Цифровые фото- и видеокамеры

 

П

очти все профессиональные цифровые фотокамеры выполнены на базе нелинейных ПЗС матриц с глубиной цвета 10 или 12 бит на цветовой канал со светофильтрами, препятствующими эффекту сатурации. Эти ПХ матрицы, как правило, изготовлены по технологии «Full-frame» с элементами квадратной формы и реализуют _{алгоритм «Frame after Frame». В полупрофессиональных и бытовых камерах используются более дешевые 24- битные RGB ПЗС матрицы (лишь по 8 бит на цветовой канал). Обычно, в бытовых камерах используются линейные матрицы с элементами эллипсоидной формы, а в полупрофессиональных как линейные, так и нелинейные ПЗС матрицы с элементами квадратной формы. Иногда производители используют более качественные, нелинейные ПХ матрицы и в бытовых камерах. Еще год назад можно было четко сказать: «профессиональные камеры имеют высокое разрешение (от 1024 х 1280 точек до 2008 х 3040 точек), а остальные низкое (от 640 х 480 точек до 1280 х 960), то сегодня это уже не так актуально. Сейчас, полупрофессиональные и бытовые цифровые фотокамеры имеют разрешение матриц от 1,3 миллиона точек до 2,5 миллиона точек и разрешение кадров до 3,3 миллиона точек, а профессиональные от 1,5 миллиона точек до 10 миллионов точек. Поэтому, при выборе камеры исходите из реально необходимого для решения ваших задач разрешения ПЗС матрицы. Зачем вам камера на 2,11 миллиона точек, если Вы хотите разместить свой туристический фотоальбом в Интернете, Вам будет достаточно для этой цели всего лишь 1,3 миллиона точек.}

Традиционно профессионалы (фотохудожники, репортеры, полиграфисты, рекламные и дизайнерские студии) для работы с оцифрованным изображением используют широкий не компрессионный формат хранения графической информации TIFF позволяющий работать с 30-ти, 32-х или с 36-ти разрядными CMYK изображениями формата не менее А4 и плотностью изображения 300 х 300 точек на дюйм. Именно этим требованиями и обусловлена высокая разрядность ПЗС матриц профессиональных камер. Профессионал должен получить готовый TIFF файл. Поэтому все профессиональные камеры сохраняют изображение в формате TIFF и только некоторые из них имеют возможность работать с компрессионными форматами типа JPEG.

Бытовые же камеры наоборот, работают только с компрессионными форматами JPEG или FlashPix, т.к. для рядового пользователя очень важно сохранить максимальное количество кадров в минимальном объеме памяти камеры. Полупрофессиональные камеры используют в качестве формата записи изображений как компрессионные форматы JPEG, FlashPix, так и не компрессионные форматы TIFF или BMP. Из кадра, полученного полупрофессиональной камерой, вы без труда сможете получить CMYK изображение с плотностью 300 х 300 точек на дюйм размером 10 х 15 см, и использовать его в профессиональных полиграфических работах.

2. Оптика.

На профессиональную цифровую фотокамеру Вы сможете установить свой любимый объектив с Вашей пленочной зеркальной камеры, будь то Nikkor, Canon или Sigma. Бытовые и полупрофессиональные фотокамеры конструктивно устроены так, что невозможно поменять установленную производителем оптическую систему. Поэтому, для улучшения качества съемки, производители камер оснащают бытовые и полупрофессиональные цифровые фото камеры оптическими и цифровыми "Zoom" системами. Уже стало традиционно, что цифровая фото камера имеет комбинированную "Zoom" систему, например: 2-х кратный цифровой умножитель плюс 3-х кратный оптический или 2,5 кратный цифровой плюс 2-х кратный оптический и т.д. Некоторые камеры, например камеры Sony, оснащены мощными 10 или даже 14 кратными оптическими "Zoom" системами. Самые простые бытовые камеры имеет лишь цифровой умножитель или вообще его не имеют ни какого. В полупрофессиональных цифровых фотокамерах конструктивно предусмотрена установка на оптическую систему дополнительных преобразовательных линз для макро, теле-фото или панорамной съемки.

3. Функциональность.

