Digitalizarea imaginii optice. Aparatul fotografic digital

Aparatul fotografic digitalizat este o construcţie similară cu aparatele fotografice convenţionale, deosebirea fundamentală între ele constă în tehnica de înregistrare a imaginii. În aparatele digitale imaginea optică este transformată în informaţie digitalizată prin intermediul unui traductor electronic, spre deosebire de aparatele foto convenţionale unde imaginea este înregistrată pe un film cu emulsie fotosensibilă.

Indiferent de tipul aparatului fotografic acestea proiectează imaginea obiectului într-o cameră obscură prin intermediul obiectivului aparatului pentru înregistrare.. Figura 1 arată schema aparatelor fotografice cu indicarea principalelor elemente constructive: obiectiv, diafragmă “iris” (diafragmă de reglare a fluxului incident), obturatorul de închidere-deschidere (mecanismul de expunere), elementul de înregistrare a imaginii şi vizorul de încadrare a obiectelor selectate pentru fotografiere

Imaginea reală răsturnată a obiectelor se formează în planul peretelui posterior al camerei, unde are loc înregistrarea imaginii. Punerea la punct, adică reglarea poziţiei obiectivului faţă de obiect în aşa fel ca imaginea proiectată să fie clară, se realizează prin intermediul sistemului de reglare a poziţiei obiectivului. La aparate digitale profesionale această poziţionare a obiectivului este controlată în mod automat de un microprocesor pentru obţinerea clarităţii optime a imaginii. În acest scop un servomotor acţionează poziţia obiectivului prin intermediul unui angrenaj de deplasare fină. Algoritmul de reglaj are la bază evaluarea contrastului imaginii, sau evaluarea distanţei dintre obiect şi aparat, măsurate cu ultrasunete sau radiaţii infraroşii. Uneori reglajul este realizat pentru o distanţă medie astfel ca a imaginea obiectelor să fie cuprinsă în intervalul de reglaj pentru adâncimea de vedere clară.

Fig. 1. Schema constructivă a aparatului fotografic

În situaţia dispunerii obiectului la o distanţă obiect p adecvată faţă de planul lentilei obiectivului, imaginea se formează cu claritatea maximă în planul de înregistrare. Însă punctele obiect situate la distanţe mai mari sau mai mici faţă de planul obiectivului pentru puncte obiect < p < imaginile vor da naştere la cercuri de difuzie.

Există un interval al punctelor obiect definit prin conform figurii 2 pentru care punctele de imagini au cercul de difuzie de rază nu mai mare decât 1/80 mm, valoare pentru care ochiul uman nu are „putere de rezolvare”. Această distanţă obiect pentru care avem îndeplinită condiţia formării imaginilor clare se numeşte „adâncimea de câmp” al aparatului.

Fig. 2. Definirea noţiunii „adâncimea de câmp” a aparatului: a). distanţa minimă pmin de formare a cercului de difuzie a imaginii clare; b). formarea imaginii clare; c). cercul de difuzie pentru distanţa pmax maximă de formare a imaginii clare

Obiectivele aparatelor fotografice sunt caracterizate prin puterea luminoasă maximă, corespunzătoare raportului minim R = f/d dintre valoarea distanţei focale f şi diametrului d maxim al deschiderii diafragmei lentilei obiectivului. Acest raport standardizat este marcat pe montura obiectivului pentru diferite deschideri circulare realizate cu diafragma reglabilă.

Intensitatea radiaţiei incidente se poate modifica prin reglarea deschiderii diafragmei. Valorile numărului de deschidere R sunt determinate prin selectarea diferitelor deschideri ale diafragmei pentru: 1; 1,4; 2; 2,8; 4; 5,6; 8; 11; 16; 22; 32; 45; 64 (fig. 3).

Timpul de expunere se reglează cu ajutorul mecanismului de expunere pentru durate de regulă fracţiuni de secunde. Timpii de expunere sunt standardizate pentru durate care formează o serie cu raţie ½. Astfel, timpii de expunere standardizate sunt următoarele intervale Texpunere: 1; ½; ¼; 1/8; 1/15; 1/30; 1/60; 1/125; 1/250; 1/500; 1/1000; 1/2000 sec.

