• Не пропустите
  • Новое на форуме

Настройки отображения цвета фото

Автор: IraKL Тема создана: 16/12/2017 11:36 Просмотров: 14 Ответов: 0

Опять зимние пробы.

Автор: Иван Накалюжный Тема создана: 15/12/2017 17:39 Просмотров: 334 Ответов: 16

Парень из местных.

Автор: Иван Всякое-Бывает Тема создана: 14/12/2017 23:46 Просмотров: 274 Ответов: 4

Основы фотографии # 5.12

  1. Основы фотографии #1
  2. Основы фотографии #2.1
  3. Основы фотографии #2.2
  4. Основы фотографии #3
  5. Основы фотографии #4.1
  6. Основы фотографии #4.2
  7. Основы фотографии #4.3
  8. Основы фотографии #4.4
  9. Основы фотографии #4.5
  10. Основы фотографии #4.6
  11. Основы фотографии #4.7
  12. Основы фотографии #4.8
  13. Основы фотографии #4.9
  14. Основы фотографии #4.10
  15. Основы фотографии #4.11
  16. Основы фотографии #4.12
  17. Основы фотографии #5.1
  18. Основы фотографии #5.2
  19. Основы фотографии #5.3
  20. Основы фотографии #5.4
  21. Основы фотографии #5.5
  22. Основы фотографии #5.6
  23. Основы фотографии #5.7
  24. Основы фотографии #5.8
  25. Основы фотографии #5.9
  26. Основы фотографии #5.10
  27. Основы фотографии #5.11

В предыдущей статье я подробно описал устройство, принцип действия и особенности прибора с зарядовой связью, сенсели-буферы которого чередуются с сенселями-светоприёмниками – ПЗС с межстрочной буферной зоной. Настоящую статью я посвятил третьей конструкции ПЗС. В ней буферная зона располагается отдельно от световосприимчивых сенселей. Также, коротко опишу четвёртую конструкцию.

ПЗС с кадровой (выделенной) буферной зоной (FTCCD или FT CCD)1

С одной стороны, рассматриваемая конструкция ПЗС – это инженерное решение, непосредственно продолжающее полнокадровый ПЗС. Суть решения заключается в том, что половина полнокадрового ПЗС накрывается светонепроницаемым материалом – маскируется, экранируется. Теперь сенсор состоит из двух областей, связанных по одной стороне. Одна зона накапливает порции электронов и, накопив, передаёт электрические заряды в экранированную зону на хранение и «подсчёт». По сути, весь процесс образования изображения: от облучения световосприимчивых сенселей до «подсчёта» всех накопленных электрических зарядов – осуществляют различные группы сенселей. Получается разделение труда: одна группа накапливает электроны, другая группа хранит и «занимается» оцифровыванием. Обе части процесса выполняются одновременно, параллельно, а не последовательно, как в «обычном» полнокадровом ПЗС.

Благодаря «мануфактуре» удаётся сохранить все преимущества полнокадрового ПЗС и сократить вдвое временной промежуток между созданием двух кадров. Такое положение вещей открывает для ПЗС с кадровой буферной зоной дорогу не только в фотографию, но и в видеографию. А благодаря наличию буферной зоны реализуется электронный затвор со всеми вытекающими преимуществами, среди которых одним из главных является отсутствие громоздкого и с ограниченным сроком службы электромеханического затвора. По сути, получается полнокадровый ПЗС с полноценным электронным затвором.

С другой стороны, принцип действия ПЗС рассматриваемой конструкции в основе своей повторяет принцип действия ПЗС с межстрочной буферной зоной. Существенное отличие между двумя конструкциями заключается в расположении сенселей-буферов. В первом случае последние отстоят от области, которую образуют сенсели-светоприёмники. Во втором случае буферная зона «сращивается» с названной областью.

ПЗС с кадровой буферной зоной обладает тремя особенностями (помимо полностью реализованного электронного затвора).

