Применение цифровых фотоаппаратов в допечатной подготовке

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Печать качественного издания обусловлена качественной допечатной стадией, от которой зависит результат в целом. Появление систем цифровой обработки изображений совершило переворот во всей отрасли печати. Одну из таких ролей выполняют цифровые фотоаппараты.

Применение цифровой фототехники ускоряет стадию допечатной подготовки. Такие фотокамеры пригодны как для съемки неподвижных объектов (например: здания, деревья, неподвижно стоящие предметы - книги, вазы и пр.), так и для подвижных (например: бегущий человек, животное или едущий автомобиль). При этом изображение получается качественным, высокого разрешения (что в основном зависит от оптической системы цифровой фотоаппаратуры и ПЗС матриц), цветным, что позволяет их широко применять в полиграфии, а также в других отраслях (например: Internet-технологии, журналистика, реклама, профессиональные фотостудии и др.). Качество цифрового фото обусловлено применением технологий подавления «структурного шума» (неравномерность чувствительности элементов ПЗС матрицы) за счет термоэлектрического охлаждения поверхности приемника изображения и перекрестного влияния ячеек матрицы друг на друга (технология anti-blooming).

В своей курсовой работе я расскажу о цифровых фотокамерах низкого разрешения - для любительской съемки изображений, а также для изображений для печатной продукции такой как газеты, листовки низкого качества и т.п.; среднего промежуточного и профессионального качества - для съемки иллюстрационного материала в печатные издания такие как журналы, рекламные буклеты высокого качества, книги и др.

Цель моей курсовой работы - рассказать про цифровые фотоаппараты, решить проблему выбора цифровой фотокамеры для задач в любительской съемки и в полиграфии. Какой должна быть фототехника и какими функциями обладать - вот задача моей работы.

Я считаю, что эта проблема актуальна, так как на рынке представлено огромное количество разнообразной фотоаппаратуры, и наблюдается тенденция роста их производительности и функциональности, что под час затрудняет выбор нужной модели.

Основные узлы цифровых фотоаппаратов

Основными узлами цифровых фотоаппаратов являются:

Оптическая система

ПЗС-матрица - приемник изображения

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП)

Модули памяти и другие устройства

Наиболее важными элементами всей аппаратуры «технического зрения», а это фотоаппараты, видеокамеры, цифровое телевидение, являются оптическая система и ПЗС-матрица, которые определяют весь возможный объем получаемой информации.

Оптическая система представляет собой самое главное звено цифрового фотоаппарата, вносимых ею в изображение искажений.

Искажения, вносимые в изображение, зависят от того, как точно рассчитана оптическая система, и на сколько точно выбранный тип системы изготовлен. Главным образом, искажения изображения в оптической системе зависят от ряда аберраций:

Сферической (присутствует в системах, поверхность которых представлена сферой)

Хроматической

Астигматизма и других

Сферическая и хроматическая аберрации приводят к увеличению кружка рассеяния, которое является импульсной характеристикой оптической системы, то есть размытию элемента изображения, а астигматизм - непосредственно искажают изображение. Также стоит отметить, что каждый из видов аберраций зависит в свою очередь от основных параметров оптической системы, а именно от требуемого поля зрения или требуемого относительного отверстия (диафрагмы).

Необходимо иметь в виду, что качество изображения, определяемое оптической системой при изменении основных параметров (фокуса, диафрагмы и поля зрения), характеризуемое размером кружка рассеивания, зависит от их произведения, которое является величиной постоянной, то есть увеличение поля зрения возможно, если уменьшать относительное отверстие или фокусное расстояние, а создание сверх светосильной системы, наоборот, возможно только за счет уменьшения поля зрения в случае, если нежелательно ухудшать качество изображения. Необходимо также иметь в виду, что оптическая система является фильтром низких пространственных частот, даже если она безаберрационна. Величина кружка рассеяния, является откликом системы на единичный «импульс», определяется из формулы, полученной физиком Эри для «идеальной» (безаберрационной)системы:

Dкр=2.44F/Д

Где - длина источника света; F/Д - величина относительного отверстия оптической системы.

Таким образом, «идеальную» оптическую систему, которая является главным входным звеном цифровой фотокамеры, можно, но с достаточно большими трудностями приблизить как к «идеальному» звену аппаратуры, практически не искажающему изображение. Также стоит отметить, что пространственно-частотные характеристики системы непосредственно определяют качество промежуточного изображения:

E(_x, _y)=L(_x, _y)G(_x, _y),

Где, E(_x, _y) - пространственно-частотный спектр изображения; L(_x, _y) - пространственно-частотный спектр яркости объекта; G(_x, _y) - пространственно-частотная характеристика оптической системы.

