Качество изображения. Что такое разрешающая способность?

Содержание

Визуальная обработка сегодня изображений сталкивается с более серьезными проблемами, чем десять лет назад. К датчикам, с которыми они используются, предъявляются гораздо более высокие требования к разрешению, и размеры форматов одновременно становятся все меньше и так и больше, в то время как размер пикселя продолжает уменьшаться.

Сила разрешения

решение или разрешающая способность , разрешающая Вместимость, пространственная разрешение , угловое разрешение Относится к способности оптической системы, которая измеряется или наблюдается — микроскопами, телескопами или глазом, а также некоторыми детекторами, особенно теми, которые используются в изображениях — обнаруживать детали. Она может быть охарактеризована минимальным углом или расстоянием, которое должно разделять две соседние точки, чтобы их можно было правильно различить. Она может быть соответственно охарактеризована максимальной пространственной частотой, которую система может измерить или восстановить: Этот показатель выражается в циклах на миллиметр (cy/mm) или парах линий на миллиметр (pl/mm).

Определение разрешающей Эти возможности в равной степени применимы к пространственным, спектральным и временным разрешающей способности.

Резюме

Оптические приборы обычно содержат темную комнату, в которой свет, проходящий через отверстие темной комнаты, преломляется. Даже если оптическая система считается совершенной в том смысле, что она не имеет аберраций, преломление ограничивает ее разрешающую способность: точечный объект дает «нечеткий» изображение, так называемое место Эйри. Если две части объекта расположены слишком близко друг к другу, дифракционные пятна накладываются друг на друга и становится невозможно увидеть отдельные части объекта изображения этих деталей.

Воздушное место

моделирование воздушной точки. Альтернатива: нормальная контрастность/повышенная контрастность при слабом освещении.

Для диаметра круглой апертуры оптического прибора (в метрах), через которую проходит монохроматическая волна одной длины волны (в метрах), результирующая дифракционная картина, называемая диском Эйри, имеет первый черный круг, измеряющий угол по отношению к оси вращения (в радианах). от D λ

Количественная оценка

в. Критерий Шустера. b. Критерий Рэлея. v. Критерий Воробьева. d. Пятна неразличимы. Чередование: нормальная контрастность/повышенная контрастность при слабом освещении.

Контраст уменьшается с увеличением пространственной частоты, пока линии не станут неразличимы.

В зависимости от области применения могут использоваться различные критерии. Они указывают на условие расстояния между двумя точками Эйри для разделения точек; они применимы к оптическим системам с вращательной симметрией.

По углу

Критерий Шустера утверждает, что два пика разделимы для конфигурации, в которой их центральные доли не перекрываются. Критерий Шустера является более строгим, чем критерий Рэлея, и поэтому две точки должны быть разнесены на угол больше, чем. Δ θ ≃ 2, 44 год λ / D 44 \, \ lambda / D>
Критерий Рэлея предусматривает разделение двух пиков для конфигурации, в которой первое сокращение диска соответствует максимуму второго. Следовательно, две точки должны быть разнесены под углом больше, чем. Δ θ ≃ 1, 22 λ / D 22 \, \ lambda / D>

Критерий Воробья утверждает, что два пика разделимы, если вторая производная освещения исчезает ( точка перегиба ), другими словами, если форма суммы двух пиков все еще напоминает конское седло. Этот критерий, используемый в астрономии, 0,84 взвешенных по результату, полученному с критерием Рэлея:. Δ θ ≃ 1, 02 λ / D 02 \, \ lambda / D>

в. Критерий Шустера.

б. Критерий Рэлея.

v. Критерий Воробья.

d. Эти две точки неотличимы друг от друга.

В оставшейся части этой статьи будет использоваться только критерий Рэлея.

Порядки величины пространственной разрешающей способности

Разрешающая сила человеческого зрения

Разрешающая способность глаза составляет около одной угловой минуты (1′ = 1/60° = 0,017° ) или около 100 км на поверхности Луны при наблюдении с Земли или вблизи, детализация объекта составляет около 1 мм. или изображения, Он ограничен плотностью колбочек в наиболее чувствительной части сетчатки. Интересно отметить, что эта плотность физически оптимизирована, чтобы соответствовать дифракционному пределу.

На изображении ниже показан один и тот же объект в трех различных разрешениях. С определенного расстояния глаз уже не играет роли. Затем можно определить разрешение одного или обоих глаз: это соотношение между размером крупных пикселей (изображение справа) и расстояние, выше которого мы больше не воспринимаем разницу между изображениями.