Во-первых, количество сенселей-светоприёмников вдвое меньше, чем в полнокадровом ПЗС той же площади. Как следствие вдвое уменьшается разрешение (количество пикселей) изображения, создаваемого с помощью рассматриваемого сенсора. В итоге стоимость последнего возрастает в два раза при тех же характеристиках полнокадрового ПЗС. Такая особенность ПЗС с кадровой буферной зоной ограничивает области его применения.

Во-вторых, когда буферная зона пуста, два последовательных снимка создаются с минимальной временной задержкой, исчисляемой несколькими миллисекундами (порядка 1-5 миллисекунд, 1/1000 – 1/200 секунды). Временная задержка возникает из-за перемещения накопленных порций электронов в буферную зону. Такая особенность позволяет использовать ПЗС с кадровой буферной зоной в тех приложениях, где требуется создать подряд два высококачественных изображения, например, при мультиспектральном анализе в медицине, астрономических, химичеких и биологических исследованиях. В «потребительской» фотографии рассматриваемая особенность едва ли нашла себе применение.

В-третьих, во время перемещения электрических зарядов из светочувствительной области в буферную зону накопление электронов сенселями-светоприёмниками продолжается. В итоге кадр экспонируется неравномерно по площади, и уже созданное изображение искажается2.

Изображение ниже объясняет особенности ПЗС с кадровой буферной зоной и иллюстрирует принцип его действия:

Рис. 1. Принцип действия ПЗС с кадровой буферной зоной. Вид сверху со стороны распространения фотонов на поверхность светочувствительного сенсора с 25-ью сенселями-светоприёмниками и 30-ью сенселями-буферами. Рассматривается создание одного изображения за восемь условных шагов. Обозначения на рисунке: 1 – электрический заряд, накопленный сенселем-светоприёмником 2-ой строки 1-ого столбца (все сенсели-светоприёмники обозначены белым цветом); чем больше площадь оранжевого кружка, тем больше электронов накопил сенсель; 2 – сенсель-буфер 3-ей строки 3-его столбца (все сенсели-буферы обозначены серым цветом); 3 – выход из буферной зоны, к которому подсоединяется «счётчик» электронов и, далее, аналогово-цифровой преобразователь; 4 – следующая порция электронов, которую накапливает сенсель-светоприёмник после передачи предыдущей порции сенселю-буферу; чем дольше сенсель-светоприёмник «улавливает» фотоны, тем больше электрический заряд. Поэтому на схемах плотность кружка постепенно увеличивается от 5-ого к 8-ому шагам. То же явление обозначено «пожелтением» кружков в шагах со 2-ого по 4-ый. 1 шаг – образовалось первое изображение. 2 шаг – экспонирование первого изображения завершено, электронный затвор «закрывается», все сенсели-светоприёмники постепенно – строка за строкой – передают накопленные порции электронов в буферную зону (например, сенсели-светоприёмники 5-ой строки передают накопленные заряды соответствующим сенселям-буферам 1-ой строки). 3 шаг – во время передачи электрических зарядов сенсели-светоприёмники продолжают накапливать электроны. В итоге передаваемые электрические заряды увеличиваются – первое изображение искажается. Так, порции, накопленные сенселями-светоприёмниками 1-ой строки, содержат больше «лишних» электронов, чем порции, накопленные сенселями-светоприёмниками 2-ой строки. Наименее искажены электрические заряды, накопленные сенселями-светоприёмниками 5-ой строки. 4 шаг – все порции электронов, образующие первое изображение, разместились в сенселях-буферах (в буферной зоне). 5 шаг – начинается «подсчёт» электрических зарядов, образующих первое изображение. Сначала порции электронов, накопленные сенселями-буферами 5-ой строки, перемещаются в соответствующие сенсели-буферы 6-ой строки, электрические заряды, хранящиеся в сенселях-буферах 4-ой строки, перемещаются в соответствующие сенсели-буферы 5-ой строки и так далее. Это выглядит как смещение всех зарядов, находящихся в буферной зоне, вниз на одну строчку. Затем сенсели-буферы 6-ой строки передают заряды по цепочке на выход из буферной зоны и на вход «счётчика» в следующей манере: сенсель-буфер 6-ой строки 5-ого столбца передаёт сохраняемый заряд на выход, а сенсель-буфер 6-ой строки 4-ого столбца передаёт свою порцию электронов в освободившийся сенсель-буфер 6-ой строки 5-ого столбца и так далее. В то же время «открывается» электронный затвор, сенсели-светоприёмники начинают накапливать электрические заряды, которые образуют второе изображение. 6 шаг – сенсели-светоприёмники продолжают накапливать электроны (образовывается второе изображение). Электрические заряды, хранимые сенселями-буферами 6-ой строки почти «подсчитаны». 7 шаг – экспонирование второго изображения продолжается: сенсели-светоприёмники накапливают электроны. Опустевшие сенсели-буферы 6-ой строки принимают электрические заряды 5-ой строки, в свою очередь, порции электронов, хранящиеся в сенселях-буферах 4-ой строки, перемещаются в освободившиеся сенсели-буферы 5-ой строки и так далее. 8 шаг – остался «неучтённым» один электрический заряд, образующий первое изображение. Последний накопил сенсель-светоприёмник 1-ой строки 1-ого столбца. Как только этот заряд будет «посчитан», буферная зона освободится и, соответственно, будет готова принимать второе изображение – очередные порции электронов от сенселей-светоприёмников. К 8-ому шагу последние накопят электрические заряды уже в каком-то объёме. Если выдержка равна временному промежутку, отсчитываемому от приёма сенселями-буферами электрических зарядов (другими словами, от «закрытия» электронного затвора) до вывода последнего заряда к «счётчику», то перенос следующих порций электронов происходит тут же. Если выдержка больше указанного временного промежутка, то сенсели-буферы простаивают, «ожидая» завершения экспонирования. Однако, выдержка едва ли может быть меньше указанного промежутка, если дополнительно не применяется электромеханический затвор. Сенсели-светоприёмники «улавливают» фотоны – накапливают электроны – непрерывно, а буферная зона должна полностью освободиться, прежде чем принять от сенселей-светоприёмников новые порции электронов.3,4