Что касается изготовления самой оптики, то поверхность всех современных объективов имеет просветляющее пластиковое покрытие, устраняющее засветки от отражения лучей поверхностями линз. А сами линзы изготавливаются только из стекла.

Основными производителями цифровых фотокамер с качественной оптикой являются: Canon, Nikon, Minolta, Pentax, Olympus и Sony, а также немецкая фирма Schneider, которая специализируется на производстве фотооптики.

Оптика цифрового фотоаппарата нуждается в таком же уходе, как и объективы пленочных камер. Поверхность внешней линзы объектива достаточно хорошо защищена от внешних воздействий - на ней не удерживаются капли влаги, а по этому не остаются пятна от высохнувшего конденсата. Но от пыли, грязи и механических повреждений не защитит объектив даже самое совершенное покрытие. Поэтому следует очень аккуратно обращаться с оптикой фотоаппаратов.

Приемник изображения является вторым важнейшим звеном цифрового фотоаппарата. Современные ПЗС матрицы, устанавливаемые в цифровые фотоаппараты, имеют ряд преимуществ перед другими носителями информации, например, такими как фотопленка. ПЗС матрицы могут работать в любой области спектра от УФ до теплового (8 - 20 мкм) и при освещенности от единиц до сотен люкс, таким образом при ночной съемке (когда объекты имеют тепловой контраст по отношению к другим объектам или фону) ПЗС матрицы тоже работают. Основное преимущество ПЗС матрицы - «жесткий» растр: изображение не искажается из-за нестабильности магнитного поля или электростатического поля, а передает изображение точки с точностью до доли чувствительного элемента матрицы, таким образом ПЗС-матрица является на сегодняшний момент «идеальным» приемником изображения, который не искажает проецируемое на него изображение.

Работа ПЗС матрицы заключатся в том, что при проецировании изображения на чувствительную поверхность матрицы на ее каждом элементе накапливается заряд, пропорциональный освещенности данного элемента. Заряд накапливается на дискретных емкостях - МОП-структуре (металл-окисел-полупроводник). Развертка изображения в ПЗС-матрице реализуется в принципиально отличном варианте: многоэлементное зарядовое изображение перемещается в кристалле кремния под гребенкой электродов при подаче на них «бегущей волны» напряжения. При этом процесс развертки завершается поэлементным переносом зарядовых пакетов в выходном регистре к считывающему устройству. ПЗС-матрица разделена на два массива: накопительный и буферный. Буферный необходим для исключения расплывчатого изображения при его считывании. ПЗС-матрица может осуществлять считывание каждого фотона с измерением его координат. Существенным недостатком матриц является возможное появление нечувствительности ее элементов, что приводит к геометрическому шуму. С этим явлением научились бороться путем охлаждения ПЗС-матрицы. Иногда в аппаратурных комплексах структурный шум убирают при помощи запоминания (при балансировке белого на чистый белый фон) и вычитания шума при работе на регистрируемый объект. Важнейшими параметрами ПЗС-матриц является размер чувствительного элемента, величина площади поверхности ПЗС-матрицы и количество элементов (пикселов). Что касается размера чувствительного элемента, то его размер должен соответствовать размеру кружа рассеивания оптической системы.

Теоретически можно показать, что размеры чувствительных элементов современных матриц еще не достигли предельно малых значений. Например, при длине волны =0,56 мкм (зеленая область спектра) и F/Д=1,2 (размер кружка рассеивания «идеальной» безаберрационной оптической системы), размер элемента будет равен 2,44F/Д=2,44*0,56*1,2=1,6 [мкм]. Таким образом получается, что размер элемента ПЗС-матрицы превышает это значение приблизительно в 4 - 7 раз.

Достигнутый размер матрицы ПЗС составляет на сегодняшний день 24х36 мм, что соответствует размеру кадра обычной фотопленки. Таким образом, такую матрицу ПЗС можно применять в профессиональных пленочных фотоаппаратах, превращая его в цифровой. Еще нужно отметить, что чем размер матрицы больше, темь лучше ее светочувствительность, а, следовательно, больше она сможет передать ступеней перепадов яркости между абсолютно белым и абсолютно черным цветами. Количество этих градаций и есть собственно динамический диапазон.