Профессиональные цифровые фотокамеры производятся на базе широко известных корпусов профессиональных зеркальных 35 мм пленочных репортажных камер и 4х5 студийных фотокамер, таких как: Nikon, Canon, Mamiya, Hasselblad, Sinar, Toyo, Area Swiss и т.д. Другими словами производители профессиональных фотокамер берут популярные зеркальные фотокамеры, «удаляют все ненужное» оставляя механический затвор, начиняют их ПЗС матрицей вместе со «всякой» электроникой, что позволяет сохранить все профессиональные, ручные и автоматические, функции вышеперечисленных фотокамер и

удовлетворить требования взыскательным профессионалов фотодела. Некоторые производители производят и оригинальные профессиональные фотокамеры на базе собственных корпусов фотокамер и дизайнерских решений. Бытовые цифровые фотокамеры максимально автоматизированы и адаптированы к рядовому пользователю. Фактически надо только нажать кнопку и готово. Большинство камер этого класса "Focus Free" (свободная Фокусировка).

Полупрофессиональные цифровые фотокамеры тоже максимально автоматизированы, но они в обязательном порядке имеет ручные режимы настройки. Для этого класса цифровых фотокамер обязательно наличие таких функций как: пошаговый многоступенчатый Auto Focus (автоматический фокус) с возможностью выбора режима съемки: макро-, телефото или панорама, а так же преобразовательные линзы; ручные режимы выбора экспозиции, ручной баланс белого цвета, расширенный диапазон скоростей электронной диафрагмы (от 16 секунд до 1/10000 секунды) с ручной настойкой и так далее.

 Из-за большого размера  получаемых изображений от 3,5МВ  до 15МВ, профессиональные камеры  оснащены SCSI интерфейсом или интерфейсом  IEEE 1394. Полупрофессиональные и бытовые  цифровые фотокамеры дают кадры  существенно меньшего размера, и как правило оснащены RS232 (RS422) интерфейсом на последовательный порт ПК и телевидео выходом стандарта PAL/NTSC, некоторые из них дополнительно оснащены USB интерфейсом и инфракрасным портом IrDA 1.0 Носителем информации для профессиональных камер являются PCMCIA карты 2-го, 3-го типа большой емкости, а так же микродрайвы. Полупрофессиональные и бытовые цифровые фотокамеры в качестве носителя информации используют АТА карты 1-го типа стандарта Compact Flash или интеллектуальные карты SmartMedia, а так же всем известные 3,5' Floppy диски (Sony).

3. Технические характеристики.

1. Структурная схема .

Ни одна из самых  совершенных систем анализа изображений  не заменит квалифицированного исследователя. Это связано с тем, что современная  наука не может создать аппаратуру, характеристики которой приближались бы к характеристикам человеческого глаза и которая могла бы заменить человеческий мозг. Вместе с тем системы анализа и обработки изображений, бурно развивающиеся в последние десятилетия, позволяют при участии квалифицированного исследователя на порядки увеличить производительность труда и оперативно получать результаты высокого качества.

Любая современная  система анализа изображений  включает в себя три сопряженных  между собой блока. Во-первых, это  оптическое устройство, формирующее  изображение, такое как стереомикроскоп или микроскоп. Второй блок - блок передачи и хранения информации, включающий в себя видеокамеру, цифровую фотокамеру или сканер, подключенные к компьютеру. Тип решаемых задач, особенности обработки и форма представления результатов определяет третий компонент системы – ЭВМ и установленное на ней программное обеспечение. При этом блоки должны быть согласованны между собой так, чтобы изображение, сформированное микроскопом или другим прибором, в процессе его передачи на компьютер и последующей обработки испытывало минимальные искажения.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 3.1 – Структурная схема системы  автоматического анализа изображений.

Видеокамера, фотокамера, видеобластер и сканер (в системе может использоваться либо подсистема “фотокамера-сканер”  либо подсистема “видеокамера-видеобластер”) являются важными составляющими частями системы и предназначены сохранить и передать полученное от микроскопа изображение с минимальными искажениями в ЭВМ. Естественно чем выше разрешение и чувствительность камеры, а также разрешение видеобластера или сканера, тем более полно изображение, которое они формируют, соответствует оригиналу.

Необходимая разрешающая способность видеокамеры  определяется размерами исследуемых  объектов изображения. При минимальном  линейном размере элемента анализируемого изображения l (мм) разрешение видеокамеры должно быть не менее 1*5/l*e (пикселей на мм) при условии, что для однозначного распознавания объекта изображения на него должно приходиться не менее пяти пикселей разрешения видеокамеры.