Не существует стандарта для сертификации контроллеров разрешение, превышающее разрешающую человеческое зрение. Только идея дисплея retina приблизилась к этому, не подвергаясь отраслевой стандартизации.

Разрешение телескопа

Для телескопа с диаметром 10 м и длиной волны 550 нм в центре видимого диапазона теоретическая разрешающая составляет около 0,014 Бо ген секунды (3,8 × 10 -6 градусов), но этого невозможно достичь без использования адаптивной оптики из-за атмосферной турбулентности, которая размывает изображение. изображения. Чтобы получить лучшее разрешение, мы можем использовать оптику большего диаметра: это оправдывает борьбу за большие телескопы. Разновидностью является интерферометрия между удаленными телескопами.

Инструмент	Диаметр ( м )	D θ ( рад )	Δ θ ( » )	Детали луны	Подробности при 200 км
Глаз	0,0025	2,7 × 10-4	55	103 км	53 кв. м.
0,010	6,7 × 10-5	13	25 км	13 масл.
Киалия	0,050	1,3 × 10-5	2,8	5 км	2,7 м
0,10	6,7 × 10-6	1.4	2,6 км	1,3 м
Телескоп 150 мм	0,15	4,5 × 10-6	0,92	1,7 км	89 см
0,20	3,4 × 10 -6	0,69	1,3 км	67 см
Телескоп 1 м	1.0	6,7 × 10-7	0,14	260 кв. м.	13 см
Хаббл	2,4	2,8 × 10-7	0,058	110 квадратных метров.	55 мм
VLT	8.0	8,4 × 10-8	0,017	32 m².	16 мм
Телескопы Кек	10	6,7 × 10-8	0,014	25 м	13 мм
E-ELT (2025)	40	1,7 × 10-8	0,0035	6 месяцев.	3,3 мм
Как и ранее, вышеприведенные расчеты выполнены с использованием критерия Рэлея и для длины волны 550 нм.

В предыдущей статье я представил третий тип фотозатвора, используемый в цифровой фотографии, — электронный затвор. Я рассмотрел его природу, представил его определение и описал принцип его действия.

Качество изображения

Качество изображения определяется разрешающей Электронный затвор — это разновидность возможности микроскопа, т.е. минимальное расстояние, на котором оптика микроскопа может раздельно обнаружить две близко расположенные точки. разрешающая Это зависит от числовой апертуры объектива, конденсора и длины волны света, освещающего образец. Числовая апертура (апертура) зависит от угловой апертуры и показателя преломления среды между передней линзой и конденсором и образцом.

Угловая апертура объектива — это максимальный угол (AOB), под которым лучи могут войти в объектив через образец. Числовая апертура объектива равна произведению синуса половины угловой апертуры и показателя преломления среды между стеклом объектива и передней линзой. N.A. = n — sinα, где N.A. — числовая апертура, n — показатель преломления среды между объективом и линзой, а sinα — синус угла α, соответствующего половине угла AOV на диаграмме.

Поэтому апертура сухих систем (между передней линзой и подготовительным воздухом) не может быть больше 1 (обычно не больше 0,95). Среда между объективом и образцом называется иммерсионной жидкостью или иммерсией, а объектив, предназначенный для работы с иммерсионной жидкостью, называется иммерсионным объективом. Погружение в жидкость с более высоким показателем преломления, чем у воздуха, может увеличить числовую апертуру объектива и, таким образом, значение апертуры объектива, разрешающую способность.

Числовые апертуры всегда выгравированы на оправах объективов. Разрешающая способность микроскопа зависит от также апертура конденсатора. Предполагая, что апертура конденсора равна апертуре объектива, формула имеет вид разрешающей R=λ/2NA, где R — предельное значение. разрешенияλ — длина волны; N.A — числовая апертура. Из этой формулы, при наблюдении в видимом свете (зеленая часть спектра — λ=550нм), находим, что, разрешающая способность (предел разрешения) микроскопа не может быть > 0,2 мкм.

Влияние числовой апертуры объектива микроскопа на качество изображения

Объектив с достаточной апертурой (видны отдельные клетки).	Объектив с малой диафрагмой (недостаточная диафрагма).