Но для получения цифровым фотоаппаратом «идеального» качества воспроизведения изображения, нужно соответственно увеличивать количество элементов ПЗС-матрицы. Нетрудно сосчитать, какой должна быть эта матрица: 24/0,0016х36/0,0016=15000х22500 [элементов]. Отсюда - количество элементов матрицы составит 337,5 млн., при сравнении с зернистостью фотопленки - 20 млн. чувствительных зерен (пикселов). Все современные цифровые фотокамеры, представленные на рынке, предназначены для съемки цветного изображения, при этом в конечном результате важна точность цветопередачи. Для того чтобы снимок получался цветным, каждый сенсор снабжается цветными фильтрами. Они могут быть красным, зеленым и синим (RGB - Red, Greed, Blue) или голубым, пурпурным и желтым (CMY - Cyan, Magenta и Yellow) с дополнительным зеленым фильтром для придания изображению естественности. Данные каждого сенсора позволяют выделить один из 256 уровней заряда, поэтому каждый цвет имеет 256 уровней интенсивности (яркости), что позволяет воспроизводить 16,7 млн оттенков (256 х 256 х 256). Данные о яркости, зафиксированные каждым из сенсоров, оцифровываются и хранятся в памяти камеры. Воспроизведение цветного изображения достигается путем использования одной или трех матриц. В них (трехкадровых) экспозиция производится трижды через светофильтр базового цвета поочередно. В результате цветопередача получается максимального качества, но быстродействие системы падает, что не позволяет снимать быстро движущиеся предметы. Такие камеры обычно применяют для съемки репродукций или архитектуры.

Альтернативой таким камерам являются камеры с тремя матрицами ПЗС, каждая из которых фиксирует изображение за своим светофильтром каждого из базовых цветов.

Кодирование изображения

Изображение отснятое фотокамерой должно приобрести оцифрованный вид. Это происходит при помощи АЦП (аналого-цифрового преобразователя). Решающий этап при оцифровке - это преобразование аналоговых данных в дискретные (ступенчатые) значения, которые понимает компьютер. Этот процесс естественно приводит к потерям качества, но этот недостаток легко восполняется путем коррекции изображения. Также для подавления шумов квантования использовалась диффузия ошибки квантования, где при переходе с одного уровня на другой скачки сглаживались смесью из двух соседних точек. Чем мельче ступени (чем их больше), на которые разбивается аналоговый сигнал, тем выше качество оцифровки, и тем точнее будет отснятое изображение. Для полиграфической системы применяется восьмиразрядная равноконтрастная шкала, здесь шумы квантования практически не заметны для зрителя. Это легко объясняется тем, что человеческий глаз, как показало исследование, способен различать приблизительно (это зависит от конкретного человека) 64 уровня серого, таким образом для оцифровки достаточно 6 бит. Но, несмотря на этот факт, изображение оцифровывается 8 битами, с запасом, так как оцифровка происходит с ошибкой, а также 8 бит - это то значение бит, которое является базовым для вычислительной системы (ПК), равное одному байту.

Яркость определенной точки может быть выражена, например, значением напряжения, которое будет измерено, а затем переведена в понятную для компьютера форму при помощи АЦП. Итак, аналоговый сигнал проходит следующие процедуры обработки:

Дискретизацию - здесь аналоговое значение сигналя заменяется ступенчатым, согласно такту АЦП

Квантование - дискретизованный сигнал далее проходит стадию квантования, где согласно алгоритму, каждый такой сигнал занимает свое место в соответствующем номере шага. Значение, находящееся между делениями шага квантования, приписываются с ошибкой половина шага шкалы, что является ошибкой квантования

Кодирование - на этом уровне «оквантованный» сигнал представляется в виде цифрового кода, который можно хранить, обрабатывать, а главное - его понимает компьютер

Подведу итог: из описанного выше следует, что качество оцифрованного изображения зависит от двух факторов - от числа уровней квантования и от точности измерения параметров изображения (например, значения напряжения).

При оцифровке цветного изображения происходит то же самое, с одной лишь разницей, что отраженный от изображения свет делится на три составляющих - красную, зеленую и синюю, которые оцифровываются аналогичным способом. Цвет каждой точки изображения после оцифровки описывается тремя числами. Поскольку в этом случае значения красного, зеленого и синего находятся в пределах между 0 и 255 (при 8 битах), оцифрованное изображение может содержать максимум 256х256х256, то есть 16 777 216 цветов, что гораздо больше, чем может воспринимать человеческий глаз (192 000 цветов). В этом случае говорят о глубине цвета в 24 бита (8 бит красного + 8 бит зеленого + 8 бит синего = 24).

