Устройство фотоаппарата и оптической системы: Устройство фотоаппарата

Содержание

Принцип работы фотоаппарата, как работает фотокамера

Как работает фотоаппарат можно изучить еще в школе. Но знать конструктивные особенности интересно каждому владельцу фотокамеры. Основной принцип работы цифрового фотоаппарата можно выразить в нескольких словах: свет преображается в электричество. Все здесь служит для привлечения света, от кнопки пуск до линз.

Что же революционного с точки зрения света в цифровом фотоаппарате. Он преобразует свет в электрические заряды, которые становятся образом, запечатленным на экране. Как же это работает? Задача каждой детали фотоаппарата поймать отличное изображение. Но главное это свет.


как работет цифровой фотоаппарат

Устройство и работа фотоаппарата

Первое что нужно для получения фото это источник света. Частицы света фотоны покидают источник света, отталкиваются от предмета и входят в камеру через несколько линз. Затем фотоны следуют по установленному пути. Целый ряд линз позволяет сделать максимально четкое изображение.

  1. Створки диафрагмы контролируют количество света, которое должно проникнуть внутрь через отверстие фотоаппарата.
  2. Пройдя сквозь диафрагму, линзы и войдя в отверстие, свет отталкивается от зеркала и направляется в видоискатель.
  3. До этого свет преломляется, проходя сквозь призму, поэтому то мы и видим изображение в видоискателе не вверх ногами и если нас устраивает композиция, то мы нажимаем на кнопку.
  4. При этом зеркало подымается, и свет направляется внутрь, какую-то долю секунды свет направлен не на видоискатель, а в самое сердце фотоаппарата – матрицу фотокамеры.

Длительность этого действия зависит от скорости срабатывания створок. Они открываются на мгновение, когда свет должен воздействовать на сенсор света. Время экспозиции может быть 1/4000 секунды. То есть в мгновение ока створки могут открыться и закрыться 1400 раз. Для этого существует две створки, когда первая открывается, то вторая закрывается. Таким образом, внутрь попадает чрезвычайно малое количество света. Это важный момент в понимании принципа работы цифрового фотоаппарата.

Теория обработки света

Так в чем же революционность цифровой камеры? Элемент, фиксирующий изображение, сенсор изображения (матрица) это решетка с плотной структурой, состоящей из крошечных сенсоров света. Ширина каждого всего 6 микрон – это 6 миллионных метра. 5 тысяч таких сенсоров могут поместиться на кончике остро заточенного карандаша.

Но сначала свет должен пройти через фильтр, который разделяет его на цвета: зеленый, красный и синий. Каждый сенсор света обрабатывает только один цвет. Когда в него ударяют фотоны, они поглощаются полупроводниковым материалом, из которого он сделан. На каждый поглощенный фотон сенсор света испускает электрическую частицу, она называется электрон. Энергия фотона передается электрону – это электрический заряд. И чем ярче изображение, тем сильнее электрический заряд. Таким образом, каждый электрический заряд обладает различной интенсивностью.

Затем печатная плата переводит эту информацию на язык компьютера, язык цифр и битов или последовательность единиц и нулей. Они представляют собой миллионы крошечных цветных точек, из которых и состоит фото – это пиксели. Чем больше пикселей в изображении, тем лучше разрешение. Другими словами это несколько миллионов микроскопических световых ловушек, которые вместе со всеми элементами фотоаппарата нацелены на одну задачу – преобразовать свет в электричество, что бы сделать прекрасные фотографии.


принцып работы цыфрового зеркального фотоаппарата

Дальше вся эта информация в цифровом виде подается в процессор, где она обрабатывается по определенным алгоритмам. Затем уже готовая фотография передается в память фотокамеры, где она и хранится и доступна для просмотра пользователю.

Так вкратце можно изобразить принцип работы цифрового зеркального фотоаппарата.

Устройство фотоаппарата. Пленочные и цифровые фотокамеры

Современные цифровые камеры во многом напоминают старые пленочные фотоаппараты. И в этом нет ничего удивительного, ведь цифровая фотография, по сути, выросла из пленочной, позаимствовав различные узлы и компоненты. Особенное сходство прослеживается между зеркальным цифровым фотоаппаратом и пленочной камерой: ведь и там и там применяется объектив, с помощью которого аппарат фокусируется на снимаемом объекте. Схожий процесс: фотограф просто нажимает на кнопку затвора и, в конечном счете, получается фотоизображение.

Тем не менее, несмотря на схожесть процесса съемки, устройство цифрового фотоаппарата является гораздо более сложным по сравнению с пленочным. И эта сложность конструкции обеспечивает «цифровикам» существенные преимущества — мгновенный результат съемки, удобство, широкие функциональные возможности по управлению фотосъемкой и обработке изображений. Для того, чтобы разобраться в устройстве цифрового фотоаппарата, нужно, прежде всего, ответить на следующие вопросы: Как создается фотоизображение? Какие узлы цифровой фотоаппарат позаимствовал у пленочного?  И что нового появилось в фотокамере с развитием цифровых технологий?

