Cómo funcionan las cámaras digitales.
Productos de lentes:
La luz en la naturaleza tiene muchos colores, pero en resumen, estas luces pueden considerarse como una combinación de diferentes intensidades de los tres colores básicos: rojo, azul y verde. La luz puede considerarse simplemente como una "onda electromagnética", en la que diferentes colores de luz tienen diferentes longitudes de onda.
El color es un estado del propio objeto. Muchas veces decimos de qué color es algo. Sin embargo, estrictamente hablando, el color de los objetos ante nuestros ojos está relacionado causalmente con las condiciones de iluminación ambiental. Diferentes objetos reflejan diferentes espectros de luz, por lo que nuestros ojos perciben los colores de manera diferente. Pero esta conclusión se basa en el uso de luz blanca. Si utilizamos una fuente de luz de diferente color para iluminar, los resultados definitivamente serán diferentes. Por ejemplo, lo que normalmente llamamos tela roja, si es iluminada por una fuente de luz roja, ¡se convierte en tela blanca ante nuestros ojos! Cuando los rayos de luz que contienen varios colores pasan a través del filtro de color, solo pueden pasar una gran cantidad de rayos de luz del mismo color, y el filtro absorberá otros rayos de luz y los convertirá en energía térmica.
La función de la lente es enfocar la luz y la luz en el periodo fotosensible. El dispositivo fotosensible de una cámara digital es muy pequeño y la luz externa a veces no puede producir suficiente intensidad para que el dispositivo fotosensible obtenga suficiente información de la fuente de luz. La lente refracta la luz reflejada desde un objeto objetivo externo hacia el dispositivo fotosensible a través de su forma específica. Un estado de trabajo similar es un poco como quemar hormigas con una lupa al sol cuando éramos niños.
Las lentes se componen de muchas lentes, y la mayoría de las lentes tienen diferentes formas, por lo que cada lente no necesariamente juega el mismo papel en la lente. En términos generales, el uso de múltiples grupos de lentes puede acercar la imagen de la lente al mundo real sin reducir la transmitancia de luz de la lente.
Mencionamos arriba la "transmitancia de la lente". En pocas palabras, es la cantidad de luz que puede pasar a través de la lente. Las lentes se componen de muchas lentes con superficies lisas que a su vez reflejan la luz. Esto reducirá la cantidad total de luz que ingresa a la lente y afectará la imagen del sensor CCD/CMOS. Hoy en día, las cámaras digitales generalmente utilizan una película especial en la lente para minimizar los reflejos de la lente. Debido a que el recubrimiento sólo puede reducir el reflejo de un determinado color de luz, es imposible permitir que toda la luz entre en la lente. Por lo tanto, nuestros recubrimientos generales se centran principalmente en reducir el reflejo de la luz verde, porque el ojo humano es muy sensible a la luz verde. Otro recubrimiento es para mejorar la resistencia al desgaste de la lente, haciendo que la lente del objetivo sea menos susceptible a rayarse.
El objetivo principal del uso de múltiples lentes es corregir la "distorsión" causada por una sola lente. Dado que hay muchos tipos de luz que pasan a través de la lente, el índice de refracción de la luz misma en la misma lente es diferente. Después de pasar a través de la lente, se producirá una aberración debido a la interferencia de la lente. Existen muchos tipos de aberraciones, como la aberración esférica, los halos y la pérdida de luz. Podemos ver que algunas fotos tomadas con teléfonos móviles o cámaras baratas tienen un pequeño círculo en el centro porque usan una lente que no puede corregir el fenómeno de difracción de la lente, lo que produce aberración. También se produce distorsión de la imagen, también porque el camino óptico no está corregido.
Después de confirmar el objeto a fotografiar, apuntamos la lente de la cámara al objeto objetivo. En este momento, la lente objetivo o el grupo de lentes objetivo ajustará la distancia entre él y el dispositivo fotosensible de acuerdo con la señal de control del sistema de enfoque automático (completado por el controlador central de la cámara, que se presentará más adelante), de modo que la La imagen del objeto simplemente cae sobre el CCD/CMOS, formando así una imagen clara. Un indicador muy importante de una lente es la distancia focal. La distancia focal es la distancia desde el centro del "ocular" de la lente (la última lente) hasta el punto en el que convergen los rayos de luz que pasan. Algunas cámaras digitales ahora tienen sus propios lentes que pueden cambiar la distancia focal. Este tipo de lente cambia la distancia entre las lentes dentro de la lente, lo que permite que la lente de la cámara acerque o aleje objetos como un telescopio. Sin embargo, dado que el mejor estado de funcionamiento de este tipo de lente es la distancia focal normal, después de hacer zoom, la imagen se deformará o distorsionará debido a algunas formas físicas inmutables de la propia lente.
