 40 процентов, это означает, что четыре из каждых десяти фотонов, которые попадают на датчик, будут зарегистрированы и преобразованы в электроны. Согласно Roger N. Clarke, квантовый КПД в современных цифровых зеркальных камерах составляет от 20 до 50 процентов, в зависимости от длины волны. Топовые модели астрономических CCD-камер могут иметь квантовую эффективность до 80 процентов и более, хотя это относится к изображениям в градациях серого цвета.

Число электронов, собирающихся в яме, пропорционально числу фотонов, которые зарегистрированы. Электроны в яме затем преобразуется в напряжение. Этот заряд является аналоговым сигналом (непрерывного изменения) и, как правило, очень мал, и должен быть усилен, прежде чем он может быть оцифрован. Выходной усилитель выполняет эту функцию, приводя в соответствие диапазон выходного напряжения датчика к диапазону входного напряжения АЦ преобразователя. АЦ преобразователь преобразует эти данные к виду двоичного числа.

Когда АЦ преобразователь оцифровывает динамический диапазон, он разбивает его в пошаговом режиме. Общее количество шагов задается битной глубиной преобразователя. Большинство камер DSLR работают с 12 битами (4096 шагов) тональной глубины.

Выходной сигнал датчика технически называется аналого-цифрового единицей (ADU) или цифровой номер (DN). Число электронов в ADU определяется коэффициентом усиления системы. Усиление 4 означает, что АЦ преобразователь оцифровывает сигнал так, что каждый ADU соответствует 4 электронам.

Класс экспозиции ISO соответствует классу скорости пленки. Это общая оценка чувствительности к свету. Цифровые датчики камеры имеют только одну чувствительность, но позволяют использовать различные настройки ISO путем изменения коэффициента усиления камеры. Когда усиление в два раза, то число электронов в ADU понижается в 2 раза.

При увеличении ISO в цифровой камере, меньше электронов преобразуются в один ADU. Повышение ISO уменьшает динамический диапазон. При ISO 1600 может быть использовано всего около 1/16 от полной емкости потенциальной ямы датчика. Это может быть полезно для астрономических изображений тусклых предметов, электроны от которых не могут быть собраны другим способом, чтобы заполнить потенциальную яму. Камера только преобразует небольшое количество электронов из этих редких фотонов и сопоставляет этот ограниченный динамический диапазон полной битовой глубине, при этом становится возможной большая дифференциации между шагами. Это также дает больше шагов, чтобы работать с этими слабыми данными, когда они растягиваются позже при обработке, чтобы увеличить контраст и видимость.

Для каждого пикселя в датчике, данные яркости, представленные числом от 0 до 4095 для 12-разрядного АЦ конвертера, вместе с координатами местоположения пикселя, хранятся в файле. Эти данные могут временно сохраняются во встроенной буферной памяти камеры, прежде чем записываются в съемной карте памяти камеры.

Этот файл из чисел реконструируется в образ, когда он отображается на мониторе компьютера, или распечатывается.

Это те цифры, которые производятся в процессе оцифровки, с которыми мы можем работать на наших компьютерах. Цифры представлены в виде битов, а представлении «двоичных цифр». Биты используют основание 2 в двоичной системе счисления, где есть только цифры один и ноль, а не на основе 10, где есть цифры от 0 до 9, с чем мы, как правило, работаем. Компьютеры используют двоичные числа, потому что транзисторы, из которых они сделаны, имеют только два состояния включено и выключено, которые представляются цифрами один и ноль соответственно. Все числа могут быть представлены таким образом. Это то, что делает компьютеры настолько мощными при работе с числами, транзисторы это делают очень быстро.

Пространственная выборка

Светочувствительный элемент в матрице камеры соответствуют один к одному с пикселями в цифровом изображении, когда он поступает на выход. Многие люди также называют такие элементы в матрице камеры общим термином "пиксели". Эти элементы расположены в прямоугольном массиве. В Canon 20D, массив 3504 х 2336 пикселей, что в общей сложности 8,2 миллиона пикселей. Эту сетку можно представить как шахматную доску, где каждый квадрат очень мал. Квадраты настолько малы, что, если смотреть с расстояния они заставляют глаз и мозг думать, что изображение является непрерывным. Если вы увеличите любое цифровое изображение до достаточно большого размера, вы сможете увидеть отдельные пиксели. Когда это происходит, мы называем изображение "нечетким".