ПЗС с кадровой буферной зоной встречается реже чем описанные ранее конструкции в камерах «потребительской» фотографии. Основная причина заключается в себестоимости такого сенсора и его особенности функционирования, порождающей неравномерность экспозиции по площади кадра.

Чтобы нивелировать «смазывание» конструкторы вынуждены прибегать к различным решениям. В частности, применяют электромеханический затвор, что делает едва различимыми преимущества ПЗС такой конструкции в сравнении с полнокадровым ПЗС на фоне удвоенного расходования «светочувствительной» площади. Увеличивают скорость перемещения электрических зарядов от сенселей-светоприёмников к сенселям-буферам. Ограничением скорости выступает качество передачи электрического заряда между соседними сенселями: чем выше скорость передачи, тем сильнее искажается передаваемая порция электронов. Это, как быстро перелить воду из одного сосуда в другой: много воды разбрызгивается по пути. Наконец, применяют программные алгоритмы, восстанавливающие искажённое изображение.

Чтобы уменьшить и «смазывание», и временную задержку между созданием двух кадров инженеры спроектировали ПЗС с комбинированной буферной зоной.

ПЗС с межстрочной и кадровой буферной зоной (FITCCD или FIT CCD)5

ПЗС рассматриваемой конструкции, по сути, представляет из себя гибрид ПЗС с межстрочной буферной зоной и ПЗС с кадровой буферной зоной. Основная причина, из-за которой такая конструкция была спроектирована и запущена в серийное производство – минимальное проявление «смазывания» (чем едва ли может «похвастаться» одна из описанных ранее конструкций ПЗС) и полноценная реализация электронного затвора (что не присуще полнокадровому ПЗС). Другими словами, низкий уровень искажений получаемого изображения, вызванных «смазыванием», и отсутствие необходимости в использовании электромеханического затвора – две определяющие особенности ПЗС с межстрочной и кадровой буферной зоной. Как Вы думаете, где сенсоры рассматриваемой конструкции получили наибольшее распространение?