Принцип работы пленочного и цифрового фотоаппарата

Принцип работы обычной пленочной камеры состоит в следующем. Свет, отражаясь от снимаемого объекта или сцены, проходит через диафрагму объектива и фокусируется особым образом на гибкой, полимерной пленке. Фотопленка покрыта светочувствительным эмульсионным слоем на основе галоидного серебра. Мельчайшие гранулы химических веществ на пленке под действием света изменяют свою прозрачность и цвет. В результате, фотопленка благодаря химическим реакциям «запоминает» изображение.

Устройство зеркального цифрового фотоаппарата

Как известно, для формирования любого существующего в природе оттенка достаточно использовать комбинацию трех основных цветов — красного, зеленого и синего. Все остальные цвета и оттенки получаются путем их смешивания и изменения насыщенности. Каждая микрогранула на поверхности фотопленки отвечает, соответственно, за свой цвет в изображении и изменяет свои свойства именно в той степени, в которой на нее попали лучи света.

Поскольку свет различается по цветовой температуре и интенсивности, то в результате химической реакции на фотопленке получается практически полное дублирование снимаемой сцены. В зависимости от характеристик оптики, освещенности, времени выдержки/экспозиции сцены на пленке и времени раскрытия диафрагмы, а также других факторов формируется тот или иной стиль фотографии.

Что же касается цифрового фотоаппарата, то тут также используется система оптики. Лучи света проходят через линзу объектива, преломляясь особым образом. Далее они достигают диафрагмы, то есть отверстия с изменяемым размером, посредством которого регулируется количество света. Далее при фотографировании лучи света попадают уже не на эмульсионный слой фотопленки, а на светочувствительные ячейки полупроводникового сенсора или матрицы. Чувствительный сенсор реагирует на фотоны света, захватывает фотоизображение и передает его на аналого-цифровой преобразователь (АЦП).

Последний анализирует простые, аналоговые электрические импульсы, и преобразует их с помощью специальных алгоритмов в цифровой вид. Это перекодированное изображение в цифровом виде сохраняется на встроенном или внешнем электронном носителе. Готовое изображение уже можно посмотреть на ЖК-экране цифровой камеры, либо вывести его на монитор компьютера.

В течение всего этого многоступенчатого процесса получения фотоизображения электроника камеры непрерывно опрашивает систему на предмет немедленной реакции на действия фотографа. Сам фотограф через многочисленные кнопки, регуляторы и настройки может влиять на качество и стиль получаемого цифрового снимка. И весь этот сложный процесс внутри цифровой камеры происходит за считанные доли секунды.

Основные элементы цифрового фотоаппарата

Даже визуально корпус цифровой камеры схож с пленочным аппаратом, за исключением того, что в «цифровике» не предусмотрено катушки фотопленки и фильмового канала. На катушку в пленочных фотоаппаратах закреплялась пленка. И по окончании кадров на пленке фотографу приходилось перематывать кадры в обратном направлении вручную. В фильмовом канале фотопленка перематывалась до нужного для съемки кадра.

В цифровых фотоаппаратах все это кануло в лету, причем за счет избавления от фильмового канала и места для катушки с пленкой удалось сделать корпус камеры существенно тоньше. Впрочем, некоторые узды пленочных фотоаппаратов плавно перешли в цифровую фототехнику. Чтобы убедиться в этом, рассмотрим основные элементы современной цифровой камеры:

— Объектив

Оптическая схема объектива Samyang

И в пленочной, и в цифровой фотокамере световые лучи проходят через объектив для получения изображения. Объектив представляет собой оптическое устройство, состоящее из набора линз и служащее для проецирования изображения на плоскости. В зеркальных цифровых фотоаппаратах объективы практически ничем не отличаются от тех, что использовались в пленочных камерах. Более того, многие современные «зеркалки» обладают совместимостью с объективами, разработанными для пленочных моделей. К примеру, старые объективы с байонетом F могут применяться со всеми цифровыми зеркальными фотоаппаратами Nikon.

— Диафрагма и затвор

Диафрагма – это круглое отверстие, посредством которого можно регулировать величину светового потока, попадающего на светочувствительную матрицу или фотопленку. Это изменяемое отверстие, обычно размещающееся внутри объектива, образуется несколькими серповидными лепестками, которые при съемке сходятся или расходятся. Естественно, что диафрагма имеется как в пленочных, так и в цифровых аппаратах.

Механизм шестилепестковой диафрагмы

Тоже самое можно сказать и о затворе, который устанавливается между матрицей (фотопленкой) и объективом. Правда, в пленочных камерах используется механический затвор, представляющий собой своеобразные шторки, которые ограничивают воздействие света на пленку. Современные же цифровые аппараты оснащены электронным эквивалентом затвора, способным включать/выключать сенсор для приема приходящего светового потока. Электронный затвор фотоаппарата обеспечивает точную регуляцию времени приема света матрицей фотоаппарата.

В некоторых цифровых камерах, впрочем, имеется и традиционный механический затвор, который служит для предотвращения попадания на матрицу световых лучей после окончания времени выдержки. Тем самым, предотвращается смазывание картинки или появления эффекта ореола. Стоит отметить, что поскольку цифровому фотоаппарату может потребоваться некоторое время, чтобы обработать изображение и сохранить его, то возникает задержка по времени между тем моментом, когда фотограф нажал на кнопку спуска, и моментом, когда камера зафиксировала изображение. Эта задержка по времени называется задержкой срабатывания затвора.

