facebook
twitter
vk
instagram
linkedin
google+
tumblr
akademia
youtube
skype
mendeley
Global international scientific
analytical project
GISAP
GISAP logotip
Перевод страницы
 

АНАЛИТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИКО-ФОТОЭЛЕКТРОННОЙ ЗАПИСИ-ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ ИЗОБРАЖЕНИЙ

АНАЛИТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИКО-ФОТОЭЛЕКТРОННОЙ ЗАПИСИ-ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ ИЗОБРАЖЕНИЙАНАЛИТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ОПТИКО-ФОТОЭЛЕКТРОННОЙ ЗАПИСИ-ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ ИЗОБРАЖЕНИЙ
Yevgeniy Travnikov, кандидат технических наук, доцент

Участник первенства: Национальное первенство по научной аналитике - "Украина";

УДК 681.3.06. ББК 32.844.К90

В статье рассматриваются вопросы аналитического исследования оптико-электронной записи-воспроизведения информации ,широко применяемой сейчас в цифровых фотоаппаратах, видеокамерах сканерах всевозможных конструкций.

Ключевые слова: Цифровые регистраторы изображений.

The article discusses the analytical study of optical-electronic records-Voz works, now widely used in digital cameras, camcorders, scanners of various designs.

Keywords: digital images.

Оптико-электронная информации регистрация,
Как звезды симбиоза старого и нового иллюстрация!
ЕНИТ, ХХ век

 

Оптико-фотоэлектронная запись-воспроизведение информации изображений нашла широкое применение в цифровых фотоаппаратах, видеокамерах, различных систем сканеров и др. К изображениям относится все, что видит глаз. Изображения могут быть в прямом свете (солнце), а все остальное- в отраженном : машины, сооружения, предметы, природа, печатная продукция (книги, журналы, газеты, этикетки на продукцию, деньги, плакаты, афиши и др.), фотографии и другое.

Устройство Название это произошло вследствие первого по технологии регистрации оптического элемента- объектива, подающего сфокусированное изображение объекта съемки на фотоэлектронный элемент (ПЗС), прео-разующий световой поток в электронно-оптическом преобразователе (ЭОП) в цифровой электрческий сигнал. Часть устройств оптико-фотоэлектронной регистрации информации имеет движущие механизмы (сканеры), а часть их почти не имеет (фотоаппараты). Объектив - является одним из главных во всех системах регистрации и выполняет функции формирования уменьшенного и сфокусирован-ного изображения на поверхности светочувствительного ЭОП. Вторая важная составляющая часть уст ройств регистрации изображений является ЭОП в виде светочувствительного полупроводникового прибора зарядовой связи ПЗС, выполняющего преобразования сфокусированного сета от объектива в электрический сигнал. Третья составляющая часть устройств регистрации является полупроводниковая память (хранилище) отснятых изображений, именуемая как флэш-память. В обычных не цифровых фотоаппаратах и видеокамерах это является фотопленка, видео пленка, различные диски. Упрощённо это ясно представлено на рис.1. Объективом может быть в общем виде как классическое оптической устройство цилиндрической формы (рис.2,а), так и выполненное в виде плоской прямоугольной пластины (рис.2,б), так называемые линейные объективы Первое исполнение характерно для цифровых фотоаппаратов и видеокамер, а второе- для сканеров.

Приборы зарядовой памя-ти (ПЗС) могут бытьпрямоугольной формы с соотношением сторон светочувствительной поверхности 3:4 для цифровыхфото и видеокамер (рис.3,а) и удлиненной формы с соотношением сторон 10:1 (рис.3,б) для сканеров. Основная характеристика ПЗС- разрешающая способность, выражаема в пикселях- точках изображения, имеющих две характеристики- цвет и яркость. Мегапиксел-миллион точек, используемых как характеристика разрешающей способности ЭОП. Произведение количества точек по вертикали и горизонтали, поделенное на миллион, дает величину их разрешения в мегапикселях. Например, разрешение двухмегапиксельной матрицы-1600х1200. Для хранения снятых изображений в цифровых фото и видеокамерах используется специальный съемный компактный носитель информации так называемый флэш-память. Это многослойная микросхема памяти, к4оторая может хранить информацию в цифровом виде. Особенностью флэш-памяти является то, что она может хранить информацию без источника питания. Микросхемы флэш-памяти устанавливаются у корпус с разъемом для подключения к цифровому устройству и через адаптер к компьютеру. Такой блок называется картой памяти.

