Глава 2. Физический смысл работы камеры

Основные компоненты камеры:

• Объектив

• Матрица

• Аналого-цифровой преобразователь (АЦП)

Процесс построения изображения в современной фото-видео технике описывается моделью идеальной камеры-обскуры или «pinhole» (анлг. «маленькое отверстие»). Это простейшая модель построения изображения с помощью света. Принцип работы основан на прямолинейном распространении света. Каждый световой луч, отраженный от объекта, проходит через малое отверстие. При этом только один луч может пройти и попасть на экран. В результате на экране возникает перевернутое изображение (рис. 1).

Рис. 1 Модель камеры-обскуры

Свет, отраженный от какой-либо точки A пространства проходит через бесконечно маленькое отверстие - принципиальную точку C и доходит до плоскости проекции - матрицы камеры, образуя на ней точку A’. Таким образом, каждой точке пространства на плоскости проекции соответствует только одна проекционная точка. В современной технике вместо отверстия используется объектив с линзами. Однако физическая суть остаётся той же.

Рассмотрим принцип работы камеры на примере последовательного алгоритма на некотором отрезке времени.

Свет от окружающей среды, предметов отражается и попадает в объектив камеры. В свою очередь, объектив собирает свет, фокусирует его в одной точке – на плоскости изображения и формирует четкое изображение на матрицы камеры. Другим примером служит использования увеличительной лупы на солнце, когда с помощью подбора необходимого расстояния от лупы до поверхности – фокусного расстояния, удается собрать все лучи в точку.

Сенсор камеры - матрица, на поверхности которой собираются лучи, представляет собой плоский электронный элемент, состоящий из миллионов маленьких светочувствительных ячеек — пикселей. Каждый пиксель работает как миниатюрный датчик света. Когда свет – фотоны попадают на пиксель, то фотон «выбивает» электрон из полупроводника, образуя электрический ток. Яркость конечного изображения зависит от количества фотонов, а следовательно, и электрического тока.

Однако изображение с цифровых источников мы получаем в цветном формате. Для обеспечения данного эффекта, помимо параметра яркости, необходимо получать параметр интенсивности цвета. Байеровский фильтр — это ключевой элемент в современных цифровых камерах, который позволяет получать цветное изображение с помощью чёрно-белой (монохромной) матрицы. Он был изобретён инженером Kodak Брайсом Байером в 1976 году и до сих пор используется в подавляющем большинстве камер: от смартфонов до промышленных систем технического зрения. Это цветной фильтр, который располагается непосредственно над фотосенсором (матрицей), состоит из чередующихся цветных ячеек: красных (R), зелёных (G) и синих (B). Фильтр укладывается в мозаичный шаблон 2×2 пикселя в формате:

GR
BG

Каждая ячейка матрицы воспринимает только 1/3 часть спектра предметной точки и для получения остальных 2/3 цветов предметной точки участвуют две рядом расположенные ячейки, в каждой из которых находятся по 1/3 недостающего цвета. Т. е. получается, что в формировании цветного изображения каждой предметной точки участвуют три ячейки фотосенсора с потерями 2/3 цветового потока в каждой. 2/3 недостающих цветов рассчитываются процессором камеры на основании данных, полученных из соседних предметных точек объекта и соседних ячеек фотосенсора. В результате интерполяции по алгоритму Дебайеризация формируются цвета с восстановленной цветовой яркостью. Фильтра зеленного цвета больше, так как человеческий глаз наиболее чувствителен к зелёному цвету, особенно при восприятии деталей и контрастов. Это повышает качество и резкость итогового изображения.

Это наиболее распространенный способ, однако он имеет некоторые недостатки:

• Потеря детализации - каждый пиксель видит только один цвет, остальное интерполируется.

• Шумы и артефакты - при неправильной дебайеризации возникают ошибки (цветовые искажения).

• Неточное цветопередача - особенно в сложных текстурах и при плохом освещении.

В итоге электрический сигнал – данные с датчиков, попадают в блок аналого-цифрового преобразования (АЦП). Например, при значении 0 – пиксель черный, свет не попал, 255 – максимальная яркость. Далее все значения собирают и обрабатываются, на выходе получается цифровая матрица – изображение.