Опубликован: 26.05.2010 | Доступ: свободный | Студентов: 1593 / 256 | Оценка: 4.42 / 4.25 | Длительность: 56:51:00
ISBN: 978-5-9963-0124-9
Специальности: Разработчик аппаратуры
Лекция 11:

Цифровые фотоаппараты и видеокамеры, тепловизоры, дактилоскопические сенсоры

Аннотация: Описаны примеры современных интеллектуальных электрических сенсоров: цифровых фотоаппаратов, цифровых камер видеозаписи и видеонаблюдения в видимом и инфракрасном свете, цифровых тепловизоров и дактилоскопических сенсоров, которые считаются настоящими чудесами современной техники.

Цель лекции: привести убедительные примеры достижений в области интеллектуальных электрических сенсоров. В частности, ознакомить слушателей с устройством, принципами работы и возможностями современных цифровых фотоаппаратов, цифровых видеокамер, камер видеонаблюдения. Объяснить принципы действия и устройство современных цифровых тепловизоров и дактилоскопических сенсоров, ознакомить с их многочисленными полезными применениями.

11.1. Цифровые фотоаппараты

Широко известными интеллектуальными электрическими сенсорами являются цифровые фотоаппараты. Изображение снимаемого объекта проектируется в них с помощью фотообъектива не на фотопленку, как это было в течение предыдущих веков, а на светочувствительную ПЗС или КМДП матрицу. Встроенный микропроцессор организует считывание информации из светочувствительной матрицы, преобразование считанной информации в цифровую форму, запоминание. А, когда это требуется пользователю, то производится быстрая перезапись видеоинформации на внешний компьютер, где полученное изображение может быть воспроизведено на мониторе или распечатано на цветном принтере. Микропроцессор может обеспечивать также автоматическое регулирование диафрагмы и экспозиции, включение дополнительных источников света в случае недостаточной освещенности, автоматическую наводку на резкость, корректирование полученного изображения и другие сервисные функции.

Для иллюстрации на рис. 11.1 показан внешний вид одного из современных цифровых фотоаппаратов высшего класса – "полупрофессиональной" зеркальной камеры EOS 20D фирмы Canon. По своим возможностям она уже превзошла все фотопленочные зеркальные камеры высочайшего класса. Светочувствительная КМОП матрица состоит из 8,5 млн. пикселей и имеет размер чувствительной поверхности 22,5x15 мм. Перед каждым чувствительным элементом установлена своя высококачественная микролинза, которая в несколько раз увеличивает световой поток и повышает качество изображения.

Цифровой фотоаппарат EOS 20D фирмы Canon

Рис. 11.1. Цифровой фотоаппарат EOS 20D фирмы Canon

Сменные фотообъективы обеспечивают разрешающую способность камеры 1752x1168 точек (наименьшая), 2544x1696 (средняя) и 3504x2336 (самая высокая). Встроенный микропроцессор DIGIC и пакет микропрограмм Digital Photo Professional обеспечивают высокую скорость обработки данных, точность передачи цветов, малое время подготовки камеры к съемкам, возможность съемок до 5 кадров за секунду при высочайшем качестве и до 23 кадров/с в серийных съемках при меньшем качестве. Автоматическая фокусировка возможна одновременно по 7-9 точкам, которые выбираются программой или указаны пользователем. Оптимальная световая экспозиция тоже вычисляется автоматически с усреднением по всем точкам фокусировки или по указанной пользователем приоритетной точке. Полученное изображение автоматически выводится на встроенный цветной жидкокристаллический дисплей из 118 тыс. пикселей. Программный пакет позволяет редактировать изображения: регулировать динамический диапазон, баланс белого, цветовой тон, осуществлять компенсацию экспозиций, преобразование данных в разные видеоформаты (RAW, TIFF, JPEG) и т.д. Обеспечиваются автоматическое управление фотовспышкой, которое учитывает фактическую освещенность и расстояние до объекта, автоматическая фиксация даты и времени съемки и т.п. Имеется и возможность автоспуска через заданный пользователем интервал времени или от дистанционного электронного пультика. Размеры фотоаппарата EOS 20D – 144x105,5x71,5 мм, масса 685 г. Объем памяти, требуемый для одного фотоснимка высочайшего качества (3504x2336) в самом компактном формате, составляет 3,6 Мб. Поэтому для хранения десятков фотоснимков используют карты памяти на сотни мегабайт.

Еще более высокую разрешающую способность имеет цифровой фотоаппарат той же фирмы CANON EOS 5D: 13,3 млн. пикселей с фотокадрами 4368x2912 элементов. Им можно управлять с удаленного компьютера, причем практически всю съемку фотоаппарат выполняет автоматически. Заложена и функция активной фокусировки в темноте. Для этого встроенный в камеру светодиод излучает короткие импульсы инфракрасного света, чувствительный к этому свету элемент воспринимает отраженный свет, по времени запаздывания отраженного сигнала автоматически определяется расстояние до объекта съемки и вычисляется расстояние от объектива до матрицы, необходимое для точной фокусировки.

На рис. 11.2 показан один из цифровых мини-фотоаппаратов марки Genius G-Shot P611 массой всего лишь 82 г. Несмотря на маленькие размеры и массу, он имеет разрешающую способность 2032x1520 элементов, встроенный цветной жидкокристаллический дисплей на 61,6 тыс. пикселей (показан справа), память на 16 Мб, которая может быть расширена за счет дополнительных карт памяти, а также возможность записи коротких видеороликов.