En el camino de la luz, se debe controlar la intensidad de la luz para adaptarse a los diferentes entornos de disparo. Este "control de la luz" se logra a través de la apertura. La apertura es un conjunto de "válvulas" dentro de la lente, hechas de varios materiales opacos que rodean un círculo.
La cantidad de luz que pasa a través de la lente se puede controlar cambiando el diámetro de este círculo. Las principales funciones de la apertura son: 1. Ajuste la luz y controle el flujo de luz; 2. Reducir la apertura puede reducir la aberración residual de la lente 3. Reducir la apertura puede aumentar la profundidad de campo y uniformar la luz incidente, evitando así el oscurecimiento de las cuatro esquinas de la lente; imagen 4. El uso de una apertura grande puede reducir la profundidad de campo para desenfocar imágenes desenfocadas y resaltar el tema; En términos generales, la profundidad de campo se refiere a si la escena detrás del objeto objetivo se puede visualizar con claridad. La apertura generalmente está representada por f, como F8/F5.6, etc. Cuanto mayor sea este último valor, menos luz se transmitirá y menor será la apertura.
El control de apertura es generalmente automático, es decir, el controlador central proporciona el número de apertura óptimo en la velocidad de obturación y la sensibilidad a través del sistema de medición, y luego controla la apertura para cambiar el valor. En algunas cámaras, también hay un modo manual donde el usuario puede cambiar el número de apertura por sí mismo.
Sensor CCD/CMOS;
El sensor CCD/CMOS es uno de los componentes más importantes de una cámara digital, y también es la diferencia fundamental entre las cámaras digitales y las cámaras de película tradicionales. . El nombre completo de CCD es Charge Couple Device, que se traduce como "dispositivo óptico de carga acoplada", y el nombre completo de CMOS es Complementary Metal-Oxide Semiconductor, que significa "semiconductor de óxido metálico complementario". Los principios de funcionamiento de CCD y CMOS tienen un punto de conexión * * *, es decir, el uso de fotodiodos como elementos de conversión de señales fotoeléctricas.
Como hemos mencionado antes, la cantidad total de luz de diferentes colores que pasa por un filtro de color específico no es la misma. Cuando instalamos un filtro verde en el fotodiodo, este debe dejar pasar la luz verde, pero su profundidad puede ser diferente debido a los diferentes colores de la luz incidente. Por tanto, utilizamos cuatro fotodiodos para obtener la luz reflejada del objeto. La unidad r puede obtener una luz roja; la unidad b puede obtener una luz azul; la unidad g puede obtener una luz verde. El color de la luz original se puede obtener procesando la señal de cuatro unidades (dos unidades G son el 50%).
El sensor CCD tiene una característica de funcionamiento importante: la salida del sensor CCD es una señal de corriente continua. En el diseño de CCD, no existe un amplificador de señal como CMOS, pero se configura un búfer para conectar una fila de señales en una salida de señal de corriente que cambia continuamente de acuerdo con un cierto ciclo de reloj. En la salida, el procesador de imágenes determina la ubicación física de la señal en función del período de la señal del reloj.
Un fotodiodo es un componente analógico que puede emitir una señal de corriente continua constante o una señal de voltaje para señales de luz recibidas de diferentes intensidades. Cuantificar estas señales, es decir, "digitalizarlas", es clasificar las señales de corriente o de tensión en diferentes intensidades. Por ejemplo, la señal de voltaje emitida por el fotodiodo cuando recibe (un cierto valor) luz de intensidad máxima se establece en el nivel 255; el tiempo de iluminación cuando no hay luz es 1; De esta manera, hay 256 niveles entre los valores máximo y mínimo, y el procesador de imágenes utiliza un método de "redondeo" similar para clasificar la intensidad de la señal, convirtiendo así en última instancia la señal analógica de corriente/voltaje que cambia continuamente en una señal digital discreta y estable. . Hoy en día, las cámaras digitales suelen calcularse basándose en el hecho de que la señal de salida de cada fotodiodo se puede cuantificar en 256 niveles. En este estado, tres fotodiodos pueden tener 256*256*256 colores. Debido a que 256 es esencialmente un número binario de 8 bits, 256 colores son un canal de 8 bits, por lo que una cámara digital de este tipo tiene 8 bits * 8 bits * 8 bits = 24 bits.