Выделение большого светового конуса на боковой стороне линзы, так а также со стороны источника света. Это позволяет собирать больше преломленных лучей света от очень тонких структур в линзе. Первый способ улучшить разрешения — использовать конденсор, числовая апертура которого совпадает с числовой апертурой объектива.

Второй метод заключается в использовании жидкости для погружения между передней линзой и крышкой. Это влияет на показатель преломления n, описанный в первой формуле. Оптимальное значение, рекомендуемое для иммерсионных жидкостей, составляет 1,51.

Иммерсионные жидкости

Погружные жидкости необходимы для достижения числовой апертуры и, таким образом. разрешающей Линзы, специально предназначенные для использования с этими жидкостями и маркированные соответствующим образом. Погружные жидкости, которые находятся между линзой и образцом, имеют более высокий коэффициент преломления, чем воздух. Поэтому лучи света, отклоняющиеся от более мелких деталей образца, не рассеиваются, когда они покидают образец и попадают в линзу, что приводит к повышению коэффициента преломления. разрешающей способности.

Существуют водные иммерсионные линзы (обозначаются белым кольцом), масляные иммерсионные линзы (черное кольцо), глицериновые иммерсионные линзы (желтое кольцо) и монобромнафталиновые иммерсионные линзы (красное кольцо). Водные и масляные иммерсионные объективы используются для световой микроскопии биологических образцов. Специальные кварцево-глицериновые иммерсионные линзы пропускают коротковолновый ультрафиолетовый свет и предназначены для УФ-микроскопии (не путать с люминесценцией) (т.е. исследования биологических образцов, избирательно поглощающих ультрафиолетовый свет). Монобромнафталиновые иммерсионные объективы не используются для микроскопии биологических объектов.

Дистиллированная вода используется в качестве иммерсионной жидкости для водных иммерсионных объективов, а натуральное (кедровое) или синтетическое масло с определенным коэффициентом преломления — для масляных иммерсионных объективов.

В отличие от других иммерсионных жидкостей, масляная иммерсия является однородной, так так как имеет показатель преломления, равный или очень близкий к показателю преломления стекла. Этот показатель преломления (n) обычно рассчитывается для конкретной спектральной линии и температуры и указывается на бутылке с маслом. Например, показатель преломления масла для окунания для спектральной линии D в спектре натрия при температуре 20 °C составляет 1,515 (nD 20 = 1,515 ) при работе с колпачком и (nD 20 = 1,520) при работе без колпачка.

Для использования с дихроичными линзами нормализованный также дисперсия, т.е. разница в показателях преломления между различными линиями спектра.

Синтетическое иммерсионное масло предпочтительнее, поскольку его параметры можно отрегулировать более точно и, в отличие от кедрового масла, оно не высыхает на лицевой стороне линзы.

Учитывая вышесказанное, не следует использовать заменители погружного масла, и особенно вазелин. В некоторых методах микроскопии между конденсором и образцом помещают иммерсионное масло (часто дистиллированную воду), чтобы увеличить апертуру конденсора.

Такая малая глубина резкости может быть желательна, особенно для достижения размытого фона в портретах, но пейзажная съемка требует большей глубины, которую легче захватить с помощью гибкой диафрагмы компактных камер.

Никакой демократии

Качество вывода зависит от качества информации, передаваемой пикселями в файле. Например, барабанный сканер с максимальным разрешающей Емкость 19000 сп позволяет легко отсканировать оригинал с разрешением Отсканируйте 300 spi и получите нужный размер. и разрешению планшетный сканер 300spi за 100 долларов, но разница в качестве огромна. То же самое справедливо и для пикселей цифровых камер разных классов. Даже если одно устройство имеет больше пикселей на дюйм оригинала, чем другое, это не означает, что оно более качественное. Это особенно актуально для цифровых камер. Большинство покупателей цифровых камер определяют свои критерии выбора по количеству пикселей в матрице камеры и игнорируют другие аспекты, влияющие на качество. На качество влияет множество факторов: CCD-матрица и ее уровень шума, аналого-цифровой преобразователь, оптика и форматы файлов — все они влияют на качество изображений. изображения. Таким образом, на качество изображений и качество изображения в настоящее время влияют качество видео, уровень шума и качество изображения, уровень шума и качество изображения. разрешающая Возможности существующей оптики являются основным препятствием для развития цифровой фотографии.