Карты памяти потребляют мало энергии, занимают мало места и очень удобны в использовании. По своему устройству и принципу действия флэш-память аналогична ПЗС матрице. Карты памяти не имеют в своем составе движущих частей, что обеспечивает высокую сохранность данных, а также надежность. Срок хранения информации на карте составляет 100 лет. Обычно цифровые фото-аппараты комплектуются картами памяти емкостью 8-64 Мбайт. Использование карты памяти емкости 64 Мбайт позволяет хранить в памяти 8-12 снимков без сжатия или до 80 снимков с минимальным сжатием или 160-200 снимков среднего качества или около тысячи снимков с наименьшим качеством. Компакт флэш –карты- лидирующий в настоящее время тип носителя, который можно встретить в большинстве новых фотоаппаратов (рис.4). Цифровые фотоаппарты (камеры). Они предназначены для съемки неподвижных изоб-ражений: природы, встречь, торжеств, приборов, конференций, выхваченной динамики (спорта) . Любой фотоаппарат можно разделить на три части. Первая из них- оптическая система, состоящая из объектива и затвора. Вторая часть- это регистратор изображе-ния ПЗС. Третья часть предназначена для хранения отснятых кадров. Для регистрации изображения используется электронно-оптический преобразователь (ПЗС), а для хранения- флэш-память. Как во всех оптико-фотоэлектронных устройствах регистрации информации цифровые фотоаппараты содержат аналого-цифровой преобразователь (АЦП)- блок оцифровки (рис.5).

Как обычно, свет от объекта съемки попадает в камеру через объектив. За объективом установлен затвор, определяющий длительность воздействия свет на фотоматрицу ( ПЗ. В цифровых фотоаппаратах могут быть установлены затворы двух типов: 1- электронный затвор- в этом случае фотоматрица включается с помощью электронного реле времени и отрабатывает необходимую выдержку,2- эле- ктромеханический затвор- этот затвор по конструкции аналогичен затворам пленочных фотоаппа-ратов, но управляет им электронное устройство. За затвором размещена фотоматрица (ПЗС), преоб-разующая изображение объекта съемки в электрический сигнал. Сигналы с фотоматрицы поступают в достаточно мощный управляющий процессор, где происходит управление экспозиционной фокусировкой объектива, преобразование сигналов с помощью аналого-цифрового преобразова-теля (АЦП) в цифровую форму, формирование файла и сжатие изображения, передача отснятого изображения на съемный накопитель информации- карту памяти (флэш-патяти). Устройство цифро-вого фотоаппарата приведено на рис.6. По конструкции, габаритным размерам и массе цифровые фото-аппараты могут иметь отличия и различные эксплуатационные характеристики (рис.7). Есть среди них сверхмалогабаритные, разные размеру спичечной коробке (рис.7,а), средние (рис.7,б) и очень сложные навороченные (рис.7,в). Первые иногда называют образно как «шпионские», сред-ние имеют максимальное распространение, доступное для многих и доступную цену, третьи- отно- сят к профессиональным со сменными объективами и другими наворотами, имеют отличное качество съемки, но и соответственно высокую цену. Цифровые фотоаппараты как обычные могут быть двух систем: дальномерные и зеркальные.

Простые фотоэлектронные обычно имеют дальномерную настройку на резкость, а средние и сложные имеют только зеркальную настройку на резкость и точный выбор сюжета съемки. Причем, как и обычные фотоаппарты они могут электромеханический затвор с прыгающим зеркалом (рис.8,а) или полностью электронный затвор (рис.8,б). По конструктивному исполнению цифровые фотоаппараты могут быть простыми не зеркальными «мыльницами» (рис.9,а) и зеркальными средними и супер зеркальными (рис. 9,б).

Цифровые видео и телевизионные камеры. Они предназначены для съемки подвижных изображений, т.е. ,что происходит в динамике: спортивных состязаний, запусков космических объектов, военных учений, демонстраций, военных действий в горячих точках, отдыха на природе, учебу и многое другое. Кроме того, ими можно снимать выборочно одиночные понравившиеся кадры. Прежде разберемся с терминологией.

Телевизионная камера - это устройство для преобразования изображе-ния (светового сигнала) в электрический, потом может быть подан на видеомагнитофон или по пере- датчику через эфир нужному потребителю (телецентру и др.) (рис.10,в).

Видеомагнитофон – устройство для записи-воспроизведения записанного электрического сигнала от телекамеры, причем оно может быть на ленточном, дисковом или твердотельном носителе информации (последнее сейчас преимущественно)(рис. 10,б).