Un sensor CMOS es también un fotodiodo que se utiliza para convertir señales luminosas en señales eléctricas. La diferencia es la señal de voltaje de salida CMOS. El sensor dispone de un amplificador independiente para cada fotodiodo. Esto se debe a que el sensor está hecho de un material que no puede impedir que los electrones se muevan libremente sobre él, como un CCD, por lo que las señales del sensor CMOS interfieren entre sí muy seriamente, lo que resulta en muchas interferencias parásitas. Para amplificar lo más posible la señal de voltaje extremadamente débil y fácilmente interferida emitida por el fotodiodo, se debe instalar un amplificador cerca del fotodiodo para amplificarla antes de emitirla, de modo que incluso si se interfiere, el impacto será muy débil. Sin embargo, es difícil que los parámetros de estos amplificadores sean completamente consistentes y las diferencias en sus parámetros conducen a ciertas diferencias en los resultados finales del cálculo. Esta es también la razón.
Vemos que muchas cámaras que utilizan CMOS como sensor o cámaras digitales de gama baja tienen muchas imágenes con ruido blanco u otras manchas de color, lo cual es el resultado de que el amplificador no amplifica la señal correctamente debido a la interferencia mutua de las señales.
En las cámaras digitales, el ajuste de la sensibilidad se consigue cambiando el aumento del amplificador del fotodiodo. Por ejemplo, en el caso de luz insuficiente, podemos aumentar la amplificación del amplificador de señal para que el convertidor analógico/digital a continuación pueda obtener una señal de voltaje/corriente de salida más alta. Esto da como resultado una imagen con una señal de brillo más fuerte que sin ajustar la ampliación.
En las cámaras digitales para aplicaciones generales, los sensores generalmente se fabrican basándose en los principios anteriores y, como máximo, algunos artículos solo se fabrican con la disposición de fotodiodos.
Controlador central:
El centro es el cerebro de la cámara digital. Todas las acciones de la cámara digital, como la autoprueba de encendido y el manejo de errores, son emitidas por el. controlador central. El controlador central es un DSP (procesamiento de señal digital) programable. Hay un FLASH de pequeña capacidad periféricamente o internamente, que se encarga de almacenar algunas declaraciones del programa. Según estas declaraciones del programa, el controlador central responde a varias operaciones de la cámara, como juzgar la intensidad de la luz del entorno, ajustar la ampliación del amplificador del fotodiodo, usar o no el flash, qué velocidad de obturación y apertura usar, etc. .
Procesador de imágenes:
En el procesador de imágenes, además de calcular el color de cada píxel, también se deben ordenar según un determinado ciclo de reloj para formar una imagen completa. En algunos casos, una imagen debe comprimirse en un formato determinado para hacerla más pequeña. Los procesadores de imágenes son esencialmente procesadores DSP programables. De hecho, la calidad de los algoritmos del procesador de imágenes tiene un gran impacto en la calidad de las imágenes procesadas.
Después de cuantificar la señal de voltaje/corriente, el procesador de imagen debe calcular el color del píxel. Por ejemplo, el valor obtenido en la celda R es 255, el valor obtenido en la celda G es 153 y el valor obtenido en la celda B es 51. Luego, el procesador de imágenes sustituye los tres valores anteriores de acuerdo con su propio algoritmo definido y obtiene un color con un valor R de 255, un valor G de 153 y un valor B de 51.
En el proceso de procesamiento de imágenes se suele utilizar el algoritmo de "cálculo de interpolación". La llamada interpolación consiste en complementar algunos datos entre datos discretos para que este conjunto de datos discretos pueda ajustarse a una función continua. Usando la interpolación, podemos estimar el valor del valor de la función en otros lugares a través del valor del valor de la función en un punto finito, es decir, a través de datos limitados, para obtener una descripción matemática completa. En términos generales, cuando aumentamos los valores de píxeles de una imagen, utilizamos un algoritmo de interpolación. Hay tantos píxeles en la imagen, pero podemos usar un software para calcular el valor medio de unos dos píxeles e insertarlo entre ellos. Este método realmente no aumenta el detalle de la resolución de la imagen, pero los píxeles calculados por interpolación generalmente no están lejos de la situación real y aún pueden ser útiles en algunas situaciones (por ejemplo, si desea ampliar la imagen pero no No quiero alias de mosaico). Ahora algunos anuncios de cámaras dicen la cantidad máxima de píxeles que sus productos pueden disparar, por lo que debemos prestar atención a si es un píxel válido, si es solo una interpolación, no significa mucho, porque en teoría el cálculo de la interpolación puede ser infinito.