Fig. 3. Imaginea de detaliu al obiectivului cu distanţă focală reglabilă a sistemului lentilelor centrate pentru obţinerea imaginii stigmatice

Mecanismul de expunere are rolul de a controla fluxul luminii incidente către elementul de înregistrare a imaginii primare, fie acesta un film fotosensibil sau senzor electronic. Valoarea fluxului luminii incidente trebuie corelată cu sensibilitatea elementului de înregistrare, alegerea valorii optime a fluxului de lumină este determinată de intensitatea radiaţiei şi de timpul de expunere.

Din cauza simplificării marcajelor pe montura obiectivelor sunt notate timpii de expunere prin valoarea numitorului fracţiei. Astfel, numerele mai mari semnifică durate mai reduse de expunere. Pentru realizarea unor expuneri cu durate mai lungi de o secundă, mecanismul de deschidere a obturatorului poate fi menţinut deschis arbitrar, dacă se alege poziţia marcajului B (Bleibt). În această poziţie de expunere obturatorul rămâne deschis pe durata apăsării butonului de declanşare a mecanismului de deschidere. În aparatele moderne mecanismul de deschidere este acţionat electromagnetic şi se poate controla în mod automat. Timpul de expunere este preselectat şi reglat în funcţie de valoarea iluminării medie a obiectului selectat pentru fotografiere. Această valoare este măsurată cu ajutorul unui luxmetru integrat în construcţia aparatului fotografic.

În cazul aparatelor fotografice convenţionale senzorul de imagine este filmul fotografic realizat pe bază de cristale fotosensibile microscopice (în general halogenură de argint, de regulă AgBr, AgCl, AgJ) dispersate omogen în stratul de gelatină întins pe pelicula suport. Imaginea latentă care se formează în emulsia fotografică este consecinţa expunerii la lumină a stratului fotosensibil, prin care moleculele de halogenură de argint sunt activate pentru reacţie fotochimică. În procesul de developare, care este un proces chimic,

atomii de argint foto-activaţi vor cataliza reacţii de reducere prin descompunerea halogenurii de argint în argint metalic. Cantitatea de halogenura de argint nedescompusă se fixează, respectiv se îndepărtează ulterior din emulsie prin spălare cu apă curentă. Densitatea superficială a particulelor de argint care au fost activate, respectiv fixate în emulsie, determină gradul de înnegrire a peliculei, este o mărime direct proporţională cu iluminarea suprafeţei filmului. Relaţia de legătură existentă între fluxul luminii incidente (expunerea) şi gradul de înnegrire reprezintă o caracteristică numită curba de înnegrire a stratului fotosensibil (fig. 4a).

Regiunea liniară a curbei de înnegrire a emulsiei fotografice este o exprimare a proprietăţii filmului, care determină gradaţia materialului fotosensibil. În cazul filmelor colorate sunt stratificate minimum trei straturi fotosensibile cu sensibilitate spectrală selectivă. În procesul de prelucrare se eliberează pigmenţi coloranţi pentru culorile roşu, verde şi albasru. Amestecul ponderat al acestor cantităţi de coloranţi determină tonul culorilor pe pelicula fotosensibilă. Sensibilităţiile emulsiilor fotografice au fost standardizate în diferite sisteme naţionale, exemplu în standardul german DIN (Deutsche Industrie Norm), în standardul american ASA (American Standards Association), precum şi în standardul internaţional ISO (International Standards Organisation). Diferitele standarde stabilesc treptele echivalente pentru expunerea optimă corespunzătoare sensibilităţii filmului. Standardul DIN indică pentru dublarea gradului de sensibilitate a emulsiei o creştere de 3 grade DIN, ceea ce înseamnă că o expunere corectă al unui film cu o gradaţie superioară necesită a cantitate de lumină de valoare înjumătăţită. Filmele sunt clasificate din punctul de vedere al sensibilităţii în filme cu sensibilitate mică, medie şi înaltă. Granulaţia filmelor de sensibilitate mică este foarte fină, ceea ce determină creşterea clarităţii imaginii filmelor şi prin urmare a rezoluţiei punctuale. Aceste filme sunt special destinate aparatelor de înregistrare a imaginilor de microscopie electronică, respectiv pentru uz în imagistică medicală.