Видеокамера- это соединение разъемное (рис.10,а) или неразъемное в одном корпусе телекамеры и видеомагнитофона (рис.10,б). Все бытовые видеокамеры обычно имеют неразъемное соединение телекамеры и видеомагнитофона на ПЗС и флэшпамяти (рис. 11,а). Видеокамеры ко конструктивному исполнению и масса-габаритным показателям различают на ручные (рис.11,а), плечевые (рис.11, б) и штативные (рис.11,в). Первые имеют массу до 1 кг, вторые- до 9-11кг, а третьи- до 100-150кг. Основные функциональные блоки простой видеокамеры представлены на рис.12. Первой составляющей любой видеокамеры является оптический прибор-объектив (1), за которым следует светофильтр (4), далее идёт электронно-оптический преобразователь ПЗС (5),,далее идет декодер (6)- аналого-цифровой преобразователь, блок коррекции цветного сигнала (7),а затем флэш-память- видеомагнитофон (14) и другие вспомогательные блоки: микрофон(11), усилитель звукового сигнала (13) и обязательно аккумуляторный блок питания (13).

Не маловажный вопрос для ручных и плечевых видеокамер является их геометрическая стабилизация положения в пространстве (рис.13). В ручных видеокамерах есть частичная стабилизация, но она не очень эффективна и для плечевых не адекватна. Автор когда-то предложил отличную стабилизацию плечевой видеокамеры (рис.13,а), выполнил различные экспериментальные работы, но развал Союза не поз- волил её внедрить. И вот через 25 лет появились зарубежные конструкции плечевых видеокамер, которые на основе идей «трехточки» автора предложили подобные схемы геометрической стабили- зации (рис. 13,б,в,г). Автор дал классификацию геометрической стабилизации (рис.13,к,е,ж), где «од- ноточка»(рис.13,к) является неустойчивой во всех направлениях видеокамеры ВК (это характерно для ручных ВК), поднятых на высоту съемки оператором (его глаза). «Двухточка» (рис.13,е), характер ная для плечевых видеокамер ВК устойчива только в направлении плечо- объектив, а в других- неус-тойчива. Автор дал для видеокамеры третью точку- на втором (левом) плече оператора с дополни-тельной возможностью управления ВК левой рукой (левшам). Его «трехточка» легла в основу зарубе-ных конструкций, где имеются две точки в левой и правой руках, и одна на плече оператора (рис.13, б, в г.). Автор весьма рад, что основа его идеи «трехточки» сейчас находит применение, но пионером он является на много лет вперед. Такое не часто бывает!

Сканеры  являются третьим направлением применения оптико-фотоэлектронной регистрации инфо- рмации изображений, очень сейчас распространенной в науке, быту и профессиональной деятельности.

Сканер - это периферийное устройство персонального компьютера (ПК), позволяющее вводить в него оригиналы (образы изображений), представленные в виде текстовых документов, рисунков, фотографий, слайдов, фотопленок, графической информации и объемных предметов. Сканер преобразует подобную информацию в электронную. Сканер - сложное, высокотехнологичное устройство, которое содержит прецизионную оптико-механическую систему. По классификации сканеров руководствуются несколькими критериями: 1. Степенью прозрачности вводимого оригинала изображения. 2. Кинематической схемой механизма сканера. 3. Типом вводимого изображения. 4. Особенностями программного и аппаратного обеспечения. К первым из них относятся непрозрачные оригиналы - фотографии, рисунки страницы документов, газет, журналов, различные механизмы и т.п. Видимое человеческим глазом изображение на непрозрачных оригиналах формируется при от-ражении света. Другая группа представлена прозрачными оригиналами, в которую входят цветные и черно-белые слайды и негативы. Есть также комбинированные устройства, способные сканировать как прозрачные, так и непрозрачные оригиналы. Основной характеристикой сканеров является их разрешающая способность, выраженная в dpi-точках на дюйм или пикселях на дюйм.

В сканерах встречается обозначения типа «9600 х 4800», где первая цифра обозначает оптическое разрешение сканера, вторая- механическое разрешение. Приведенные цифры относят сканер к супер качествен-ным профессиональным приборам, есть обозначения «3200 х 2400»- к высококачественным моде-лям, а есть »2400 х1200»- к бытовым приборам. Автор имеет сканер «9600 х 4800». На основании обобщенной оценки характеристик сканеров эти устройства можно разделить на следующие подгруппы: Ручные сканеры. Страничные (протяжные) сканеры. Планшетные сканеры. Слайд-сканеры. Проекционные сканеры. Барабанные сканеры.