— Видоискатель

Как в пленочном, так и в цифровом фотоаппарате имеется устройство для визирования, то есть устройство для предварительной оценки кадра. Оптический видоискатель, состоящий из зеркал и пентапризмы, показывает фотографу изображение именно в том виде, в котором оно существует в натуре. Однако многие современные цифровые камеры оборудованы электронным видоискателем. Он снимает изображение со светочувствительной матрицы и показывает фотографу таким, каким камера его видит с учетом предустановленных настроек и используемых эффектов.

В недорогих компактных цифровых фотоаппаратах видоискатель как таковой может просто отсутствовать. Его функции выполняет встроенный ЖК-экран с функцией LiveView. ЖК-экраны сегодня встраиваются и в зеркальные цифровые аппараты, поскольку благодаря такому экрану фотограф имеет возможность сразу же просмотреть результаты съемки. Таким образом, если снимок не удался, его можно тут же удалить и отснять новый кадр уже с другими настройками или в другом ракурсе.

Дисплей фотоаппарата

— Матрица и аналого-цифровой преобразователь (АЦП)

После того, как мы рассмотрели принцип работы пленочного и цифрового фотоаппарата, стало понятно, в чем собственно состоит основная разница между ними. В цифровой камере вместо фотопленки появилась светочувствительная матрица или сенсор. Матрица представляет собой полупроводниковую пластину, на которой размещается огромное множество фотоэлементов.

Матрица цифрового фотоаппарата

Размеры матрицы не превышают размеров кадра фотопленки. Каждый из чувствительных элементов матрицы  при попадании на него светового потока создает минимальный элемент изображения – пиксел, то есть одноцветный квадрат или прямоугольник. Элементы сенсора реагируют на свет и создают электрический заряд. Таким образом, матрица цифрового фотоаппарата фиксирует световые потоки.

Матрица цифровой камеры характеризуется такими параметрами, как физические размеры, разрешение и чувствительность, то есть способность матрицы точно уловить поток попадающего на нее света. Все эти параметры оказывают свое влияние на качество фотоизображения.

Полученная информация от сенсора в виде электрических импульсов далее поступает на обработку в аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Функция последнего состоит в том, чтобы превратить эти аналоговые импульсы в цифровой поток данных, то есть перевести изображение в цифровой вид.

— Микропроцессор

Микропроцессор присутствовал и в некоторых последних моделях пленочных камер, однако в цифровом фотоаппарате он стал одним из ключевых элементов. Микропроцессор отвечает в «цифровике» за работу затвора, видоискателя, матрицы, автофокуса, системы стабилизации изображения, оптики, а также за запись отснятого фото- и видеоматериала на носитель, выбор настроек и программных режимов съемки. Это своеобразный мозговой центр камеры, управляющий всей электроникой и отдельными узлами.

Электроники фотоаппарата (процессор, АЦП)

От производительности микропроцессора во многом зависит то, насколько быстро цифровая камера сможет осуществлять непрерывную съемку. В этой связи в некоторых продвинутых моделях цифровых камер используется сразу два микропроцессора, которые могут производить отдельные операции параллельно. Тем самым, обеспечивается максимальная скорость серийной съемки.

— Носитель информации

Если аналоговый (пленочный) фотоаппарат сразу же фиксирует изображение на пленке, то в цифровом, электроника записывает изображение в цифровом формате на внешний или внутренний носитель информации. Для этой цели в большинстве случаев используются карты памяти (SD, CompactFlash и др.). Но в некоторых камерах имеется и встроенная память небольшого объема, которой хватает для размещения нескольких отснятых кадров.

Карты памяти

Также цифровые камеры обязательно оснащаются соответствующими разъемами для возможности их подключения к персональному или планшетному компьютеру, телевизору и другим устройствам. Благодаря этому фотограф получает возможность всего через несколько минут после съемки поместить готовое изображение в Интернете, передать по электронной почте или распечатать.

— Батарея

Во многих пленочных фотоаппаратах используется аккумуляторная батарея для приведения в действие электроники, которая, в частности, управляет фокусировкой и автоматической экспозицией сцены. Но эта работа не требует значительного энергопотребления, поэтому на одном заряде батареи пленочная камера способна проработать несколько недель.

Другое дело цифровая фототехника. Здесь жизнь аккумуляторной батареи камеры измеряется часами. А потому для поддержания работы камеры в условиях отсутствия источника электричества фотографу порой приходится запасаться дополнительными батареями.

Несмотря на то, что цифровая фототехника заимствовала многие узлы и компоненты из пленочной фотографии, она обладает рядом существенных преимуществ. Прежде всего, это возможность оперативно контролировать результаты съемки и вносить необходимые коррективы. Цифровой фотоаппарат в силу особенностей своего устройства предоставляет любому фотографу больше гибкости в процессе съемки за счет широких возможностей управления качеством изображений. Цифровые технологии обеспечивают мгновенный доступ к любому кадру и высокоскоростную фотосъемку. Сочетание гибкости, широких функциональных возможностей и оперативности ведения съемки гарантируют обладателю цифровой камеры получение фотографий превосходного качества практически в любых условиях.

Возможности цифровой фототехники сегодня далеко не исчерпаны. По мере развития устройство цифровых камер будет все более усложняться, в них будут реализованы новые технологии, увеличивающие функциональность аппаратов и обеспечивающие еще более высокое качество изображений.