ПЗС с комбинированной буферной зоной применяются в видеографии благодаря озвученным выше особенностям. Но из-за высокой стоимости («черта», перенятая у ПЗС с кадровой буферной зоной) такой сенсор устанавливается в дорогостоящие широковещательные видеокамеры.

Почему у ПЗС рассматриваемой конструкции «смазывание» минимально?

По отдельности и ПЗС с межстрочной буферной зоной, и ПЗС с кадровой буферной зоной страдают от «смазывания» (хоть и проявляется оно по-разному и обусловлено различными причинами). В ПЗС с комбинированной буферной зоной порции электронов, накопленные сенселями-светоприёмниками, вначале перемещаются в соседние сенсели-буферы, образующие межстрочную буферную зону. То есть, на данном этапе сенсор ведёт себя как ПЗС с межстрочной буферной зоной.

Затем, без длительной задержки во времени, электрические заряды из буферной зоны, расположенной между сенселями-светоприёмниками, перемещаются в выделенную буферную зону. Теперь сенсор ведёт себя как ПЗС с кадровой буферной зоной.

Далее. Перемещение накопленных порций электронов в буферную зону происходит на порядок быстрее, чем «подсчитывание» электрических зарядов. Благодаря быстрому перемещению из одной буферной зоны в другую (из межстрочной в кадровую) фотоны, которые так или иначе проникают в сенсели-буферы, соседствующие с сенселями-светоприёмниками, не успевают повлиять на объёмы накопленных порций электронов. Поэтому удаётся избежать «смазывания», присущего ПЗС с межстрочной буферной зоной. А «смазывание», характерное для ПЗС с кадровой буферной зоной, отсутствует, потому что перемещение электрических зарядов между буферными зонами происходит между защищёнными от световых лучей сенселями-буферами.

Здесь я завершаю рассмотрение электронного затвора в приборах с зарядовой связью (ПЗС). Перед тем, как перейти к изучению возможностей электронных затворов в сенсорах, построенных по технологии «комплементарные структуры металл-окисел-полупроводник» (КМОП-сенсорах), подведу промежуточный итог.

Конструкция полнокадрового ПЗС наиболее простая среди четырёх конструкций ПЗС, распространённых в фотографии. Поэтому качество изображения, создаваемое таким сенсором, наиболее высокое. Электронный затвор здесь не реализован полностью. Поэтому фотоаппарат, в котором установлен полнокадровый ПЗС, комплектуется электромеханическим затвором: шторно-щелевым и/или лепестковым.

Структура ПЗС с межстрочной буферной зоной более сложная, чем структура полнокадрового ПЗС. Поэтому качество изображения, создаваемого с помощью такого сенсора, чаще всего, ниже, чем качество изображения, создаваемого полнокадровым ПЗС. Однако, в ПЗС с межстрочной буферной зоной реализован электронный затвор. Поэтому такой сенсор едва ли требует применения электромеханического затвора и может использоваться в видеографии. Соединение зоны, в которой создаётся изображения, и буферной зоны несовершенно, поэтому в ПЗС с межстрочной буферной зоной возможно «смазывание» – эффект, который проявляется на изображении в виде засвеченных вертикальных полос, тянущихся от одного до другого краёв кадра.

ПЗС с кадровой буферной зоной также свойственно «смазывание». Проявляется оно в виде светлых полос и пятен (дублирования изображения) по всей площади кадра. В отличие от предшествующей конструкции рассматриваемый сенсор способен создавать изображение, качество которого соответствует качеству полнокадрового ПЗС. А наличие буферной зоны обусловливает «функционирование» электронного затвора. Из-за удвоенной площади сенсора себестоимость ПЗС с кадровой буферной зоной выше себестоимостей предшественников.