Давайте рассмотрим небольшое упражнение, которое иллюстрирует взаимозависимость размеров изображения от разрешения устройства вывода:

Запускаем Photoshop.
Создаем новый файл, выбирая New в меню File (Cmd/Ctrl N).
В всплывающем окне, назовите файл » Испытание Разрешающей способности»
Обратите внимание на поля Width и Height. Вы можете определить, в каких единицах работать — в пикселях, дюймах, и т.д. В меню, выберите пиксели, и введите 400 в поле ширины и 500 в поле высоты. Установите в поле Resolution 72 pixels inch.
Выберете режим в раскрывающемся меню Mode — Grayscale (возможно создать файл CMYK, RGB, или Grayscale). Позже, Вы уведите, что размер файла в каждом из этих цветовых пространств разный.
Список Background Contents позволяют Вам устанавливать цвет фона в новом документе. Оставьте его белым (White).
Щелкаем кнопкой OK.

Выберите Размер изображения в меню Изображение. Каков фактический размер в дюймах? В этом диалоговом окне указано, что «размер» составляет 5,556×6,944 дюйма. Если вы математик, то 400 разделить на 72 равно 5,556, а 500 разделить на 72 равно 6,944. Photoshop рассчитал для вас — на основе разрешения и количество доступных пикселей — задают линейный размер этого файла. Другими словами, если бы вы экспортировали этот файл (400×500 пикселей) на устройство вывода с разрешающей при разрешении 72dpi размер составит 5,556×6,994 дюйма или 14,11×17,64 см.

Однако для вывода на принтер вам придется использовать, например, 300 пикселей на один дюйм. изображения. Снимите флажок Remap image, чтобы не изменять количество пикселей в файле, и введите 300 в поле Resolution. Линейные размеры пересчитываются на основе новых данных. разрешения — 1,333×1,667 дюйма (3,39×4,23 см). Качество изображения остается неизменным. Если вы хотите вывести старые линейные размеры, но при с разрешением 300dpi, необходимо активировать флажок Resamle Image и установить желаемое значение разрешение (количество пикселей, отнесенное к дюймовому отпечатку). изображения) это увеличит количество пикселей (1667x2083px) — Интерполяция изображения — Конечно, ничего хорошего из этого не выходит — ни один алгоритм интерполяции не добавляет никакой информации к объекту — происходит «растягивание» того, что есть, подробнее об интерполяции ниже. Поэтому качество изображения деградирует. Вы не можете изменить качество цифрового изображения можно судить только в контексте начальных условий.

Взаимозависимость размера и разрешения

Поскольку файлы не имеют ни ширины, ни высоты, пока они не будут отрисованы, они имеют группу из трех взаимозависимых атрибутов ( px * px = inch / ppi ). Информация о линейных размерах необходима для быстрого определения того, будет ли файл изображения соответствует размерам изображения, заданным в офисном программном обеспечении (размер линии последующей распечатки). Цифровое разрешение изображения — это «тег», т.е. информация, встроенная в файл, которая сообщает программному обеспечению и принтеру, сколько пикселей доступно для одного дюйма печати. Значение тега разрешения встраивается в файл, когда сканер или цифровая камера (программное обеспечение для преобразования) создают файл. изображения. Вы можете изменить метку и, следовательно, размер вывода без добавления или удаления пикселей. Например, если в сканере находится слайд размером 4 x 5 дюймов и вы хотите, чтобы файл содержал 4000 x 5000 пикселей, вам нужно сообщить программному обеспечению сканера нужные линейные размеры и необходимые условия вывода. — разрешение. Файл может иметь линейный размер 4х5 дюймов, если разрешение устанавливается равным 1000 ppi (в этом случае, если линейные размеры оригинала и файла одинаковы — разрешение, записывается в файл, то же самое с разрешением scan spi). Однако файл с разрешением 4000 x 5000 пикселей также может быть размером 8×10 дюймов, если вы укажете, что разрешение выходное значение установлено на 500 ppi же разрешение вывод установлен на 100 ppi, файл выводится с разрешением 40×50 дюймов. Сочетание разрешение выходного сигнала и количество пикселей позволяют рассчитать размер выходного сигнала. (Подробнее об изменении размера. и разрешения изображения в Photoshop).