Источник: Фотокомок.ру – тесты и обзоры фотоаппаратов (при цитировании или копировании активная ссылка обязательна)

Устройство и принцип работы объектива

Свет попадает на матрицу цифрового фотоаппарата через оптическую систему, основными составляющими которой являются объектив, видоискатель и устройство автоматической фокусировки. Оптическая система собирает лучи света и проецирует изображение на плоскость. Объектив, безусловно, занимает центральное место в оптической системе цифровой камеры, поскольку именно от его характеристик и качества изготовления зависят детальность и резкость получаемого на светочувствительном носителе изображения.

Широкий выбор объективов для цифровой фототехники определяет разнообразие возможностей для реализации творческих идей и задумок фотографа. Несмотря на то, что объектив является одним из важнейших узлов фотоаппарата, его основные принципы работы и устройство мало изменились за десятилетия с момента появления первой пленочной камеры.

Принцип работы объектива фотоаппарата основан на одном из главных оптических свойств света – преломлении световых лучей при прохождении границы сред с разными плотностями. Это свойство прекрасно заметно, например, при размешивании сахара в чашке с чаем. Глядя в чашку, мы можем заметить, как ложка, который мы помешиваем сахар, оказывается точно надломленной на границе воды и воздуха. Это оптическое свойство обуславливается тем простым фактом, что скорость распространения света в воде меньше, чем скорость распространения световых лучей в воздухе.

Еще более впечатляющий эффект преломления наблюдается при прохождении света сквозь границу воздуха и стекла, особенно при определенном радиусе искривления стекла. В объективе цифровой камеры свет преломляется при прохождении через прозрачную полированную поверхность стекла линзы, то есть на границе «воздух — оптическое тело». В результате преломления светового потока объектив проецирует на светочувствительном элементе фотоаппарата (матрице) геометрически правильное, резкое изображение снимаемых объектов по всему полю кадра.

Получаемое таким способом световое изображение не должно содержать каких-либо искажений формы, яркости или цвета фотографируемых объектов. Однако явления преломления света в объективе фотоаппарата нередко сопровождаются возникновением так называемых аберраций (искажений изображения). Для того, чтобы снизить эти проявления, сказывающиеся негативно на качестве изображения, в современных оптических системах применяются разнообразные приемы, связанные, в частности, с увеличением числа линз в объективе.

Конструкция объектива

Объектив является сложным оптическим устройством, которое конструктивно состоит из следующих основных элементов: системы линз и сферических зеркал, изготовленных из специального оптического стекла, металлической оправы и диафрагмы. В лицевой части объектива располагается оптическая линза, основное предназначение которой состоит в сборе световых лучей. Внутри объектива размешаются уже другие оптические линзы и сферические зеркала, которые отвечают за последующее преломление света и дальнейшее формирование изображения.

Объектив Nikon DX 16-85mm f/3.5-5.6G ED VR AF-S Nikkor

 Количество линз или оптических элементов в конструкции современных объективов может быть разным. При этом они могут быть соединены друг с другом или, наоборот, разделены воздушным пространством. В простейших объективах используется система, состоящая из одной — трех линз. А в высококачественных и дорогих объективах количество оптических элементов, выполненных из различных сортов стекла, может достигать десяти и более.

Объектив Объектив Nikon DX 16-85mm f/3.5-5.6G ED VR AF-S Nikkor в разрезе

Оптическое стекло, используемое при изготовлении объективов, отличается идеальной прозрачностью и гладкостью, для него недопустимо наличие каких-либо пузырьков и короблений, ведь онимогут привести к искажению изображения. В конструкции современных объективов применяются особые асферические линзы, которые способны лучше справляться с разнообразными оптическими аберрациями. Такие асферические линзы довольно часто используются, в частности, в устройстве широкоугольной оптики.

Положение линз в объективе должно быть выдержано с точностью до тысячных долей миллиметра, чтобы создаваемое оптическое изображение было максимально резким и четким. В объективе, состоящем из нескольких линз, крайне важно, чтобы оптическая ось каждой отдельной линзы идеально совпадала с оптическими осями всех других линз. Только таким образом может быть достигнуто получение качественного изображения.

Высокая точность взаимного расположения линз в объективе достигается за счет крепления линз в металлической оправе. То есть оправа – это не просто корпус объектива, а компонент, обеспечивающий необходимое расстояние между линзами, а также защиту оптических элементов от механических и климатических воздействий. Оправа выполняется под конкретный тип камеры и ее соединения с объективом.

 Большая часть объективов состоит из двух частей: основной металлической оправы, в которой размещаются все оптические детали и диафрагма, и переходной оправы, служащей для осевого перемещения основной оправы и ее соединения с камерой. Переходная оправа обычно имеет несколько кольцеобразных деталей. В результате поворота одного из таких колец обеспечивается осевое перемещение той части металлической оправы, в которой укреплен основной блок объектива. Конструкция оправ объектива предполагает возможность ручного или автоматического изменения диафрагмы, то есть регулируемого по величине отверстия, способного изменять количество световых лучей, проходящих через объектив на матрицу цифрового фотоаппарата.