Цветное изображение на самом деле состоит из трех отдельных каналов, по одному для красного, зеленого и синего цвета. Из-за способа ощущения цвета глазом и мозгом, все цвета радуги могут быть созданы из этих трех основных цветов.

Хотя цифровая камера может записывать 12 бит или 4096 шагов яркости информации, почти все выходные устройства могут отображать только 8 бит или 256 шагов в цветовой канал. Изначальные 12-битные (2 в 12 степени = 4096) входные данные должны быть преобразованы в 8 битные (2 в 8 степени = 256) данные для вывода.

В приведенном выше примере, номинальный пиксель имеет уровень яркости 252 в красном канале, 231 в зеленом канале, и 217 в канале сигнала синего цвета. Яркость каждого цвета может варьироваться от 0 до 255, при 256 общего количества шагов в каждом цветовом канале, когда он отображается на мониторе компьютера, или для вывода на настольном принтере. Ноль означает чистый черный цвет, а 255 указывает чистый белый.

256 цветов каждый из красного, зеленого и синего может показаться не много, но на самом деле это огромное количество, потому что 256 х 256 х 256 - это более 16 миллионов отдельных цветов.

Тональная выборка

Свет и тона в мире изменяются непрерывным образом. После захода Солнца в ясный день небо на западе варьируется от яркого вблизи горизонта до темно-голубого цвета над головой. Эти оттенки синего цвета постоянно меняться. Они плавно переходят от светлого к темному.

Цифровые камеры при измерении света разрывают его непрерывно изменяющиеся сигналы в дискретные шаги, которые могут быть представлены числами (цифры). Они оцифровывают изображение.

64 шага

32 шага

16 шагов

Благодаря способу, который использует наша визуальная система, если мы разделим непрерывные сигналы в достаточном количестве малых дискретных шагов мы можем обмануть глаз, думая, что это непрерывный сигнал, даже если это не так.

В приведенных выше примерах, мы можем увидеть эффект от различного числа тонов, когда мы переходим от черного цвета к белому. Мы можем четко дифференцировать небольшое количество тонов как прерывистость. Но когда число увеличивается, где-то около 128 шагов, они, кажутся непрерывными для нашего восприятия.

Компьютеры и цифры

Поскольку компьютер является очень мощным инструментом при манипулировании с цифрами, мы можем выполнять различные операции над этими цифрами быстро и легко.

Например, контраст определяется как разница в яркости между соседними пикселями. Для контрастности, должна быть разница, так чтобы один пиксель был ярче, а другой пиксель был темнее. Мы можем очень легко увеличить контрастность, просто добавив количество шагов по яркости для яркого пикселя и вычитания числа шагов из значения яркости темного пикселя.

Цвет в изображении представлен значением яркости пикселя в каждом из трех цветовых каналов - красным, зеленом и синем - которые составляют информацию о цвете. Мы можем так же легко изменить цвет пикселя, или группу пикселей, просто изменив число.

Мы можем выполнять другие трюки, такие как увеличение кажущейся резкости изображения за счет увеличения контрастности краевых границ объектов на изображении с помощью процесса, называемого нерезким маскированием.

Представление изображение в виде числа позволяет нам всецело управлять им. И, поскольку изображение является набором чисел, оно может быть дублировано любое количество раз без потери качества.

Линейные или нелинейные данные

Реакция записи цифрового датчика пропорциональна числу фотонов, которые попадают в него. Реакция является линейной. В отличие от фотопленки, цифровые датчики увеличивают записанный сигнал в два раза, когда в два раза увеличивается число фотонов попавших на датчик. Цифровые датчики также являются взаимозаместимыми, как и большинство фотопленок.

Данные, полученные с помощью датчика CMOS в цифровой зеркальной фотокамере и записанные в сыром файле, являются линейными. Линейные данные, как правило, выглядят очень темными по сравнению с нормальным фотографиями (см. рисунок ниже).

Линейная кривая

Человеческое визуальное восприятие яркости лучше описывается логарифмической кривой, чем линейной кривой. Другие человеческие чувства, такие как слух, и даже вкус, также логарифмические. Это означает, что мы лучше различаем разницу на нижнем конце шкалы восприятия, чем мы на высоком конце. Например, мы можем очень легко отличить по весу один фунт и два фунта, когда мы их поднимем. Но у нас возникают трудности при попытке отличить вес в 100 фунтов и 101 фунтов. Тем не менее, разница же, один фунт.