Итак Знать, как работать с пикселями и как использовать диалоговое окно размера изображения в Photoshop, Вы также знать, как изменить размер разрешение Файл. Вы можете задаться вопросом, почему 72 точки на дюйм. – так часто встречающееся разрешение. Это связано с тем, что в прошлом большинство экранов имели размер разрешающую 72 точки на дюйм (как указано разрешение вашего экрана написано чуть ниже) и является устройством вывода, как и принтер. Представьте, что произойдет, если вы будете просматривать файл размером 2000 x 3000 пикселей в Photoshop. Какой будет производительность — например, 72 точки на дюйм, изображение при 100 процентах оно настолько велико, что вы видите только часть всего изображения изображения. Причина этого заключается в том, что каждый пиксель в файле отображается на экране как одна точка, что делает его изображение неудобно редактировать. К счастью, вы можете увеличивать и уменьшать масштаб в Photoshop изображения, чтобы вы могли видеть все целиком. Однако это требует от программного обеспечения быстрого расчета интерполяции для вывода на экран. Если вы увеличите масштаб менее чем до 100%, вы увидите изображение неточно, поскольку каждая точка на экране состоит из информации многих пикселей. изображения. Поэтому при работе в Photoshop некоторые операции необходимо выполнять при 100%, чтобы были видны все пиксели, подлежащие печати, например, при повышении резкости изображения. изображения.

Чтобы почувствовать разрешение экрана вашего монитора, создайте новый файл размером 1 x 1 дюйм и установите разрешение Установите масштаб на 100 %, используйте обычную линейку (деревянную или пластиковую, рулетку, складное правило — не компьютерный инструмент) и используйте ползунок в палитре Навигатор для увеличения изображения изображения до достижения длины 2,54 см (один дюйм). Результирующее значение шкалы равно разрешению экрана Вашего монитора. Его можно выставить в Preferences->Units&Rules->Screen Resolution, что позволит по команде View->Размер печати изображения на экране в том же размере, что и распечатка.

Количество «каналов Цвета — в одном дюйме»

Файл размером 1000×1000 пикселей требует больше места для хранения, чем файл размером 100×100 пикселей, но файлы могут состоять из цветовых каналов, что также влияет на физический размер файла. разрешении. Например, файл серой шкалы размером 100×100 пикселей составляет одну треть от файла RGB размером 100×100 пикселей. Дело в том, что файл RGB имеет три цветовых канала (красный, зеленый, синий), больше для RGB, по одному для каждого цвета. Файл CMYK на треть больше, чем файл RGB, больше для CMYK. Если вы знаете размер файла в пикселях, вы всегда можете рассчитать физический размер файла в МБ для каждого цветового режима. Попробуйте выполнить следующее упражнение: если у вас есть файл размером 1000 x 1000 пикселей, найдите площадь 1000 на 1000 — 1 000 000. Это общее количество пикселей в файле. Умножьте это число на количество цветовых каналов. Для файла RGB это будет: 1,000,000×3=3,000,000 байт. Теперь разделите 3 000 000 на 1024, чтобы перевести их в килобайты (килобайт состоит из 1024 байт), и вы получите 2929 КБ. Разделите на 1024, чтобы получить мегабайт, и вы получите 2,86 Мб. (Подробнее о цифровых каналах. изображения).

Возможно, вы видели рекламу и технические описания планшетных сканеров, в которых производитель завлекает вас большими цифрами разрешающей Возможности. Конечно, вы видели спецификацию 600 x 1200 dpi? Вы узнали, что dpi — это неправильный термин (сканер имеет один параметр — количество выборок на дюйм — spi), но это незначительная неточность по сравнению с тем, что этот сканер с оптическим разрешающей только 600 ppi. Датчик в планшетном сканере представляет собой матрицу CCD (матрица прибора с зарядовой связью), на которую нанесены разрешение. В этом случае CCD-датчик имеет 600 трихромных элементов на дюйм, что позволяет получить 600 пикселей на дюйм. Что же делает второе число в таблице данных? Здесь описывается шаговый двигатель сканера, который перемещает ПЗС-матрицу вверх и вниз по станине сканера. Шаговый двигатель может перемещать датчик с шагом 1/1200 дюйма. Что происходит при сканировании с разрешением 1200 ppi. CCD-датчик может захватывать максимум 600 пикселей на дюйм. При его перемещении с шагом в 1/1200 дюйма создаются прямоугольные узоры, на основе которых программное обеспечение сканера вычисляет значение пикселя и записывает его в файл. изображения. Часто рекомендуется с разрешением кратное максимальному оптическому размеру сканера. разрешению Часто можно услышать рекомендацию сканировать с разрешением, кратным максимальному оптическому разрешению сканера — единственный способ сделать это — физически отключить «неиспользуемые» элементы ПЗС, чего не может сделать ни один сканер. Поэтому сканирование с разрешением Необходимый размер файла (который не превышает максимальную оптическую мощность ПЗС-матрицы). разрешение сканера).