Ручные сканеры - это достаточно простые компактные устройства, предназначенные для сканирования небольших фрагментов изображений (репродукций, фотографий, документов) с невысоким разрешением. Ширина вводимого изображения обычно составляет 100 мм. С помощью ручного сканера невозможно ввести за один проход изображения формата А4.

Страничные сканеры  относятся к числу настольных и часто называюся рулонными. Это компактные сканеры позволяют равномерно протягивать под сканирующим элементом материалы с изображением. Они могут сканировать изображения с рулонов чертежей или отдельных страниц, обладают критичностью к качеству бумаги.

Планшетные сканеры  универсальные устройства, наиболее популярные среди пользователей ПК. Они входят в группу настольных или напольных сканеров и предназначены для обработки текстовых документов, изображений, слайдов, фотопленок, а также для объемных образцов механизмов, приборов и др. Основным отличием планшетных сканеров является то, что сканирующий элемент перемещается относительно изображения с помощью шагового электродвигателя. Для сканирования оригинала необходимо открыть крышку, разместить оригинал на предметном стекле планшета, после чего закрыть крышку. В планшетных сканерах применяются светочувствительные оптико-электронные преобразователи (ПЗС), которые несколько уступают по характеристикам фотоэлектронным умножителям, используемы в барабанных сканерах.

Слайд сканеры - это узкоспециализированные устройства, предназначенные для ввода изображений с прозрачных материалов с высоким разрешением и качеством изображения. В настоящее время планшетные сканеры комплектуются специальными адаптерами для сканирования слайдов и пленок.

Проекционные сканеры - представляют собой настольные или напольные устройства, основной особенностью которых является сканирование образцов трехмерных проекций. Сканирование осуществляется следующим образом. Вводимый документ (прибор) располагается на столе изображением вверх, и над столом на кронштейне находится весь механизм сканирования. При работе перемещается только сканирую-щий элемент- линейка ПЗС. Можно располагать предметы произвольной толщины и объемные предметы.

Барабанные сканеры - представляют собой чисто профессиональные устройства, предназначенные для применения в полиграфии и сканирования крупноформатных изображений. Работа-ют на них специально обученные операторы. Разрешение барабанных сканеров обычно 8000 ppiи доходит до 12000 ppi. Сканеры барабанного типа остаются устройствами считывания изображения, удовлетворяющим самым высоким требованиям по разрешению и качеству. Работа барабанных сканеров базируется на использовании высокочувствительных фотоэлектронных умножителей (ФЭУ), которые позволяют регистрировать световой поток, отраженный от оригинала или пропущенный оригиналом с разделением его на три основные составляющие RGB-цвета. В качестве источника излучения в барабанных сканерах используются ксеноновые или галогенные лампы, излучение ко-торых с помощью волоконной оптики и линзового конденсора фокусируются на малом участке оригинала (рис.14).

Только оригиналы, изготовленные на гибкой основе (бумага , пленка и др.), могут за крепляться на прозрачном барабане липкой лентой. В общем случае может осуществляться сканирование как оригиналов-негативов, так и диапозитивов. При этом возможно считывание в отраженном или проходящем свете. Оригиналы, изготовленные на прозрачной основе , освещаются с внутренней стороны барабана, в то время как оригиналы, выполненные не непрозрачной основе, освещаются с его внешней стороны. Световой поток, пропущенный или отраженный очень маленькой площадкой оригинала, попадает на светочувствительный приемник, который перемещается вдоль быстровращающегося барабана. Свет направляется в систему полупрозрачных зеркал, установленных под углом 450 к световому лучу. На каждом из полупрозрачных зеркал часть светового потока отражается, а часть проходит дальше, попадая на следующее зеркало. Отраженный от зеркал свет проходит красный, зеленый и синий светофильтры, а после этого попадает на один из трех усили-телей светового потока, т.е. ФЭУ.

Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) осуществляют перевод аналогового сигнала в цифровую форму. Четвертый ФЭУ обеспечивает получение сигнала для обеспечения резкого изображения. Фотоэлектронные умножители преобразуют текущие значения яркости светового потока в непрерывно изменяющийся аналоговый электрический сигнал. Такой сигнал квантуется аналого-цифровым преобразователем на дискретное число уровней с помощью операции, называемой «дискретизацией». Чистота сигнала связана с работой электрических цепей, что может приводить к возникновению шумов. Барабанные сканеры имеют вертикальное , горизонтальное и наклонное расположение оси вращения барабанов