Шестилепестковая диафрагма

Диафрагма в объективе представляет собой светонепроницаемую заслонку с небольшим отверстием в центре, которая просто отсекает световые лучи, проходящие сквозь края линзы. Такая заслонка в подавляющем большинстве объективов состоит из тонких металлических лепестков серповидной формы, установленных по окружности между линзами объектива. Эти лепестки диафрагмы могут поворачиваться одновременно друг с другом, двигаясь в пространство между линзами или выходя из него. Диафрагма служит для изменения глубины резко изображаемого пространства. Уменьшая размер диафрагменного отверстия, мы можем повысить резкость кадра.

Элементы объектива (источник electrogor.ru)

В устройство объектива входит и фокусировочное кольцо. Оно используется для  ручной наводки объектива на резкость. Вращая кольцо объектива, фотограф может сделать резким либо передний, либо задний план. Если же объектив снабжен функцией автофокуса, то фокусировочное кольцо вращается автоматически благодаря специальному мотору. При нажатии на затвор камеры объектив автоматически фокусируется на резкость по центральному участку кадра. Фиксирование фокусировки обычно происходит при нажатии кнопки спуска до половины.

 В современных объективах ведущих производителей применяется ультразвуковой привод фокусировки (USM), встроенный непосредственно в объектив. Благодаря ему обеспечивается очень быстрая скорость работы фокусировки. Существуют объективы и с так называемым отверточным приводом, который механически связывает объектив и фотоаппарат. Такая система работает более медленно и шумно.

Типы ультразвуковых приводов фокусировки объективов Canon

Помимо автофокуса, в конструкции объектива часто встраивается и механизм стабилизации, который компенсирует дрожание камеры при увеличенных выдержках, тем самым, давая фотографу возможность получать резкие кадры в условиях недостаточной освещенности без использования штатива. Объектив с переменным фокусным расстоянием имеет специальное кольцо трансфокатора, используемое для изменения фокусного расстояния. С помощью такого кольца можно приблизить или отдалить снимаемый объект в кадре.

Оправа объектива может составлять одно целое с камерой только в том случае, если объектив жестко встроен в фотоаппарат. В цифровых же камерах, рассчитанных на использование сменных объективов, применяется система крепления объектива — байонет. Такие системы крепления объектива к камере у каждого производителя свои собственные, хотя существуют и некоторые открытые стандарты байонета. Размеры и форма байонета зависят от типа камеры, к которой крепится объектив. Сам объектив может, в свою очередь, предоставлять возможность для установки разнообразных фильтров. Для этого он оснащается специальной резьбой, расположенной вокруг внешней линзы. Именно на эту резьбу и прикручиваются различные фильтры и другие аксессуары для объективов.

 Характеристики объектива

Объективы характеризуются двумя основными параметрами – светосилой и фокусным расстоянием. Как правило, значения этих параметров указываются на передней части оправы любого объектива. Светосила определяет яркость создаваемого объективом оптического изображения, то есть иными словами служит показателем способности объектива пропускать свет. Чем больше света проходит через объектив, тем, соответственно, выше его светосила.

Преимущество объективов, обладающих высокой светосилой, заключается в том, что они позволяют вести съемку в условиях недостаточной освещенности и предоставляют фотографу больше свободы в выборе экспозиционных параметров съемки. Но если снимаемый объект освещен достаточно хорошо, то светосильный объектив будет уже не помощником, а скорее помехой. Высокая яркость создаваемого им изображения обеспечит переэкспонирование матрицы фотоаппарата.

Фокусное расстояние, в свою очередь, характеризует масштаб изображения, проецируемого объективом на матрицу цифровой камеры. Чем больше фокусное расстояние объектива, тем более «приближенное» и крупное изображение получится при съемке одного и того же объекта. Меньшее фокусное расстояние позволяет охватить большее поле обзора и уместить, таким образом, на одной фотографии широкую панораму.

Фокусное расстояние 24 мм ( в 35-мм эквиваленте)

От фокусного расстояния объектива напрямую зависит не только охват кадра и угол обзора, но и перспектива снимка. В частности, увеличение фокусного расстояния позволяет сделать задний план более крупным, приблизить его к переднему и сгладить разницу в расстоянии. Наоборот, уменьшение фокусного расстояния дает возможность сделать задний план визуально дальше и мельче, усиливая ощущения перспективы на снимке.

Фокусное расстояние 360 мм ( в 35-мм эквиваленте)

В зависимости от фокусного расстояния принято классифицировать объективы на следующие виды:

 — Стандартные (фокусное расстояние от 40 до 50 мм)

 Стандартным принято называть объектив с фокусным расстоянием, примерно равным диагонали кадра. С помощью стандартного объектива получается изображение, приближенное к тому, каким картинку видит человеческий глаз. То есть стандартные объективы нейтральны по своему действию  и не обеспечивают никаких эффектов. Такие объективы широко применяются для съемки портретов, поскольку они не допускают искажения лиц.

 — Широкоугольные (фокусное расстояние от 12 до 35 мм)

 Широкоугольные объективы имеют короткое фокусное расстояния и широкий угол обзора, что позволяет использовать их в тех случаях, когда требуется увеличенный угол зрения. Например, при съемке пейзажей или архитектуры, где широкоугольный объектив дает возможность подчеркнуть перспективу пространства в кадре. Они также оказываются очень удобными при съемке в ограниченном пространстве благодаря своему широкому полю зрения.