Aparatele digitale sunt dotate cu sisteme electronice de detectare şi de înregistrare a imaginii fotografice. Aceste traductoare sunt realizate dintr-un număr mare de senzori pe bază de cristal de siliciu într-o dispunere matriceală. Aceste detectoare fotosensibile la acţiunea radiaţiei luminoase convertesc imaginea optică în puncte imagine de semnale electrice prin informaţie binară pentru fiecare punct obiect. Punctele imagini sunt numite pixele. Termenul pixel este denumirea prescurtată a cuvintelor englezeşti Picture Element. Fiecare pixel este caracterizat prin intensitate şi culoare a punctului corespunzător de imagine. Culorile sunt redate prin mixarea semnalelor intensităţilor culorilor de bază RGB: roşu (Red) – verde (Green) – Albastru (Blue). Intensitatea luminoasă a fiecărei culori de

bază este exprimată printr-un număr binar. Dacă aceste numere sunt exprimate cu 8 biţi, atunci un pixel este de 3 x 8=24 biţi. Fiecare culoare fundamentală poate avea 28=256 nivele ale gradaţiilor de intensitate, astfel în totalitate pot fi redate uin număr impresionant de nuanţe de culori, în totalitate 256 x 256 x 256 = 16 777 216 nuanţe de culori. În cazul aparatelor profesionale culorile de bază sunt exprimate prin numere cu 12 biţi, astfel un pixel este exprimat prin 36 biţi, cu acesteea se pot înregistra un număr de 68 719 476 736 nuanţe diferite de culori!

Întrucât ochiul uman are capacitatea de a distinge doar 150 de culori şi 17 000 de nivele ale intensităţii luminoase, motiv pentru care chiar în cazul redării digitale ale imaginilor cu înregistrare pe 24 biţi, putem vorbi de redarea fidelă a imaginilor (True colour).

Fig. 4. Curba de înnegrire a stratului fotosensibil (a), respectiv caracteristica de semnal al traductorului electronic

În categoria senzorilor electronici de imagine aparţin acele celule fotosensibile care în dispunerea lor matricială pe o plăcuţă de siliciu monocristalin semiconductor formează traductorul semnalului optic în semnal electric. Traductoarele electronice sunt realizate pe principiul dispozitivului cu sarcină cuplată CCD (Charge Coupled Device) sau traductorul CMOS (Complemetary Metal Oxide Semiconductor). Construcţia unei celule CCD este prezentată pe figura 5, în secţiunea transversală a canalului de conducţie. Fluxul de lumină incident asupra cristalului semiconductor de Si generează sarcini electrice libere prin aşa numitul efect fotoelectric interior. Cantitatea de sarcină liberă este proporţională cu energia fluxului luminos incident, prin urmare putem concluziona asupra intensităţii luminoase a radiaţiei incidente care a fost recepţionat de senzorul radiaţiei luminoase pe durata expunerii. Conform caracteristicii traductorului electronic de imagine (fig. 4b) semnalul electric generat de fluxul incident este proporţional cu

expunerea pe întreaga porţiune lineară a caracteristicii între domeniul curentului de întuneric, respectiv domeniul de saturaţie al caracteristicii. Această proprietate a traductorilor electronici de imagine asigură o redare fidelă pentru un domeniu mai larg al intensităţilor luminoase decât în cazul filmelor fotosensibile.

Fig. 5. Secţiunea celulei CCD realizată ortogonal la canalul şirului de celule

Procesul de conducţie electrică în cristalul semiconductor de Si fără atomi străini de dopare este foarte limitat datorită legăturilor covalente puternice a electronilor de valenţă. Structura cristalină a atomilor tetravalenţi de Si prin dispunerea lor în vârfurile unui tetraedru asigură punerea în comun a electronilor de valenţă şi formarea legăturilor stabile. Astfel, la temperaturi joase (T → 0 K) cristalul de Si se comportă ca un izolator perfect. La temperaturi mai ridicate unii electroni de valenţă pot părăsi localizarea determinată de legăturile covalente şi iau naştere „goluri”, adică lipsă de sarcini negative.