Планшетные сканеры как средство самой массовой регистрации изображений среди всех слоев потребителей есть двух наиболее применяемых систем - это CISи CCD, где оригинал располагается на прозрачном стекле- предметном столике (рис. 15.), вдоль которого снизу передвигается каретка с источником света- люминесцентной лампой и сканирующей головкой. Отраженный свет от изображения оригинала попадает через систему зеркал, фокусируется линейным объективом (линза) и попа- дает на электронно-оптический преобразователь ПЗС, затем на аналого-цифровой преобразователь АЦП и запоминается флэш-памятью. Далее он попадает в персональный компьютер ПК. Вся система освещения оригинала, и преобразования сигнала перемещается внутри сканера от шагового элект-родвигателя. Оригинал изображения располагается на стекле неподвижно. Эта структурная схема сканера относится с простейшим, есть более сложные и высококачественные, например как у автора НР 4800 с разрешением 9600 х 4800 dpi. Такое построения планшетного сканера системы CCDпозво-ляет сканировать и объемные объекты с глубиной резкости от стекла на 30мм.(рис.15).Стоимость такого сканера около 1000 грвн., а качество получения объектов очень высокое. Есть более простые планшетные сканеры с очень простой оптической системой CIS(рис. 16,а), визуально легко различ-мые по высоте (раза в три ниже, чем системы CCD) и по стоимости 200-250 грвн. Разрешающая способность их 2400 х 1200 dpi.

Выводы:

  1. Область оптико-фотоэлектронной регистрации изображений весьма обширна и состоит из трех составляющих: фотоаппаратов, видеокамер и сканеров.
  2. Из первой составляющей наиболее качественные, хотя и дорогие, являются цифровые зеркальные фотоаппараты, и не зеркальные, отвечающие многим требованиям стоимостью от 3000 и выше гривен.
  3. Многих устраивают по качеству цифровые «мыльницы» стоимостью от 500 до 800 грвн.
  4. Видеокамеры цифровые ручные значительно дороже чем фотоаппараты, но для повышения стабильности положения их в пространстве и качества видеосъемок необходимо делать самостоятельно дополнительные кронштейны по трехточечной системе, что автор на своей ручной видеокамере и сделал. Устойчивость замечательная, будет приведена в последующих статьях
  5. Для бытовых целей широкого применения необходимо использовать только планшетные сканеры, если не надо сканировать объемные изображения, то системы CIS, а если сканировать и объемные оригиналы, то только системы CCD.
  6. В широкосерийном производстве необходимо применять барабанные сканеры, лучше с гори зонтальным расположением сканирующего барабана.

 

 

 

Литература:

  1. О.О. Степаненко. Сканеры и сканирование. Диалектика. Москва. Санкт-Петербург. Киев. 2005.
  2. А.Гинзбург, М. Мильчев, Ю. Солоницын. Питер. Санкт-Петербург, Москва, Харьков. Минск, 2001.
  3. М.Шарыгин. Сканеры и цифровые камеры. BHV. Санкт-Петербург. Арлит.2000.
  4. М. Милчев. Цифровые фотоаппараты. Питер. Москва, Санкт-Петербург и др. 2003.
  5. А.Ф. Пешков. Современные фотоаппараты. БХВ-Петербург. Арлит.2004.
  6. В.А Васин. Видеомагнитофоны и видеокамеры. Москва. Телеком. 2002.
  7. Н.Надеждин. Цифровая фотография. Санкт-Петербург, БХВ .2003
0
Ваша оценка: Нет Средняя: 6 (1 голос)
Комментарии: 2

Тестов Борис Викторович

В докладе дана замечательная информация об использовании фотоаппаратов, видеокамер и сканнеров. В настоящее время использование этой аппаратуры носит глобальный характер. Большим достижением техники является то, что эта достаточно объемная информация может храниться на миниатюрных носителях достаточно долго. ТесБор

Травников Евгений Николаевич

Спасибо за положительную оценку моего скромного труда на ниве техники регистрации информации, которой я отдал более 50 лет. Ваш гранд-конструктор, к.т.н. Е. Травников
Комментарии: 2

Тестов Борис Викторович

В докладе дана замечательная информация об использовании фотоаппаратов, видеокамер и сканнеров. В настоящее время использование этой аппаратуры носит глобальный характер. Большим достижением техники является то, что эта достаточно объемная информация может храниться на миниатюрных носителях достаточно долго. ТесБор

Травников Евгений Николаевич

Спасибо за положительную оценку моего скромного труда на ниве техники регистрации информации, которой я отдал более 50 лет. Ваш гранд-конструктор, к.т.н. Е. Травников
Партнеры
 
 
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
Would you like to know all the news about GISAP project and be up to date of all news from GISAP? Register for free news right now and you will be receiving them on your e-mail right away as soon as they are published on GISAP portal.