 — Телеобъективы (фокусное расстояние от 200 мм и более)

Для съемки удаленных объектов применяются телеобъективы. Благодаря небольшому углу обзора телеобъектив позволяет акцентировать внимание на основном объекте съемки, отсекая из кадра или размывая до неузнаваемости все лишнее. Телеобъективы способны сокращать расстояние между передним и задним планами, буквально «сплющивая» перспективу. Такие объективы гораздо более восприимчивы к дрожанию или малейшим вибрациям камеры, поэтому их использование практически немыслимо без надежного штатива.

 Помимо этих типов, выделяют и другие объективы специального назначения. В частности, макрообъективы или объективы «фиш-ай».

 Напоследок стоит сказать о некоторой специфике объективов, предназначенных именно для цифровых фотоаппаратов. Дело в том, что фотопленка может практически одинаково воспринимать как свет, падающий на ее поверхность под нормальным углом, так и косые световые лучи. Поэтому для определения качества объектива для пленочного аппарата нужно было лишь провести тестовую съемку и отпечатать фотографии большого формата, чтобы увидеть готовый результат.

 Цифровая же фототехника характеризуется тем, что светочувствительный элемент (матрица) гораздо критичнее относится к углу падения световых лучей. И если лучи падают на поверхность матрицы под острым углом, то некоторая часть света просто не попадает на светочувствительную поверхность. В результате, при использовании некоторых объективов изображение по краям кадра теряет четкость, в других же случаях начинают проявляться заметные цветовые артефакты.

 Чтобы решить эту проблему, производители объективов для цифровых фотоаппаратов стараются сегодня применять системы из нескольких  линз и оптических элементов в конструкции оптики. Однако в этом случае приходится добиваться того, чтобы центр симметрии каждого оптического элемента идеально совпадал с оптическими осями других линз. Если этого не удается достичь, то неминуемо возникают различные геометрические аберрации и искажения, также портящие снимок.

 Поэтому производство фотографических объективов в современных условиях отличается  высокой степенью сложности и требует очень высокой точности изготовления. Такую точность при изготовлении линз и сборке объективов удается достигнуть только за счет использования на производственных предприятиях роботизированных сборочных аппаратов.

  Источник: Фотокомок.ру – тесты и обзоры фотоаппаратов (при цитировании или копировании активная ссылка обязательна)

Устройство фотокамеры и принцип работы. Устройство фотоаппарата. Пленочные и цифровые фотокамеры

Основными элементами каждого цифрового фотоаппарата являются матрица, объектив, затвор, видоискатель, процессор. Также широко используются дополнительные устройства (например, карты памяти и разъемы для подключения аудио- или видеооборудования).

Матрица является главным активным элементом любой фото- или видеотехники. От характеристик матрицы зависит качество изображения. Само устройство представляет собой небольшую пластинку, состоящей из светочувствительных датчиков, сгруппированных определенным образом. Чаще всего элементы составляются в отдельные строчки и столбцы. Всего на сегодняшний день популярны два типа матриц: CMOS и CCD. Первая разновидность значительно дешевле, но вторая обеспечивает лучшее качество снимков.

Объектив современных камер мало чем отличается от объектива устройств прошлого и имеют общий принцип функционирования, однако чаще всего новые изделия имеют меньшие размеры. Другой важной частью системы является затвор, который выполняет функцию фиксирования кадра для записи его на носитель информации.

В современных камерах используется электронный затвор, однако в более дорогих аппаратах применяется и механический.

Процессор обрабатывает результат работы затвора, а также позволяет осуществлять управление объективом и другими функциями камеры. При наличии экрана процессор занимается построением и выводом изображения. При помощи дополнительного реализуются возможности обработки кадров, записи информации и ее отображения.

Работа составляющих во время снимка

До нажатия затвора в зеркальных фотоаппаратах особым образом располагается специальное зеркало, через которое свет попадает на видоискатель. В незеркальных фотоаппаратах свет, попадающий в объектив, перенаправляется к матрице, а на экране выводится изображение, которое было создано после обработки полученных платой данных.

При помощи органов управления (кнопок) пользователь выбирает нужные настройки и производит конфигурацию аппарата. Затем фотограф должен нажать на кнопку и опустить ее в первое положение, чтобы привести затвор в действие. Это позволит применить все параметры съемки и дать возможность полной подстройки матрицы под условия снимка.

Современные аппараты записывают изображение во время произведения пользователем второго снимка, поскольку процедура записи может занимать для устройства довольно длительное время.

После полного нажатия на кнопку затвора производится фиксация кадра. При этом созданный рисунок передается в буфер обмена фотоаппарата, через который изображение обрабатывается процессором с учетом произведенных пользователем настроек. Полученные данные сжимаются в графический формат и записываются на флеш-карту, откуда они могут быть воспроизведены, изменены или удалены.

Что нужно знать о фотоаппарате для того, чтобы меньше совершать ошибок и чаще радоваться результатам или ключевой вопрос прогресса и его влияние на рост профессионального мастерства.