Логарифмическая кривая

Нормальные фотографии на пленке также записаны в нелинейной манере, которая похожа на способ человеческого восприятия. Вот почему мы можем держать слайд к свету, и это выглядит как разумное представления исходной сцены без каких-либо дополнительных модификаций.

Из-за того, что человеческая визуальная система восприятия не работает в линейном порядке, нелинейный закон должен быть применен при "растяжке" линейных данных из цифровой зеркальной фотокамеры, чтобы тональность фотографий лучше соответствовала нашему визуальному восприятию. Эти нелинейные поправки делаются с помощью программного обеспечения внутри камеры при записи изображения в файл в формате JPEG. Если сырой файл сохраняется в камере, эти нелинейные корректировки делаются в программном обеспечении позже, когда данные открыты в программе обработки изображений.

В примерах изображений, показанных выше, снимок экрана диалога Curves в Photoshop был включен в изображении, чтобы мы могли увидеть сравнение между линейными данными и теми же данными с нелинейной корректировкой. Кривая в темном изображении является линейной, то есть прямая линия. Кривая в светлом изображении показана при растяжке, которая должна быть применена к данным, чтобы сделать их ближе к нашему зрительному восприятию.

Кривая представляет входные и выходные значения яркости пикселей в изображении. Черные в левом нижнем углу, а белые в правом верхнем углу. Серые тона между ними. Когда линия прямая, входной сигнал, который проходит горизонтально вдоль дна, соответствует выходному сигналу, который проходит вертикально вдоль левой стороны.

На вставке показано, что когда прямую тянут вверх, так что ее наклон увеличивается, контрастность этой части кривой и соответствующих тонов в изображении увеличивается. В изображенном выше примере видно, что тон в указанной точке создается намного легче. Все тона в изображении ниже этой точки на кривой, и соответствующих тонов в изображении, растягиваются друг от друга и их контраст увеличился.

Вот почему важно работать с высоко битной глубиной при работе с необработанными изображениями. Из-за сильного натяжения и увеличения контраста, которые необходимы, тоны растягивают. Если у нас есть много тонов и глубина высокого тона позволяет, то их можно гладко перераспределять. Если у нас мало тонов для работы, мы рискуем получить постеризацию и полосы при растяжке данных.

В ярком изображении наклон верхней части кривой уменьшается в светлых областях изображения. Это сжимает тона и уменьшает контраст этих тонов в изображении.

Это то, что позволяет обращаться к этим данным в линейной форме в высокой битной глубине, что делает изображения с цифровых зеркальных камер и CCD такими мощными для создания астрофотографий. Это позволяет нам вычесть фон неба и светового загрязнения. Это дает нам возможность контролировать нелинейные корректировки и растягивать данные. Эти настройки позволяют выявить детали астрономических объектов, которые скрыты глубоко в том, что мы считаем теневыми участками нормальной фотографии.

Современные фотоаппараты все делают сами - чтобы получить снимок, пользователю достаточно лишь нажать на кнопку. Но ведь все равно интересно: по какому же волшебству картинка попадает в камеру? Мы постараемся объяснить основные принципы работы цифровых фотоаппаратов.

Ликбез: как работает цифровая камера

Основные части Борьба с искажениями

Основные части

В основном устройство цифровой камеры повторяет конструкцию аналоговой. Главное их различие - в светочувствительном элементе, на котором формируется изображение: в аналоговых фотоаппаратах это пленка, в цифровых – матрица. Свет через объектив попадает на матрицу, где формируется картинка, которая затем записывается в память. Теперь разберем эти процессы подробнее.

Состоит камера из двух основных частей – корпуса и объектива. В корпусе находятся матрица, затвор (механический или электронный, а иногда и тот и другой сразу), процессор и органы управления. Объектив, съемный или встроенный, представляет собой группу линз, размещенных в пластиковом или металлическом корпусе.

Где получается картинка

Матрица состоит из множества светочувствительных ячеек – пикселов. Каждая ячейка при попадании на нее света вырабатывает электрический сигнал, пропорциональный интенсивности светового потока. Поскольку используется информация только о яркости света, картинка получается черно-белой, а чтобы она была цветной, приходится прибегать к разным хитростям. Ячейки покрывают цветными фильтрами – в большинстве матриц каждый пиксел покрыт красным, синим или зеленым фильтром (только одним!) в соответствии с известной цветовой схемой RGB (red-green-blue). Почему именно эти цвета? Потому что они – основные, а все остальные получаются путем их смешения и уменьшения или увеличения их насыщенности.