Această generare a sarcinilor pozitive (goluri) şi a electronilot nelocalizaţi poate fi cauzată de energia fotonilor incidenţi, proces numit „efect fotoelectric interior”. În asemenea situaţie procesul de conducţie este realizat de un număr egal de sarcini negative (electroni) şi sarcini pozitive (goluri), proces numit conducţie intrinsecă.

Prin procesul de dopare a cristalului de bază cu atomi străini, numiţi atomi de impuritate, conductivitatea electrică poate fi controlată. Impurificarea cristalului de bază cu atomi pentavalenţi (exemplu atomi de fosfor P, arseniu As, sau stibiu Sb), atomul donor contribuie cu un electron suplimentar la realizarea procesului de conducţie, iar ionul pozitiv al atomului de dopare care a pierdut un electron de valenţă este localizat în cristalul de bază în poziţie de substituţie sau interstiţial (figura 6a). Astfel, semiconductorul dopat cu atomi donori de electroni liberi devine de conducţie tip n, adică de conducţie electronică din cauza numărului majoritar de sarcini electrice negative, faţă de purtătorii minoritari de sarcini electrice pozitive (goluri) .

Fig. 6. Modelul bidimensional al conducţiei: a) în semiconductorul impurificat pentru conducţie electronică, b) în semiconductorul impurificat pentru conducţie de goluri

Prin doparea cristalului de bază tetravalent cu atomi trivalenţi (exemplu, atomi de bor B, aluminiu Al, galiu Ga, sau indiu In), atomul

de impuritate realizează trei legături covalente cu atomii vecini de Si. Prin aceasta atomul trivalent acceptă un electron pentru a-şi completa legătura, devenind astfel ion negativ al reţelei cristaline, iar golul pozitiv participă în procesul de conducţie în calitate de purtător majoritar de sarcină electrică liberă. Semiconductorul se numeşte de conducţie tip p, fiind dopat cu atomi aceptori de electroni.

În celulele traductorului CCD la interfaţa joncţiunii p-n se formează o structură de tip diodă, care prin efectul fotoelectric intern conduce la acumularea pachetului de sarcini electrice negative libere în regiunea de conducţie n. Aceasta se explică prin faptul că în regiunea golită de sarcini electrice majoritare libere din apropierea interfeţei dintre zona p şi zona n datorită difuziei şi recombinaţiei, ia naştere un câmp electric local de frânare pentru purtătorii majoritari de sarcini electrice.

Fig. 7. Prezentarea schematică a mecanismului de formare a câmpului retardant prin purtătorii de sarcini electrice legate în urma golirii regiunii interfeţei de sarcini electrice libere

Electronii liberi generaţi sub acţiunea fotonilor incidenţi vor fi dirijaţi către regiunea de sarcină spaţială pozitivă a regiunii n, unde formează un pachet de sarcină negativă (figura 8).

Secţiunea sagitală a celulelor CCD (secţiunea în lungul canalului de conducţie n) indică formarea pachetului de sarcini electrice negative localizate în regiunea electrodului pozitivat la potenţialul +5V faţă de electrozii marginali ai celulei, aceştia fiind negativaţi la potenţialul –5V. Astfel, fiecare pixel individual separat prin câmpurile electrice ale grupurilor de electrozi posedă sarcina localizată la interfaţa joncţiunii p-n în interiorul canalului de conducţie n.

Fig. 8. Secţiunea sagitală a celulei CCD, prin indicarea sarcinii induse localizate în regiunea electrodului pozitivat din joncţiunea p-n

Cum se realizează deplasarea pachetului de sarcini electrice în lungul canalului de conducţie? Diagramele prezentate pentru trei momente consecutive prezentând semnale dreptunghiulare ale tensiunii de comandă furnizate de către generatorul de impulsuri CLK1, CLK2, respectiv CLK3. Pachetele de sarcini negative individuale ale celulelor CCD vor fi dirijate în ritmul impulsurilor aplicate către registrul de citire, respectiv către unitatea de citire (fig. 9).