Цифровой мини-фотоаппарат  Genius G-Shot P611

Рис. 11.2. Цифровой мини-фотоаппарат Genius G-Shot P611

Если при съемке на фотопленку для того, чтобы увидеть результат, надо было эту пленку химически проявить, высушить, а потом изготовить фотографии, то при съемке цифровым фотоаппаратом результат можно увидеть сразу. При съемке на фотопленку исправить неудачный результат было проблематично, а часто и совсем невозможно. При пользовании цифровым фотоаппаратом неудачный результат можно исправить на месте, не отходя от объекта съёмки.

Фотоснимок, сделанный цифровым фотоаппаратом в Киеве, можно менее чем за полчаса увидеть в Берлине, Лондоне, Северной Америке, Австралии, если переслать соответствующий цифровой файл через сеть Интернет.

Цифровая фотография и экономически выгодна. Не надо тратиться на фотопленку и ее химическую обработку. Бракованные кадры немедленно можно стереть. Одну и ту же карту памяти можно использовать тысячи раз. Она значительно удобней, компактней, надёжней для хранения, чем экспонированные фотопленки.

11.2. Цифровые видеокамеры

Еще одним чудом современной техники и одновременно видом интеллектуальных электрических сенсоров являются цифровые видеокамеры – сенсоры для восприятия динамически изменяющихся изображений, для преобразования их в последовательности видеосигналов с целью последующего хранения, передачи, обработки и воспроизведения на экране. Поскольку изменения визуальных картин могут происходить очень быстро, то задачи, которые надо здесь решать, значительно сложнее, чем в случае цифровых фотоаппаратов. Если там экспозиция одного кадра может длиться до 1 с и более, то в видеокамере на это отводится не больше 20 мс, а желательно и значительно меньше. Поэтому светочувствительные матрицы и организация считывания и обработки полученных сигналов должны иметь здесь значительно более высокое быстродействие.

Значительно выше становятся здесь и требования к объему встроенной памяти. Если в цифровых фотоаппаратах достаточно объема памяти в десятки-сотни мегабайт, то в видеокамерах, где каждую секунду надо фиксировать несколько десятков кадров, речь идет уже о гигабайтах памяти.

На рис. 11.3 слева показан внешний вид одной из типичных представительниц таких сенсоров – видеокамеры SONY DCR-VX2100E.

Слева – видеокамера SONY DCR-VX2100E; справа – "карманная" видеокамера

Рис. 11.3. Слева – видеокамера SONY DCR-VX2100E; справа – "карманная" видеокамера

Она считается "полупрофессиональной", т.е. предназначена как для специалистов, так и для широкого круга опытных любителей. Светочувствительными элементами в ней являются матрицы ПЗС на 400 тыс. пикселей. Изображение на чувствительной поверхности матрицы формируется высококачественным объективом Carl Zeiss Vario-Sonnar. Его светосилы хватает для работы даже при освещенности лишь в 1 люкс. Встроенный микрокомпьютер не только организует все процессы покадрового считывания информации из матриц ПЗС, ее аналого-цифрового преобразования и кодирования в стандартном формате, параллельной цифровой записи звуковых сигналов, фиксации записи на жесткий диск или CD, видеокассету или на карты памяти. Он может также выполнять автоматическую фокусировку изображения, регулирование световой экспозиции, оптическую стабилизацию изображения. Микрокомпьютер обеспечивает также возможность вывода полученной видеоинформации на встроенный цветной жидкокристаллический экран с 5 миллионами пикселей, двустороннюю связь с внешней сетью по стандарту iLINK DV. Основной корпус видеокамеры имеет массу 1,5 кг и габаритные размеры 120x159x393 мм. При питании от аккумулятора NP-F960 его ресурса хватает на 9 часов автономной работы.

На рис. 11.3 справа показана миниатюрная ("карманная") видеокамера Panasonic SDR-S150. Размером 80x50x97 мм и массой 240 г, она вмещается на ладони и вместе с тем имеет систему из трех светочувствительных матриц на 800 тыс. пикселей каждая, автофокусировку, оптический стабилизатор изображения, автоматическую коррекцию белого, встроенный цветной жидкокристаллический дисплей на 210 тыс. пикселей. Карты памяти SDHC на 4 Гбайта хватает для высококачественной видеозаписи продолжительностью до 50 мин.

А "на очереди" уже цифровые видеокамеры с Х3 светочувствительными матрицами (см. "Сенсоры на полевых транзисторах и на приборах с отрицательной ВАХ. Газоразрядные сенсоры" , п. 10.1.5). Если для обработки одного цветного пикселя в "обычных" матрицах микропроцессор должен выполнить порядка 100 вычислительных операций, то здесь – значительно меньше. Это позволяет существенно повысить скорость обработки изображений, снизить затраты энергии аккумуляторов, повысить качество "гибридных" цифровых камер, которые объединяют в себе цифровой фотоаппарат и видеокамеру одновременно. Такое объединение имелось иногда и ранее, но цифровые фотоаппараты не могут обеспечить приемлемое качество видеофильмов, а видеокамеры позволяли получать лишь посредственные фотоснимки.

Еще одно преимущество, которое дают Х3 светочувствительные матрицы, это возможность в случае необходимости "на ходу" повышать свою чувствительность за счет объединения групп отдельных пикселей (2x2, 3x3, 4x4 и так далее) в "большие" искусственные пиксели. Чувствительность при этом будет возрастать в 4, 9, 16 раз соответственно, а разрешающая способность или размеры снимка будут уменьшаться лишь в 2, 3, 4 раза.