Стандартное разрешение объектива, также называемая разрешением пространства изображения для системы можно определить, умножив размер в мкм на 2, чтобы получить пару, и разделив на 1000, чтобы перевести в мм:

Как выбрать объектив?

Как показывает статистика, большинство покупателей цифровых зеркальных или цифровых фотокамер продолжают использовать комплектный объектив — объектив, который поставляется в комплекте с камерой. Они дешевы и довольно посредственны с конструктивной точки зрения. Слабые оптические системы почти никогда не дают высококачественных изображений. изображения. Хороший объектив, правильно настроенный, улучшит качество. изображения.

Первое, на что следует обратить внимание, — это фокусное расстояние.

Стандартные объективы передадут видимую перспективу так же, как это воспринимается человеческим зрением.
Широкоугольные захватывают большие участки пространства.
Длиннофокусные, их ещё называют «телевики», хорошо приближают и рассчитаны на съёмку объектов на далёких расстояниях.

Могут ли сверхширокоугольные объективы (объективы «рыбий глаз») запечатлеть на снимке собственные ноги фотографа? Как выбрать фотоаппарат по разрешающим Вы должны иметь четкое представление о том, для чего вы хотите его использовать. Чем дальше предполагаемая дистанция съемки, тем выше разрешающая выбирается мощность.

Съёмка с расстояния менее 4 метров с успехом выполняется камерой с любым разрешением.
Расстояние до 8 метров уже потребует разрешение 540-600 твл.
Свыше 8 метров необходимая разрешающая способность от 600 твл.

При выборе следует учитывать размер матрицы камеры, для которой вы хотите приобрести объектив. Уровень освещения является важным фактором при выборе. Если освещение постоянное, то модель с фиксированной диафрагмой может быть выбрана как наиболее благоприятная. Для небольших изменений светового потока показано ручное управление диафрагмой.

Если вы знаете, что будете использовать камеру ночью, лучше выбрать объектив с автоматическим управлением, когда свет естественный и постоянно меняется. Диафрагменное число выбирается в зависимости от яркости света. В этом случае все зависит от величины диафрагмы зума, которая влияет на диапазон светового потока. F/2.8 означает, что световой поток в 2 раза больше, чем при F/4. Каждое увеличение числа F соответствует увеличению светового потока в 2 раза.

Для портретных изображений Выбирайте зум-объективы с большой диафрагмой для съемок, требующих большой выдержки, например, в спорте. Зумы всегда имеют меньшую диафрагму, чем объективы с фиксированным фокусным расстоянием, и делятся на объективы с фиксированной и переменной диафрагмой. А также Обратите внимание на тип соединения, поскольку важно, чтобы камера и объектив подходили друг другу. Профессионалам рекомендуется отдавать предпочтение современным моделям, поскольку за последние 3 года оптические технологии значительно изменились в лучшую сторону. Большинство экспертов находят в суперзумах серьезные недостатки:

несовпадения заявленных фокусных расстояний с «рабочими»;
искажения геометрических линий и аберрации;
предельно невысокая светосила при длинном конце.

Поэтому телескопы видят более слабые объекты, чем люди. У них есть приборы, которые собирают свет и с помощью электронных датчиков регистрируют его в течение многих часов.

Пиксели и выбор камеры

Чтобы увидеть объекты на изображении, между ними должно быть достаточно пространства, чтобы они не смешивались с соседними пикселями, иначе их невозможно будет отличить друг от друга. Если объекты имеют размер в один пиксель, то расстояние между ними также должен быть хотя бы один элемент, поэтому образуется пара линий, размер которых фактически равен двум пикселям. Это одна из причин неправильного измерения. разрешение Камеры и объективы в мегапикселях.

На самом деле проще описать способность разрешения системы в зависимости от частоты пары линий. Из этого следует, что с уменьшением размера пикселя разрешение потому что вы можете разместить меньшие объекты на меньших цифровых элементах, у вас меньше пространства между ними и все еще есть разрешать расстояние между обнаруживаемыми объектами.

Это упрощенная модель того, как сенсор камеры обнаруживает объекты без учета шума или других параметров, и представляет собой идеальную ситуацию.