Наконец, ПЗС с межстрочной и кадровой буферной зоной в наименьшей степени подвержен «смазыванию». Электронный затвор, как и в других конструкциях с буферной зоной, реализован полностью. Однако, себестоимость рассматриваемого сенсора, как и его «предка», высока, поэтому ПЗС с межстрочной и кадровой буферной зоной используется в дорогих аппаратах.

Как и прежде, ПЗС применяется там, где требуется максимальное качество изображения, особенно, высокая чувствительность. В современном мире обычные области применения ПЗС – научные исследования. Он устанавливается в микроскопах и телескопах из-за низкого уровня освещённости фотографируемых объектов. Полнокадровые ПЗС Вы можете встретить в фотоаппаратах и цифровых задниках среднего формата.

В настоящее время КМОП-сенсоры существенно сократили разрыв с ПЗС в качестве создаваемого изображения, поэтому в большинстве фотоаппаратов малого формата Вы обнаружите КМОП-сенсор. Это происходит потому, что производство КМОП-сенсоров дешевле, и ПЗС потребляет больше энергии, чем КМОП-сенсор. В эпоху интенсивного потребления, мобильных и компактных устройств эти особенности определяют выбор типа устанавливаемого в фотоаппарат сенсора.

Далее я опишу две реализации электронного затвора в КМОП-сенсорах, а также обозначу общие особенности и принцип действия КМОП-сенсора.

Примечание:

1 На англ. frame-transfer charge-coupled device. Обратно к тексту.

2 Пример такого искажения приведён на рисунке 2 (Figure 2) в статье «The Importance of CCD Readout Smear in Heterodyne Imaging Phase Detection Applications». Обратите внимание на светлые вертикальные полосы на фотографии печатной платы. Данное искажение называется «смазыванием» (на англ. smearing) и делит своё название с аналогичным эффектом, присущим ПЗС с межстрочной буферной зоной. Однако, причины искажения и его проявление на фотографии различаются для ПЗС с кадровой буферной зоной и ПЗС с межстрочной буферной зоной.

В ПЗС рассматриваемой конструкции «смазывание» проявляется тем больше, чем а) больше сенселей-светоприёмников содержит сенсор (больше электрических зарядов приходится перемещать в буферную зону, поэтому длиннее путь и дольше время перемещения), б) дольше временной промежуток, за который происходит передача электрических зарядов из одной строки в другую. Проявление «смазывания» может быть уменьшено искусственно: применением программных алгоритмов, восстанавливающих искажённые области изображения. Пример восстановленного изображения приведён в статье, указанной выше, на рисунке 5 (Figure 5). Обратно к тексту.

3 Предлагаю маленькое задание тем, кто хочет разобраться в деталях. В иллюстрации выше есть неточность. Она связана с непрерывностью экспонирования (облучения световосприимчивых сенселей). Найдите неточность и обозначьте её в комментариях к статье. Обратно к тексту.

4 Процесс, проиллюстрированный рисунком, также, демонстрирует анимация. Обратно к тексту.

5 На англ. frame-interline transfer charge-coupled device. Обратно к тексту.

29/07/2015    Просмотров : 10563    Источник: photo-monster.ru    Автор: Марк Лаптенок
Версия для печати Рекомендовать статью

Комментарии: 7

  • Осталось символов: 5000
    Формат JPG Удалить
    Ожидаем загрузку изображений
  • Бортник 6 Сентября 2015 - 17:55:07

    (жаль нет статистики кто это будет читать).
    Здесь не нужно статистики. Читают и скачивают.
    И поверьте не мало людей благодарны Лаптенку за этот материал и уделенное время.
    Это не лизнул.... Вообще нытиков хватает везде.
    У меня вопрос в другом. Почему нету скачки? Этот вопрос уже подымался и обещали на него отреагировать. Неужели Вам не жалко потраченные усилия и свой труд? Уверен Вы готовили этот материал не для того, чтобы засунуть его в сапог. В интернете достаточно мусора. Этот материал подан достаточно грамотно и в удобоваримом виде.