Еще несколько лет назад профессионалы снисходительно улыбались, слыша разговоры о цифровых фотокамерах. Сейчас всё изменилось, и цифровые зеркальные фотоаппараты перестали вызывать удивление и насмешки в профессиональных кругах. Буквально взрывной рост «цифровизации» фототехники затормозился, приблизившись к границе технологических и физических возможностей. Что еще важнее — возможности цифровой техники приблизились к границе разумных потребностей фотолюбителя. Функциональные и качественные характеристики цифровых фотокамер разных производителей сблизились вплотную и, наконец, цены стабилизировались в приемлемом потребительском коридоре. Что особенно важно, качество изображения формируемого профессиональными и некоторыми любительскими цифровыми аппаратами не уступает, а во многих случаях и превосходит плёночное. Да, плёнка жива и, возможно, будет жить еще долго, но прогресс остановить невозможно. Согласитесь, побеждает та технология, которая удобнее и дешевле. Поэтому, изучая фотоаппарат как основной инструмент фотографа, мы будем говорить, прежде всего, о цифровых фотокамерах. Каким фотоаппаратом снимать — плёночным, или цифровым каждый решает сам? Какую модель выбрать, с какими характеристиками, какого производителя тоже дело вкуса и личных предпочтений? Для эффективного обучения мастерству фотографии несущественно фотокамерой какого производителя вы пользуетесь.

Но! Хочу обратить ваше внимание, уважаемые коллеги — намного удобнее и дешевле обучаться, имея цифровой фотоаппарат, и уж совсем жизненно необходимо, чтобы ваша камера имела возможность съемки в полуавтоматических и ручном режимах. Почему эти тезисы верны, вы поймете в процессе знакомства с материалом данной лекции.

Кратко об устройстве фотоаппарата и влиянии конструктивных элементов на результат.

1. ОБЪЕКТИВ

Объектив — устройство создающее изображение на светорегистрирующей плоскости.

Достаточно подробно мы уже рассмотрели этот вопрос в лекции, посвященной объективам, поэтому напомню и уточню только несколько важных пунктов:

разрешающая способность — важнейшая характеристика, определяющая максимально возможную четкость и резкость формируемого изображения. Зависит от качества материала, из которого выполнены линзы объектива, качества обработки поверхностей и точности самой оптической схемы. Нетрудно догадаться, что чем объектив лучше, тем он дороже.

светосила — упрощенно это отношение количества света пропущенного объективом в светорегистрирующую плоскость, к количеству света отраженного от фотографируемого объекта (в сторону объектива, естественно). Характеризуется светосила минимальным значением диафрагмы f (обратная величина, см. лекцию про объективы), лучшие объективы имею

3.6.9 Фотоаппарат как оптический прибор. Глаз как оптическая система

Видеоурок 1: Фотоаппарат — Физика в опытах и экспериментах

Видеоурок 2: Модель оптической системы глаза

Лекция: Фотоаппарат как оптический прибор. Глаз как оптическая система

Вам не показалось, это не урок биологии, но мы действительно принялись за рассмотрение строения и работы глаза. С точки зрения физики, глаз — это совершенный и удивительный оптический прибор.

Строение глаза

Мы не будем сильно углубляться в строение глаза, рассмотрим основные его части.

Итак, представим, что глаз смотрит на некоторого человека. Лучи от него попадают на защитную часть глаза, называемую роговицей. 

Роговица — это сферическое прозрачное тело, а, значит, она преломляет лучи, попавшие на нее.

Далее лучи попадают на хрусталик. Он выступает в роли двояковыпуклой линзы. После хрусталика лучи собираются в одну точку. Как известно двояковыпуклая линза — это собирающая линза.

В зависимости от того, на каком расстоянии находится предмет, хрусталик меняет радиусы кривизны, что улучшает фокусировку. Процесс, при котором хрусталик непроизвольно подстраивается к расстоянию предмета, называется аккомодация. Данный процесс происходит, когда мы смотри на приближающийся или отдаляющийся предмет.

Перевернутое и уменьшенное изображение попадает на сетчатку, где нервные окончания сканируют его, переворачивают и отправляют в мозг.

Проблемы со зрением

Как известно, существует две основных проблемы со зрением: дальнозоркость и близорукость. Обе болезни описываются исключительно с точки зрения физики, а объясняются свойствами и толщиной линзы (хрусталика).


Если лучи от предмета соединяются перед сетчаткой, то человек страдает на близорукость.

Исправить данную проблему можно с помощью рассеивающей линзы, то есть именно поэтому больным выписывают очки.


Дальнозоркость — при такой болезни лучи соединяются после сетчатки, то есть фокус находится за пределами глаза.

Для исправления такого зрения используют очки с собирающими линзами.

Кроме природного оптического прибора существуют и искусственные: микроскопы, телескопы, очки, камеры и прочие предметы. Все они имеют аналогичное строение. Для улучшения или увеличения изображения используется система из линз (в микроскопе, телескопе).


Фотоаппарат

Искусственным оптическим прибором можно назвать фотоаппарат. Рассматривать строение современных фотоаппаратов — достаточно сложно. Поэтому в школьном курсе физики рассмотрим самую простую модель, один из первых фотоаппаратов.