Теперь самое время перейти к способу хранения графического изображения и способу его представления.

Хранение изображения

После оцифровки изображение сохраняется в оперативной памяти или, что встречается реже, в памяти самого оцифровывателя. При выключении питания происходит потеря информации. Поэтому встает вопрос сохранения информации. Здесь возникает проблема выбора формата представления информации.

Проведу небольшой расчет, для большей наглядности проблемы выбора формата представления графической информации. Как уже говорилось ранее в моей работе, графическая информация может быть представлена как 8 битами (например, монохромное изображение) или 24 битами (например, цветное изображение). Решу небольшую задачу: пусть разрешение изображения будет 800х600 пикселов, тогда не трудно подсчитать, что для монохромного изображения потребуется 600х800*8 бит = 3 840 000 бит = 480 000 байт, а для цветного - места потребуется 600х800х24 бита = 11 520 000 бит = 1 440 000 байт, что уже в три раза больше. Естественно напрашивается вывод, что при увеличении размера изображения будет прямопропорционально увеличиваться объем графического файла. Поэтому остро встает вопрос о применении особых графических форматах файлов.

Форматов существует огромное количество. В цифровой фотографии для сохранения снимков в памяти фотоаппарата чаще всего применяются два типа графических файлов - TIFF (Tagged Image File Format - теговый формат файла изображения) и JPEG (Joint Photographers Expert Group). Они различаются алгоритмом сжатия.

Каждый графический файл состоит из двух основных частей:

Заголовка

Данных

Палитровые изображения дополнительно содержат таблицу цветов, в соответствии с которой элементам изображения присваиваются ее значения.

В начале заголовка стоят несколько числовых значений, которые указывают спецификацию файла (TIFF, JPEG, BMP и др.).

Самым важным является TIFF формат. Этот формат используется как на IBM машинах, так и на MAC, что является его преимуществом для полиграфии. В этом формате можно представлять как монохромные (двухградационные, полутоновые), так и цветные изображения с 16, 256 и более цветами (например, HiColor). В TIFF формате сжатие происходит за счет особого алгоритма записи информации, при котором однотипные последовательности записаны в виде произведения кода на число повторяющихся последовательностей. В результате размер файла уменьшается примерно на 1/5 часть от исходного. Такое сжатие происходит без потерь, а также этот формат предназначен для преставления изображения в растровой форме, что важно для полиграфического его применения.

Формат TIFF применяется для хранения в памяти фотоаппарата снимков с максимальным разрешением и качеством, что, соответственно, увеличивает размер файла. Зато фотограф, а затем дизайнер-верстальщик располагает всеми возможностями для дальнейшей обработки снимка.

Также на ряду с TIF-форматом широко распространен графический формат JPG. В этом формате происходит сжатие графической информации с потерями. Алгоритм сжатия основан на исключении мелких деталей, в связи с этим степень сжатия может достигать 90%.

В цифровых фотокамерах степень сжатия JPG файла можно регулировать за счет настроек в самой камере. В фотоаппаратах начального уровня, не являющихся профессиональными, этот формат может быть единственным, а в полупрофессиональных и в профессиональных - может быть дополнительным для увеличения скорости съемки и для экономии места на карте памяти.

Выбор цифровой фотокамеры

цифровой фотоаппарат допечатный

В настоящее время в полиграфии используется огромное количество разнообразных цифровых фотоаппаратов, которые выполняют функции, связанные с допечатным процессом. В виду этого можно провести классификацию фотоаппаратов:

Любительские

Полупрофессиональные

Профессиональные

Репортажные

Профессиональные камеры сканирующего типа

Профессиональные портативные студийные цифровые камеры высшего класса

Любительские цифровые камеры

Цифровая камера данного типа может быть использована для любительской фотосъемки, а также, для размещения отснятых кадров в мировой паутине Internet. Камера этого типа не дорога, но и, соответственно, и не располагает некоторыми качествами, такими как: разрешение и оптическая система. Разрешение таких камер не превышает значения 700 000 - 800 000 пикселов (например, ПЗС-матрица таких камер будет иметь 1 024х768 элементов). Зато цена такой камеры вполне доступна каждому фотолюбителю. Такой фотоаппарат может быть также использован в качестве web-камеры.

Используемые (возможные) разрешения камеры такого класса:

640х480 элементов

1024х768элементов

У таких камер есть несколько недостатков. В первую очередь механизма диафрагмирования может не быть, объективы цифровых фотоаппаратов начального уровня имеют небольшую светосилу и, как следствие, не достаточную глубину резкости. Поэтому они не имеют автоматической наводки на резкость, а настроены на гиперфокальное расстояние, резкость установлена на бесконечность.