Компьютер и установленное на нем программное  обеспечение должны обеспечивать передачу и обработку оцифрованного изображения  в реальном масштабе времени с  минимальными искажениями.

Разрешающая способность и другие характеристики монитора, вплоть до размера экрана, соответствуют устанавливаемой  видеокамере и задачам для  решения которых используется система.

Принцип работы системы состоит в следующем: изображение снимается с объекта, так как отражение и поглощение света для различных фаз, вследствие наличия особенностей в химическом составе, различное, то в результате получается полутоновое изображение; полученное изображение передается видеокамерой в персональный компьютер, который под управлением специально разработанного программного обеспечения осуществляет автоматический или полуавтоматический анализ полученного изображения.

2. Обзор методов цифровой обработки изображений.

Предварительный анализ изображений  позволяет сделать вывод о том, что:

• Во-первых, большинство изображений, в процессе их формирования (фотографирования сканирования и т.д.), подвергаются влиянию ряда негативных факторов (вибрация фотокамеры, неравномерность движения сканирующего элемента и т.д.), приводящих к смазанности, появлению малоконтрастных и зашумленных участков и т.д.
• во-вторых, подавляющее большинство методов основано на выделении объектов на изображении и дальнейшем их анализе.

Таким образом, прежде чем подвергнуться  анализу, изображение должно пройти этап препарирования, который состоит в выполнении операций улучшения визуального качества (повышение контраста, устранение размытости, подчеркивание границ, фильтрация) и операций формирования графического препарата (сегментация, выделение контуров) изображения.

Изменение контраста. Слабый контраст обычно вызван малым динамическим диапазоном изменения яркости, либо сильной нелинейностью в передаче уровней яркости. Простейшим методом контрастирования является функциональное отображение градации яркости f_ij в g_ij, то есть g_ij = R(f_ij). На практике очень часто используют линейные функциональные отображения. Если в результате неравномерности освещения при фотографировании или изготовлении фотографий, возникает ситуация, когда различные участки изображения обладают разным контрастом. В таком случае для изменения контраста используют адаптивные алгоритмы контрастирования. Примером может служить алгоритм локального усиления контраста. Экспериментальные исследования подтвердили высокую эффективность работы алгоритма в том случае, если на снимке присутствуют области с явно завышенным или заниженным контрастами.

Суть алгоритма состоит в  том, что снимок рассматривается  как набор некоторого числа локальных  областей, и эти области обрабатываются с учетом их характеристик. Обработка ведется в следующей последовательности: вычисляется коэффициент усиления срезов плотности р отдельно для каждого локального участка изображения. И осуществляется обработка каждого пикселя изображения. Если р равно единице, то над локальным участком изображения никакого действия не производится (если р отлично от единицы, то осуществляется повышение контраста локальной области). Первоначально вычисляется контраст в анализируемой точке относительно ближайшей окрестности. Затем значение относительного контраста складывается с единицей, и полученное значение принимается в алгоритме как коэффициент усиления p, а далее производится вычисление по формуле L_i^{`</sup> = p*L<sub>i</sub> – int(p*L<sub>i</sub>/L<sup>`}_max)*L^{`</sup><sub>max</sub>, где L<sup>`}_i - новое значение яркости, L_i - текущая яркость обрабатываемого изображения, L^`_max - необходимое максимальное значение яркости обработанного изображения.

Сглаживание шумов. Изображения на этапе оцифровки подвергаются воздействию аддитивного и импульсного шума. Аддитивный шум представляет собой некоторый случайный сигнал, который прибавляется к полезному на выходе системы, в рассматриваемом случае аддитивный шум возникает вследствие зернистости пленки. Импульсный шум, в отличие от аддитивного, характеризуется воздействием на полезный сигнал лишь в отдельных случайных точках (значение результирующего сигнала в этих точках принимает случайное значение). Импульсный шум характерен для цифровых систем передачи и хранения изображений. Таким образом, в процессе препарирования изображения возникает задача подавления шума.

Простейшим методом, сглаживающим шум, на изображении является сглаживание, т.е. замена значения яркости каждого элемента средним значением, найденным по его окрестности: f_ij = (1/p)*S_k,l(fkl), где f_kl Î S₈(f_ij) — множество точек, принадлежащих окрестности точки f_ij (включая и саму точку f_ij); p — число точек в окрестности.