На матрице фильтры располагаются группами по четыре, так что на два зеленых приходится по одному синему и красному. Так делается потому, что человеческий глаз наиболее чувствителен именно к зеленому цвету. Световые лучи разного спектра имеют разную длину волн, поэтому фильтр пропускает в ячейку лучи лишь своего цвета. Полученная картинка состоит только из пикселов красного, синего и зеленого цвета – именно в таком виде записываются файлы формата RAW (сырой формат). Для записи файлов JPEG и TIFF процессор камеры анализирует цветовые значения соседних ячеек и рассчитывает цвет пикселов. Этот процесс обработки называется цветовой интерполяцией, и он исключительно важен для получения качественных фотографий.

Такое расположение фильтров на ячейках матрицы называется шаблоном Байера

Основных типов матриц два, и они различаются способом считывания информации с сенсора. В матрицах типа CCD (ПЗС) информация считывается с ячеек последовательно, поэтому обработка файла может занять довольно много времени. Хотя такие сенсоры «задумчивы», они относительно дешевы, и к тому же, уровень шума на полученных с их помощью снимках меньше.

Матрица типа ПЗС

В матрицах типа CMOS (КМОП) информация считывается индивидуально с каждой ячейки. Каждый пиксел обозначен координатами, что позволяет использовать матрицу для экспозамера и автофокусировки.

КМОП-матрица

Описанные типы матриц – однослойные, но есть еще и трехслойные, где каждая ячейка воспринимает одновременно три цвета, различая разноокрашенные цветовые потоки по длине волн.

Трехслойная матрица

Выше уже был упомянут процессор камеры – он отвечает за все процессы, в результате которых получается картинка. Процессор определяет параметры экспозиции, решает, какие из них нужно применить в данной ситуации. От процессора и программного обеспечения зависят качество фотографий и скорость работы камеры.

По щелчку затвора

Затвор отмеряет время, в течение которого свет воздействует на сенсор (выдержку). В подавляющем большинстве случаев это время измеряется долями секунды – что называется, и моргнуть не успеешь. В цифровых зеркальных камерах, как и в пленочных, затвор представляет собой две непрозрачные шторки, закрывающих сенсор. Из-за этих шторок в цифровых зеркалках невозможно визирование по дисплею – ведь матрица закрыта и не может передавать изображение на дисплей.

В компактных камерах матрица не закрыта затвором, и поэтому можно компоновать кадр по дисплею

Когда кнопка спуска нажата, шторки приводятся в движение пружинам или электромагнитами, открывается доступ свету, и на сенсоре формируется изображение – так работает механический затвор. Но в цифровых камерах бывают еще и электронные затворы – они используются в компактных фотоаппаратах. Электронный затвор, в отличие от механического, нельзя пощупать руками, он, в общем-то, виртуален. Матрица компактных камер всегда открыта (именно потому и можно компоновать кадр, глядя на дисплей, а не в видоискатель), когда же нажимается кнопка спуска, кадр экспонируется в течение указанного времени выдержки, а затем записывается в память. Благодаря тому что у электронных затворов нет шторок, выдержки у них могут быть ультракороткими.

Наведем фокус

Как уже говорилось выше, часто для автофокусировки используется сама матрица. Вообще же, автофокусировка бывает двух типов – активная и пассивная.

Для активной автофокусировки камере нужны передатчик и приемник, работающие в инфракрасной области или с ультразвуком. Ультразвуковая система измеряет расстояние до объекта по методу эхолокации отраженного сигнала. Пассивная фокусировка осуществляется по методу оценки контраста. В некоторых профессиональных камерах сочетаются оба типа фокусировки.

В принципе, для фокусировки может использоваться вся площадь матрицы, и это позволяет производителям размещать на ней десятки фокусировочных зон, а также использовать «плавающую» точку фокуса, которую пользователь сам может разместить где ему угодно.

Борьба с искажениями

Именно объектив формирует на матрице изображение. Объектив состоит из нескольких линз – из трех и более. Одна линза не может создать совершенное изображение – по краям оно будет искажаться (это называется аберрациями). Грубо говоря, пучок света должен идти прямо на сенсор, не рассеиваясь по пути. В какой-то мере этому способствует диафрагма – круглая пластинка с дыркой посередине, состоящая из нескольких лепестков. Но сильно закрывать диафрагму нельзя – из-за этого уменьшается количество света, попадающее на сенсор (что и используется при определении нужной экспозиции). Если же собрать последовательно несколько линз с различными характеристиками, искажения, даваемые ими вместе, будут гораздо меньше, чем аберрации каждой из них по отдельности. Чем больше линз – тем меньше аберрации и тем меньше света попадает на сенсор. Ведь стекло, каким бы прозрачным оно нам ни казалось, не пропускает весь свет – какая-то часть рассеивается, что-то отражается. Чтобы линзы пропускали как можно больше света, на них наносят специальное просветляющее напыление. Если посмотреть на объектив камеры, будет видно, что поверхность линзы переливается радугой – это и есть просветляющее напыление.