Глубина цвета таких камер обычно не превышает 24 бит, что не достаточно для полиграфии, но вполне достаточно для публикации изображений на web-страницах.

В качестве оптических систем в любительских камерах обычно используют, так называемые универсальные объективы иногда даже с пластиковой оптикой.

Вспышка либо не устанавливается вовсе, либо сделана отключаемой. Недостатки встроенной вспышки такие же как и у обыкновенной «мыльницы» - вспышка не способна смоделировать заполняющий свет, слишком резко высвечивая центральную часть кадра, а не большая мощность вспышки не достаточна при съемки на расстоянии от объекта.

Примером таких цифровых фотокамер могут быть: «Agfa ePhoto-307» (разрешением 640х480), «Minolta D Mage Y» (разрешением 640х480), «SONY DKC-IDI» (разрешением 768х576) и другие. Размер отпечатанных изображений таких камер не превышает 4х6 см.

Что касается памяти, то она может быть встроенной либо съемной (карты памяти CF, xD и другие).В данной категории камеры используется только одна ПЗС-матрица. Поскольку камера должна обеспечить «захват» цветовой информации за одно экспонирование, каждый элемент ПЗС-матрицы имеет свой фильтр (красный, синий, зеленый), то есть в таких матрицах для получения одного значения RGB-элемента используется три чувствительных элемента. Такая технология характеризуется самой высокой скоростью оцифровки изображения, но и наиболее низким разрешением, по сравнению с цифровыми фотоаппаратами, использующими три ПЗС-матрицы, либо три снимка с установкой перед каждым снимком своего цветного фильтра на одну матрицу ПЗС.

Для сглаживания цветов изображения в камерах низкого разрешения применяется алгоритмическая программа интерполяции (для расчета отсутствующего цвета между пикселями изображения). Недостаток этой программы заключается в том, что при увеличении изображения нарушается цветопередача, особенно если оригинал имеет мелкие цветные детали.

Вывод: камера данного типа пригодна для съемки изображений для оформления Internet-версии издания, либо для оформления сайта. Данный тип фотокамеры могут также использовать фотожурналисты для съемки движущихся объектов, так как аппараты этого типа могут использовать короткие выдержки для ручной съемки. Для полиграфического применения данная цифровая камера не годится из-за недостаточного разрешения, точности цветопередачи, глубины цвета и других параметров изображения, являющихся неотъемлемой составляющей качественного изображения.

Полупрофессиональные цифровые фотоаппараты

Этот тип камер характеризуется большим, чем у камер предыдущего класса, разрешением (1,3 - 3,3 млн. пикселей). Примером цифровых фотокамер данного класса могут служить:

Olympus C-960 ZOOM - разрешение 1,3 млн. пикселей, объектив с переменным фокусным расстоянием, обеспечивает 3х кратное увеличение, ПЗС-матрица 1/2,7 дюйма.

Nikon COOLPIX 3200 - разрешение 3,32 млн. пикселей, объектив с переменным фокусным расстоянием _______, обеспечивает 3х кратное увеличение. Этот фотоаппарат характеризуется ___ режимами сжатия: низким (SHQ), нормальным (HQ) и высоким (SQ). Изображения могут быть записаны во встроенную память (10 Mb) и на CF. Оба типа памяти могут использоваться одновременно. Данные камеры снабжены различными режимами вспышки: режим медленной синхронизации, подавление эффекта «красных глаз», режим автовспышки и принудительной вспышки. Дополнительными удобствами можно считать возможность видеовыхода на экран телевизора и наличие TFT-ЖК дисплея, на котором можно просматривать кадров одновременно, а также опция увеличения изображения в раза. Эта камера довольно таки эргономична со стильным дизайном корпуса серебристого цвета, удобно располагается в руке и легко управляется одной рукой. В меню Nikon COOLPIX 3200 используются стандартные настройки: авто, против солнца, сканер что удобно для быстрой адаптации камеры к специфики снимаемого оригинала. Также не исключена и ручная настройка фотокамеры.

Цифровые фотокамеры могут использоваться при съемки изображений для полиграфии. Отснятые этой камерой снимки можно печатать в полноцветных рекламных листовках не высокого разрешения, для печати газетных иллюстраций и иллюстраций для книжной продукции (за исключением высокохудожественных изданий), а также при создании сайта.

Размещено на Allbest.ru