Fig. 9. Conectarea electrozilor de comandă pentru dirijarea pachetelor de sarcini electrice induse în celulele CCD şi prezentarea a trei secvenţe în care generatorul de tact trimite semnale de comandă pentru transportul sarcinilor negative către registrul de citire

„Citirea” registrelor încărcate cu pachete de sarcini electrice are loc prin încărcarea pachetelor de sarcinile pe capacităţi calibrate pentru tensiuni de referinţă şi apoi descărcarea condensatorilor pentru semnale analogice corespunzătoare cuantelor radiaţiilor incidente. Pachetele de sarcini electrice discretizate vor fi traduse din semnalul imagine analog în semnal digitalizat şi stocate în memoria calculatorului sub forma informaţiei digitalizate. Figura 10 arată schema de principiu al traductorului CCD integrat pe un chip de Si în varianta constructivă matriceală. Matricea de celule CCD în formatul n x m de celule, fiecare celulă este prevăzută cu trei electrozi de comandă pentru semnalul generatorului de tact. Celulele CCD

structurate pe o coloană sunt unite prin drain-ul de conducţie n, care asigură antrenarea sarcinilor electrice în secvenţe de deplasări către registrul de citire. Celulele din coloanele vecine sunt izolate între ele prin stratul izolator SiO2, astfel sosesc în registrul de citire pachete de sarcini distincte din ultimul rând de celule, care vor fi citite de unitatea de citire în timpul , astfel citirea tuturor celulelor CCD necesită un interval de timp n x m xt.

Prin dispunerea unor filtre optice monocromatice CFA (Colour Filter Array) pe celulele separate ale traductorului, exemplu metoda-Bayer propune folosirea filtrelor optice monocromatice dispuse în mod alternativ în structura 2 x 2 Red-Green-Blue-Green pentru redarea fidelă a imaginilor color (fig. 10).

Fig. 10. Schema algoritmului de înregistrare/citire a imaginii digitalizate

Puterea de rezoluţie a aparatului fotografic este determinată atât de sistemul lentilelor de formare a imaginilor (obiectivul propriuzis al aparatului) cât şi de sistemul de senzori ai imaginii. În timp ce în aparatele fotografice convenţionale echipat cu un film de 24 x 36 mm de sensibilitate medie (100 ASA), pe fiecare mm2 al filmului negativ avem o rezoluţie punctuală de cca. 200 puncte, ceea ce înseamnă că pe aria clişeului de imagine avem un număr de (24 x 200) x (36 x 200) = 34,56 megapixeli. Comparativ aceste aparate clasice sunt mai performante dacât aparatele cu înregistrare digitalizată, de exemplu aparatul profesional Kodak Pro DCS-14n are o înregistrare pentru 13,89 MegaPixel, iar aparatul Canon EOS-1Ds are capacitate pentru înregistrare cu 11,1 MegaPixel.

În aparatul digital imaginea înregistrată sub forma digitalizată este stocată într-o memorie de imagine. Aceste memorii în timpul înregistrării sunt încărcate , care trebuiesc descărcate în vederea eliberării memoriei prin transferarea informaţiei în unitatea HD a unui calculator PC sau prin copiere pe disc CD. Aparatele foto digitale mai noi sunt dotate cu cartelă de memorie interschimbală, care au în general o capacitate de stocare 8-, 16-, 32-, 64-, 128-, 256- sau 512 Mbyte. Cartela de memorie Compact Flash (CF) este popular datorită avantajelor oferite prin durata mare de utilizabilitate şi fezabilitate mare. Cartela de memorie Multi Media Card (MMC) este o cartelă miniaturizată devine din ce în ce mai utilizat. Cartele de tip Smart Media (SM) utilizate în multe aparate fotografice digitale încep să fie înlocuite cu cartele mai performante, însă aceste cartele nu sunt interschimbabile.

Informaţia de pe cartela de memorie a paratului foto sunt trecute în calculator prin cititorul de cartelă, sau în cazul aparatelor mai performante aparatele se pot interconecta direct cu calculator prin intermediul unui cablu de legătură cu care informaţia este descărcată în formatul serie prin portalul serie USB (Universal Serial Bus) al calculatorului. Descărcarea imaginilor este realizată de un program anexat aparatului foto digital, prin care conţinutul de informaţie din memoria aparatului foto este şters. Aparatele foto digitale performante sunt dotate cu ieşire video şi există posibilitatea conectării camerei foto cu videoproiector sau televizor. Unele aparate sunt dotate cu cablu pentru conexiune la imprimantă, lucru care permite listarea directă a imaginilor pe hârtie.