Линзы располагаются внутри объектива примерно таким образом

Одна из характеристик объектива – светосила, значение максимально открытой диафрагмы. Она указывается на объективе, например, так: 28/2, где 28 – фокусное расстояние, а 2 – светосила. Для зум-объектива маркировка выглядит так: 14-45/3,5-5,8. Два значения светосилы указываются для зумов, поскольку в широкоугольном и в телеположении у них разные минимальные значения диафрагмы. То есть на разных фокусных расстояниях светосила будет разной.

Фокусное расстояние, которое указывают на всех объективах – это расстояние от передней линзы до светоприемника (в данном случае, матрицы). От фокусного расстояния зависит угол обзора объектива и его, так сказать, дальнобойность, то есть как далеко он «видит». Широкоугольные объективы отдаляют изображение относительно нашего обычного видения, а телеобъективы – приближают, и у них маленький угол обзора.

Угол обзора объектива зависит не только от его фокусного расстояния, но и от диагонали светоприемника. Для 35 мм пленочных камер нормальным (то есть примерно соответствующим углу обзора человеческого глаза) считается объектив с фокусным расстоянием 50 мм. Объективы с меньшим фокусным расстоянием – «широкоугольники», с большим – «телевики».

Левая часть нижней надписи на объективе – фокусное расстояние зума, правая часть - светосила

Здесь и кроется проблема, из-за которой рядом с фокусным расстоянием объектива цифровика часто указывают его эквивалент для 35 мм. Диагональ матрицы меньше диагонали 35 мм кадра, и поэтому приходится «переводить» цифры в более привычный эквивалент. Из-за этого же увеличения фокусного расстояния в зеркальных камерах с «пленочными» объективами становится почти невозможна широкоугольная съемка. Объектив с фокусным расстоянием 18 мм для пленочной камеры – суперширокоугольный, но для цифрового фотоаппарата его эквивалентное фокусное расстояние будет около 30 мм, а то и больше. Что касается телеобъективов, то увеличение их «дальнобойности» только на руку фотографам, ведь обычный объектив с фокусным расстоянием, скажем, 400 мм, стоит довольно дорого.

Видоискатель

В пленочных камерах компоновать кадр можно только пользуясь видоискателем. Цифровые же позволяют вовсе забыть о нем, поскольку в большинстве моделей для этого удобнее использовать дисплей. В некоторых очень компактных камерах видоискателя вовсе нет – просто из-за того, что нет для него места.

Самое важное в видоискателе – что через него можно увидеть. Например, зеркальные камеры так называются как раз из-за особенностей конструкции видоискателя. Изображение через объектив посредством системы зеркал передается в видоискатель, и таким образом фотограф видит реальную площадь кадра. Во время съемки, когда открывается затвор, загораживающее его зеркало поднимается и пропускает свет на чувствительный сенсор. Такие конструкции, конечно, отлично справляются со своими задачами, но занимают довольно много места и потому совершенно неприменимы в компактных камерах.

Вот так изображение через систему зеркал попадает в видоискатель зеркальной камеры

В компактных камерах применяют оптические видоискатели реального видения. Это, грубо говоря, сквозное отверстие в корпусе камеры. Такой видоискатель не занимает много места, но обзор его не соответствует тому, что «видит» объектив.

Еще есть псевдозеркальные камеры с электронными видоискателями. В таких видоискателях установлен маленьких дисплей, изображение на который передается непосредственно с матрицы – точно так же, как и на внешний дисплей.

Вспышка

Вспышка, импульсный источник света, используется, как известно, для подсветки там, где основного освещения недостаточно. Встроенные вспышки обычно не очень мощные, но их импульса хватает, чтобы осветить передний план. На полупрофессиональных и профессиональных камерах есть еще контакт для подключения гораздо более мощной внешней вспышки, он называется «горячий башмак».

Это, в общем, основные элементы и принципы работы цифровой камеры. Согласитесь, когда знаешь, как устройство работает, легче добиться качественного результата.