De esta manera, las imágenes generadas se organizan según la posición física de los fotodiodos generados, de modo que la imagen completa y sin comprimir se pueda obtener y almacenar en la memoria RAM dinámica de acceso aleatorio. Si no se requiere compresión, se escribirán en la memoria flash para su almacenamiento o se transferirán a través de una interfaz a otros dispositivos.
Al comprimir imágenes, JPG es el formato de compresión preferido para las cámaras digitales porque JPG tiene una relación de compresión muy alta y la calidad de la imagen se puede configurar de acuerdo con los requisitos de capacidad del usuario. En realidad, la relación de capacidad de una imagen TIFT con contenido complejo y una JPG con el mismo contenido pero cuya diferencia es difícil de detectar a simple vista puede llegar a 5:1 o incluso más.
El método de compresión JPG se puede dividir aproximadamente en tres pasos (tenga en cuenta que la transformación de coseno discreto apunta a uno de los valores de R, G y B, en lugar de los valores procesados). de R, G y B, por lo que la transformada de coseno discreta Los coeficientes de la transformada de coseno son códigos de componentes de color que van de 1 a 255): 1. Transformada de coseno discreta (DCT) e imagen eliminada. 2. Cuantificar la imagen. La cuantificación es una disposición estructural específica basada en las características fisiológicas del ojo humano, y la tabla de cuantificación es una tabla estandarizada que determina estas disposiciones 3. Codificación: los datos en sí se comprimen estadísticamente, por lo que el flujo de datos de la imagen comprimida puede ser; minimizado.
En el proceso de transformación de coseno discreto, la imagen primero se divide en 8 * 8 bloques de imagen pequeños y luego se realiza la transformación DCT en cada bloque de imagen. La transformación DCT es una transformación ortogonal con las siguientes características: primero, no hay distorsión y todo el proceso es reversible; segundo, la correlación se puede eliminar; tercero, la energía se redistribuye y se concentra en la esquina superior izquierda de la imagen; Forma de triángulo invertido distribuida. Tome un bloque de imagen pequeño de 8 * 8 como ejemplo. ** Contiene 8*8=64 valores de muestra. Después de la transformación DCT, todavía son 64 valores de muestra, lo que no puede lograr el propósito de comprimir la velocidad del código. Sin embargo, en el redondeo de cuantificación, la tabla de cuantificación se ajusta a las características del ojo humano, es decir, se establece una cuantificación fina para el componente de baja frecuencia en la esquina superior izquierda de la imagen y una cuantificación gruesa para las partes restantes. es decir, los componentes de alta frecuencia. En este momento, la mayoría de los coeficientes en la cuadrícula son cero; luego, después de leer los datos en forma de Z mediante un escaneo en "zig-zag", solo la parte frontal de esta cadena de datos es más grande, mientras que el resto es más pequeño o incluso; cero. En este momento, la codificación de ejecución cero puede comprimir eficazmente la velocidad digital. En algunos lugares con fuerte contraste, como algunos bordes, encontraremos que los píxeles de esos bloques no están alineados en absoluto, también hay algunos fenómenos de "halo" y "fantasma" que aparecen en el proceso de cuantificación de pequeños bloques de imágenes; pero si la tasa de compresión es baja, estas distorsiones son tan pequeñas que generalmente no somos conscientes de ellas. Después de la cuantificación, es necesario codificar la imagen, lo que significa poner en cola una serie de datos y utilizar principios probabilísticos para comprimir los datos sin pérdidas. La codificación de Huffman es el método de codificación más utilizado en codificación y es un tipo de codificación estadística. En términos generales, la codificación de longitud de palabra variable se refiere a la codificación de Huffman. La codificación de Huffman debe acordarse de antemano y almacenarse en la tabla de codificación para facilitar la comparación posterior. Sólo al decodificar podemos descubrir correctamente lo que representa la codificación. El método específico consiste en poner en cola una cadena de datos de acuerdo con la probabilidad de aparición del símbolo y luego agregar las dos probabilidades mínimas como la nueva probabilidad y la probabilidad restante para poner en cola nuevamente, y así sucesivamente, hasta que la suma final de probabilidades sea 1. Cada vez, se da la probabilidad de sumar "0" y "1". Cuando se leen, comienzan desde el símbolo y van al último "1". Los "0" y "1" que se encuentran en la ruta están ordenados desde el bit más bajo hasta el más alto. Esta es la codificación de Huffman. símbolo. Los números binarios generados de esta manera son los datos sustanciales de JPEG. Pero a menudo no solo transferimos imágenes, sino que también organizamos el flujo y el empaquetado de datos. La organización de un flujo de datos es la combinación de varios códigos etiquetados y datos de imágenes codificados en datos cuadro por cuadro para una fácil transmisión, almacenamiento y decodificación mediante un decodificador. El empaquetado se realiza para interpretar los números binarios generados por la codificación para que el decodificador pueda decodificar correctamente la imagen. El paquete general también incluye algunos datos sobre la cámara cuando se tomó esta foto, como el modelo/apertura/obturador/resolución/fecha de esta cámara. Estos datos pueden luego transferirse al circuito de interfaz, escribirse en una memoria flash o transferirse a otros dispositivos de procesamiento externos.