În memoria aparatului foto digital imaginile sunt stocate sub forma compactată şi nu sub forma de pixele pentru a mări capacitatea de stocare. În acest scop sunt folosite programele de compactizare JPEG (Joint Photographic Experts Group), RAW şi TIFF (Tagged – Image File Format). Programul JPEG permite pe baza unui algoritm de compactizare realizarea unui raport de 5:1- 5:15, ce permite reducerea extensiunii imaginii prin renunţarea la informaţii nesemnificative pentru observarea vizuală.

Numărul imaginilor stocate în aparatul foto digital depinde de capacitatea memoriei şi de calitatea imaginilor, adică de rezoluţia realizată şi de gradul de compactizare a imaginilor. Tabelul alăturat prezintă pentru exemplificare aparatul profesional Canon EOS D60 cu senzor de imagine pentru rezoluţie maximă de 3072x2048 pixel = 6,3 Megapixel, dacă imaginile sunt salvate pe o cartelă de memorie Compact Flash 32 Mbyte.

Tabel cu caracteristicile de performanţă ale aparatului digital Canon EOSD D60 cu cartelă de memorie Compact Flash 32 MB. Următoarele capacităţi de stocare ale imaginilor se pot obţine în funcţie de calitatea imaginii şi a gradului de compactare a iamginilor.

Capacitatea de stocare a imaginilor în cazul cartelei de memorie 32 MB în funcţie de calitatea imaginii şi a gradului de compactare

RAW JPEG JPEG

Rezoluţia integrală 3072x2048 pixel

Nr. imagini Necesarulul de memorie

4

7,76 MB

12

2,56 MB

23

1,34 MBCompactare medie

2,4 : 1 7 : 1 14 : 1

Rezoluţie medie 2048x1360

Nr. imagini Necesarul de memorie

-- 23

1,39 MB

44

0,75 MBCompactare medie

-- 6:1 11:1

Rezoluţie redusă 1536x1024

Nr. imagini Necesarul de memorie

-- 35

0,90 MB

65

0,49 MBCompactare medie

-- 5 : 1 10 : 1

Aparatele fotografice digitale sunt prevăzute cu sistem electronic automat de căutare şi încadrare pentru capacitate de reglare la claritatea maximă a imaginii. Monitorul electronic LCD este un ecran cu afişaj de cristale lichide. Aceste aparate sunt dotate cu o pentaprismă (aceste tipuri de aparate sunt simbolizate cu acronimul SLR –Single-Lens Reflex Camera, sau TTL- Through The Lens) şi oglindă de reflexie pentru vizualizarea directă prin obiectivul aparatului fotografic a obiectului selectat pentru fotografiere. Imaginea obiectului fotografiat este proiectată pe un câmp-Fresnel cu raster de microprisme, care ajută la reglarea clarităţii imaginilor (fig. 11).

Fig. 11. Schema aparatului fotografic cu sistem de căutare şi încadrare dotat cu oglindă de reflexie, placă-Fresnel şi pentaprismă de viziune dreaptă

Aparatele digitale necesită alimentare cu energie electrică, de obicei alimentarea se realizează prin utilizarea bateriilor sau acumulatoarelor electrice reîncărcabile.

Vedere de detaliu asupra aparatului fotografic SLR Leica dotat cu sistem de căutare prin pentaprismă şi oglindă de reflexie este arătată pe figura 12.

Fig. 12. Imaginea aparatului fotografic SLR Leica dotat cu sistem de căutare prin pentaprismă şi oglindă de reflexie.

Figura 13 prezintă imaginea aparatului fotografic digital Canon EOS –1DS dotat cu pentaprismă şi sistem de căutare optică, respectiv monitorizare electronică prin LCD.

Fig. 13. Imaginea posterioară a aparatului digital Canon EOS –1DS dotat cu pentaprismă şi sistem de căutare optică, respectiv monitorizare electronică prin LCD: 1- încadrarea optică, 2- încadrare prin monitorul LCD, 3- afişarea electronică a parametrilor de reglaj preselectaţi