    • Марк Лаптенок 6 Сентября 2015 - 20:11:21

      Здравствуйте! Я передавал Вашу просьбу и подобную просьбу другого читателя редактору. Доступность статьи не находится в моей зоне ответственности. Напишите, пожалуйста, лично в службу поддержки. Ссылка находится в самом низу страницы. Вы также можете упаковать Интернет-страницу, содержащую статью, в PDF документ самостоятельно. Например, я использую для этого плагин Print Friendly & PDF для Google Chrome. Плагин бесплатный.


  • al300 30 Июля 2015 - 16:31:40

    ......принцип действия и особенности прибора с зарядовой связью, сенсели-буферы которого чередуются с сенселями....

    А сайтом случаем не ошиблись?? (жаль нет статистики кто это будет читать).
    Права на автомобиль есть у всех...И все знают принципы вождения..
    Вот только зачем людям знать технологии получения. резины...компоненты..и пропорции смешивания для получения качественной покрышки для их автомобиля - понять НЕ МОГУ.


    • Марк Лаптенок 2 Августа 2015 - 11:45:13

      Здравствуйте. Не ошибся. Хотите, чтобы я прояснил причины?


  • Алексеич 30 Июля 2015 - 09:21:06

    Подскажите как скачать статью, где ссылка?


    • Марк Лаптенок 2 Августа 2015 - 11:42:24

      Здравствуйте. Не готов подсказать, сообщу редактору.


  • Владимир Л 29 Июля 2015 - 20:38:15

    А куда пропала ссылка для скачивания материала урока в формате PDF?


Еще уроки из рубрики "Все основы"

16 способов улучшить свои навыки съёмки

Очевидно, что мы все хотим улучшить наши навыки в фотографии. В конце концов, если вы кликнули по этому заголовку, полагаю, вам действительно интересно узнать, как фотографировать...

Читать дальше
21/09/2017. Основы — Все основы. Перевод: Алексей Шаповал
12 993
6

Методы экспонирования. Какой выбрать?

Правильная экспозиция важна для любого вида фотографии. Но что лучше – когда гистограмма равномерно распределена в форме колокола, концентрируется в правой части...

Читать дальше
28/09/2017. Основы — Все основы. Перевод: Алексей Шаповал
8 701
5

Влияние палитры на внешний вид и ощущения

Одно из самых фундаментальных решений при съемке – будет ли фото цветным или черно-белым. В более ранний период пленочной фотографии это решение нужно было принимать заранее...

Читать дальше
31/07/2017. Основы — Все основы. Перевод: Алексей Шаповал
4 084
0

Что такое плоский свет?

Фотографы часто используют совершенно непонятный для обычных людей язык. Это секретный шифр, благодаря которому окружающие не знают, что происходит в нашем особом мире. На...

Читать дальше
27/07/2017. Основы — Все основы. Перевод: Алексей Шаповал
10 961
4

RAW против JPEG: Полное руководство

Я хочу представить свою попытку написать единственную статью, которая будет нужна для понимания разницы между JPEG и RAW. Надеюсь, вы получите достаточные знания и сможете...

Читать дальше
07/07/2017. Основы — Все основы. Перевод: Алексей Шаповал
14 773
10

Основы фотографии. Оглавление

Здесь вы найдёте оглавление всех статей из серии «Основы фотографии», краткое содержание и ключевые слова...

Читать дальше
01/02/2011. Основы — Все основы. Автор: Марк Лаптенок
12 406
0

Наверх
Орфографическая ошибка в тексте:
своими руками В этом уроке рассказывается, как сделать складной софтбокс размером 40х40 см, который похож на

Послать сообщение об ошибке администратору? Ваш браузер останется на той же странице.

Ваше сообщение отправлено. Спасибо!

Окно закроется автоматически через 3 секунды