MTF контрастных диаграмм

Большинство объективов не являются совершенными оптическими системами. Свет, проходящий через линзу, в некоторой степени ухудшается. Вопрос в том, как оценить эту деградацию. Прежде чем ответить на этот вопрос, необходимо дать определение термину «модуляция». Последний является мерой контрастности len на определенной частоте. Можно попытаться проанализировать изображения реальных изображений, полученных через объектив, для определения модуляции или контраста для частей разного размера или частоты (интервала), но это слишком практично.

В отличие от этого, гораздо проще измерить модуляцию или контраст для пар чередующихся белых и темных линий. Такие решетки называются прямоугольными. Расстояние между линиями в прямоугольной форме волны является частотой (v), для которой измеряется модуляция или функция контраста линзы. и разрешающую способность в см.

Максимальное количество света излучают светлые полосы, а минимальное — темные. Если свет измеряется в яркости (L), модуляция может быть определена в соответствии со следующим уравнением:

Модуляция = (Lmax — Lmin) / (Lmax + Lmin),

где Lmax — максимальная яркость белых линий в сетке, а Lmin — минимальная яркость темных линий.

Когда конфигурация определяется в терминах света, ее часто называют контрастом Майкельсона, поскольку для измерения контраста используется отношение яркости светлой и темной областей.

Например, есть серия квадратных волн с определенной частотой (v) и модуляцией, а также контраст между темными и светлыми участками, отраженными от этой решетки через линзу. Модуляция изображения и, таким Так измеряется контрастность линзы при определенной частоте решетки (v).

Передаточная функция модуляции (ПФМ) определяется как модуляция M i изображения, разделить на модуляцию стимула (объекта) M o, как показано в следующем уравнении.

MTF (v) = M i / M 0

Испытательные сетки USF печатаются на 98 % яркой лазерной бумаге. Черный лазерный тонер для принтера имеет коэффициент отражения около 10 %. Таким образом, значение для M 0 составляет 88 %. Однако, поскольку пленка имеет более ограниченный динамический диапазон, чем человеческий глаз, можно предположить, что M 0 по существу составляет 100 % или 1. Таким образом, приведенная выше формула может быть сведена к следующему более простому уравнению:

Поэтому ЧКХ len для данной частоты решетки (v) — это просто измеренная конфигурация решетки (Mi) при фотографировании через объектив на пленку.

Разрешение микроскопа

Разрешающая способность объектива микроскопа — это наименьшее расстояние между двумя различными точками в поле зрения окуляра, которые все еще различимы как отдельные объекты.

Если две точки расположены ближе друг к другу, чем разрешение, они выглядят размытыми, а их положение неточным. Микроскоп может обеспечить высокое увеличение, но если линзы плохого качества, результат будет неудовлетворительным. разрешение ухудшит качество изображения.

Отсюда следует уравнение Аббе, где разрешающая способность объектива микроскопа z это разрешающая преломляющая способность, равная длине волны используемого света, деленной на 2 (числовая апертура объектива).

На разрешение микроскопа зависит от нескольких элементов. Световой микроскоп с большим увеличением может производить изображение, не в фокусе, но все еще на максимуме. разрешении объектива.

Апертура цифрового объектива влияет на на разрешение. Разрешающая способность объектива микроскопа — это число, которое указывает на способность объектива собирать свет от и разрешать точка на фиксированном расстоянии от цели. Наименьшая точка, которая может быть разрешена объектива пропорциональна длине волны собираемого света, деленной на число числовую апертуру. Чем больше это число, тем больше способность объектива собрать другую точку в поле зрения.1 Числовая апертура объектива также является функцией величины коррекции оптических аберраций.

При рассмотрении светочувствительности сенсора все внимание уделяется величине коррекции аберраций. её разрешению. Но объектив играет такую же, если не большую, роль в качестве объекта съемки. изображения. Проще говоря, все зависит от того, сколько пикселей попадает на матрицу. Разрешение не одинаково в центре и по краям. изображения.

Энергопотребление

Независимо от типа светочувствительного датчика, это устройство, которое трудно эксплуатировать без питания. Однако энергопотребление может варьироваться. В целом, CCD-датчики более «прожорливы», чем CMOS-датчики.

На практике энергопотребление влияет на количество фотографий, которые фотограф может сделать без подзарядки или замены батареи, используемой в камере. Для свадебных и документальных фотографов энергопотребление может быть важным фактором, определяющим производительность матрицы.