Artículo sobre memoria:
La memoria suele ser un dispositivo periférico en una cámara digital, en el que sólo se instala un chip de memoria flash de pequeña capacidad, que no es suficiente para tomar fotos de alta resolución. fotos. Las memorias generales incluyen CF (Compact Flash), SM (Smart Media), MMC (Multimedia Card), SDC (Secure Digital Card), MSD (Memory Stick Dual Core), micro disco duro de IBM, etc. Pero en términos generales, excepto los productos de IBM, todas estas memorias utilizan memoria flash como componente de almacenamiento. Veamos cómo la memoria flash almacena datos de su microestructura interna.
Sabemos que el almacenamiento de números binarios se logra principalmente mediante simples interruptores. Lo mismo ocurre con la memoria flash. En su interior hay una serie de "interruptores" que no temen los cortes de energía. El encendido y apagado de estos "interruptores" representa un número binario 0, que es 1, por lo que una serie de interruptores puede representar muchos números binarios, y luego podemos obtener los datos significativos que normalmente vemos al convertir estos números binarios.
El chip FLASH consta de muchos conjuntos de tubos MOS de puerta aislada dispuestos en un orden determinado. El "encendido/apagado" del chip de memoria flash se realiza principalmente a través de estos tubos MOS. La capa inferior del transistor MOS de puerta aislada es la unión NP del transistor, y encima de la unión NP hay un flotador de polisilicio rodeado de óxido de campo.
Cuadrícula. La "flotación" de esta puerta flotante forma una zanja conductora entre la fuente y el drenaje del transistor MOS. Si hay suficiente carga en la puerta flotante sin depender de la fuente de alimentación, la fuente y el drenaje del transistor MOS se pueden encender y el propósito de guardar datos se puede lograr incluso cuando se apaga la alimentación.
La aplicación de un voltaje directo entre la fuente y la puerta del tubo MOS hace que la carga en la puerta flotante se difunda hacia la fuente, haciendo que la fuente y el drenaje no sean conductores si se aplica un voltaje directo entre la fuente y la puerta U-1; pero al mismo tiempo, se aplica un voltaje directo U-2 entre la fuente y el drenaje, y U-2 es siempre menor que U-1, entonces la carga en la fuente se difundirá hacia la compuerta y cargará la compuerta flotante, por lo tanto la fuente y el drenaje se pueden conectar. Dado que la compuerta flotante es "flotante" y no hay circuito de descarga, la carga en la compuerta flotante no puede difundirse a otros lugares durante mucho tiempo cuando la energía está apagada, manteniendo la fuente y el drenaje "encendidos/apagados".
De esta forma, el controlador se conecta al procesador gráfico a través de una determinada interfaz. Después de recibir el comando de escritura, las fuentes de alimentación de fuente y puerta, fuente y drenaje de un tubo MOS se controlan para que se enciendan o apaguen, de modo que el tubo MOS se encienda o apague, logrando así el propósito de almacenar datos.
A través del análisis anterior, tenemos una comprensión general de los principios de funcionamiento de cada parte de la cámara digital. Aunque algunos productos en el mercado ahora afirman que utilizan muchas de las llamadas nuevas tecnologías, su rendimiento es mejor que el de otros productos. Sin embargo, los principios básicos de funcionamiento de las cámaras digitales siguen siendo similares, y esas nuevas tecnologías son en su mayoría "mejoras" menores que realmente no cambian los principios básicos de funcionamiento de las cámaras digitales.
La popularidad de las cámaras digitales es una buena noticia para la gente moderna. La aparición de cámaras digitales y cámaras de vídeo digitales permite que más personas disfruten del placer del arte. El arte ya no es sólo para quienes tienen costosas cámaras DSLR y capacidad financiera. Con la llegada de las reducciones de precios, cada vez más personas están empezando a utilizar cámaras digitales de alta calidad para grabar las fugaces historias que nos rodean a alta velocidad y alta calidad. Son estas historias capturadas casualmente las que mantienen el sabor de nuestra era en la memoria de las personas para siempre. Tenemos que decir: la tecnología ha cambiado el mundo.