Выделение тепла

Как и любой электронный чип, светочувствительный датчик нагревается во время работы. Температура датчика влияет на уровень шума. Например, повышение температуры датчика на 4-7 градусов Цельсия удваивает уровень одного из видов шума — темнового тока.

ПЗС-матрицы более чувствительны к нагреву. Они более восприимчивы к этому, чем CMOS-датчики. Поэтому в приложениях, где важно высокое отношение сигнал/шум, т.е. хорошее качество обработки сигнала. изображение, ПЗС-матрицы сильно охлаждаются.

На этом я завершаю свою подготовку и перехожу к возможностям реализации электронного затвора устройств, связанных с нагрузкой.

Электронные затворы ПЗС

В качестве светочувствительного сенсора в цифровой фотографии используются четыре конструкции ПЗС. Я опишу, как работают отдельные функции от «открытия» до «закрытия» электронного затвора. Сначала я объясню общее свойство приборов с зарядовой связью, которое обуславливает необходимость наличия нескольких конструкций.

Электронная схема, управляющая ПЗС-матрицей, независимо от ее конструкции, может дать сигнал всем датчикам одновременно начать накапливать электроны. В этом случае накопление электрических зарядов начинается «с нуля». Этот процесс иллюстрируется нижней диаграммой на рисунке 1 предыдущей статьи. Ниже приводится аналогия с водопадом и водохранилищем.

Последний постоянно находится под водой. Вода непрерывно поступает в водоем, но тут же вытекает снова: дно водоема может быть отрезано так, Вода беспрепятственно входит через верхнее отверстие и беспрепятственно выходит через нижнее отверстие. По сигналу дно устанавливается на место, и резервуар наполняется водой.

Благодаря способности CCD-датчика «стартовать» одновременно, каждый сегмент будущего цифрового изображения экспонируется (создается) в одно и то же время. изображения Он раскрывается (создается) вместе со всеми остальными фрагментами. Таким образом, достигается равномерная экспозиция и, следовательно, точное воспроизведение тонов, цветов и геометрических форм фотографируемых объектов. Однако для завершения пути и достижения равномерной экспозиции датчики должны быть «сняты с производства», также, одновременно. Это сложная задача для ПЗС-матриц.

Дело в том, что «счетчик» у ПЗС-матрицы обычно всего один, в то время как других сенсоров существует множество. И чтобы «измерить» электрический заряд датчика, наиболее удаленного от «счетчика», он должен «измерить» электрические заряды всех остальных датчиков. Подсчет» отдельных стопок электронов происходит не мгновенно, а занимает определенное время. В результате затвор ПЗС закрывается в разное время для каждого датчика: В то время как электрический заряд, накопленный любым датчиком, «подсчитывается», другие датчики вынуждены продолжать генерировать свои собственные заряды. Это приводит к неоднородности экспозиции в области изображения. Я опишу и проиллюстрирую соответствующие искажения в цифровом мире. изображения Я опишу и проиллюстрирую это позже, «сразу после печати».

Как инженеры решают эту проблему?

Обычно создаются условия, при которых «подсчет» накопленных электронов происходит в состоянии покоя до появления «раздражающих» фотонов. То есть, либо:

предварительно механически перекрывают поток фотонов (это всё равно, что поставить ладонь над отверстием ёмкости, заполняемой падающим водным потоком), затем запускают «подсчёт»; либо
перемещают порции накопленных электронов в пустые сенсели, механически защищённые от светового излучения (это всё равно, что подсоединить пустую закрытую ёмкость к ёмкости, находящейся под водной струёй, и перелить воду), затем начинают «подсчёт» переданных электрических зарядов; либо
комбинируют подходы «А» и «Б».

Итак, Электронный затвор «открывается»: «Накапливайте электроны!»; схема управления посылает сигнал на датчики, способные принимать фотоны. Дальнейшие события могут варьироваться в зависимости от конструкции ПЗС.

Рассмотрите возможность использования полнокадровой ПЗС-матрицы.

Примечания:

1 Я хотел бы упомянуть пару мест, где я столкнулся с EV или «стопами» в терминах динамического диапазона. В технических характеристиках цифровых задних камер марки Phase One, использующих среднеформатные светочувствительные матрицы. И в технических отчетах о цифровых камерах, особенно на сайте Digital Photography Review. Назад к тексту.