Основным оптическим преобразователем, который способен зафиксировать большой объект на пленке, является объектив. Объектив состоит из одной или более линз, которые позволяют фиксировать изображение. Объектив имеет возможность изменять положение линз относительно друг друга, чтобы фокусировать изображение, то есть делать его четким. Все мы знаем, как выглядит сфокусированное изображение — оно четкое, полностью описывает все детали предмета. Если же линзы в объективе не сфокусированы, то изображение получается нечетким и размытым. Аналогичным образом видит человек, обладающим плохим зрением, поскольку изображение не попадает в фокус.

Чтобы получить изображение от отражения света для начала необходимо открыть затвор — только в данном случае пленка будет освещаться в момент фотографирования. Чтобы обеспечить необходимый поток света, его регулируют с помощью диафрагмы.

В результате преломления лучей на линзах объектива, на пленке можно получить перевернутое, действительное и уменьшенное изображение.

На пленке невозможно получить изображение до тех пор, пока её не опустят в проявитель. После этого все места, куда попадал свет, становятся темными, а где света было меньше — светлыми. Такое изображение называется негативом.

После того, как негатив просветили, его опускают в закрепитель. Чтобы получить изображение на бумаге, негатив прикладывают к светочувствительной бумаге.


Устройство объектива

© 2015 Vasili-photo.com

Объектив следует считать ключевым узлом оптического прибора под названием фотоаппарат. Всё верно: не матрицу, а именно объектив. Фотография – это изображение, и не что иное, как фотографический объектив формирует это изображение на светочувствительном материале. Матрица лишь преобразует созданное объективом изображение в цифровую форму.

Фотограф не обязан быть экспертом в области прикладной оптики, но наличие некоторого представления о том, как работает объектив вашей фотокамеры, не только не помешает вашему творческому росту, но и поможет сделать фотосъёмку более осознанной и управляемой.

Конструкция объектива

С основной задачей фотографического объектива – собрать свет, идущий от снимаемой сцены, и сфокусировать его на матрице или плёнке фотоаппарата – может справиться обычная двояковыпуклая линза. Однако качество изображения при этом будет весьма посредственным из-за обилия оптических аберраций. Чтобы обеспечить оптимальное качество картинки, в оптическую схему объектива вводятся дополнительные линзы, корректирующие световой поток, исправляющие аберрации и придающие объективу требуемые свойства. Число оптических элементов в современных объективах может в отдельных случаях достигать двух десятков и более. Элементы могут быть объединены в группы и все вместе они должны действовать как единая собирающая оптическая система.

Помимо оптического блока, т.е. системы линз, расположенных в определённой последовательности, конструкция объектива включает в себя также ряд вспомогательных механизмов, обеспечивающих наводку на резкость, управление диафрагмой, изменение фокусного расстояния (в зум-объективах), оптическую стабилизацию и пр.

Оправа, т.е. корпус объектива, соединяет все его компоненты воедино, а также служит для крепления объектива к фотоаппарату.

Фотографический объектив в разрезе

Фокусное расстояние

Фокусное расстояние является основной характеристикой не только фотографического объектива, но и вообще любой оптической системы.

Фокусным расстоянием называют расстояние от оптического центра объектива до плоскости матрицы или плёнки. Это определение не вполне корректно, но зато оно доступно пониманию даже неискушенного в оптике читателя. Для тех же, кто ценит строгость формулировок, я приведу более наукообразное определение:

Заднее фокусное расстояние объектива – это расстояние от задней главной плоскости до заднего фокуса.

Фокусное расстояние
F – фокус; ƒ – фокусное расстояние.

Почему фокусное расстояние названо задним? Потому что существует ещё и не представляющее для нас никакого интереса переднее фокусное расстояние, указывающее на особенности хода лучей света в обратном направлении, т.е. из камеры. В связи с тем, что в фотографии для нас важен ход лучей, направленных от объекта в камеру, а не наоборот, мы будем говорить преимущественно о заднем фокусном расстоянии объектива. Во всех тех случаях, когда я употребляю словосочетание «фокусное расстояние» без каких либо уточняющих слов, я подразумеваю именно заднее фокусное расстояние.

Быть может, у читателя вызывают затруднение термины «задняя главная плоскость» и «задний фокус»? Попробую объяснить.

Истинный ход лучей в объективе, состоящем из множества линз, достаточно сложен и замысловат. Однако для упрощения расчётов допустимо мысленно заменить все линзы объектива, единственной собирающей линзой, преломляющая сила которой соответствует преломляющей силе объектива в целом. При этом действие всех преломляющих поверхностей объектива сводится к действию главных плоскостей воображаемой линзы. Главной плоскостью называется условная плоскость, пересекая которую лучи света меняют своё направление. Таких плоскостей обычно две, поскольку лучи света, идущие в камеру, и лучи, идущие из камеры, будут преломляться по-разному. Главная плоскость, характеризующая ход лучей в прямом направлении (от объекта в камеру), называется задней главной плоскостью. Её-то и следует считать условным оптическим центром объектива.

Задний фокус – это точка, в которой пересекаются первоначально параллельные лучи после прохождения через объектив. Очевидно, что для получения резкого изображения бесконечно удалённого объекта, плоскость матрицы или плёнки должна совпадать с фокальной плоскостью, т.е. пересекать оптическую ось объектива именно в точке заднего фокуса.

Расстояние же между главной плоскостью и фокусом называется фокусным расстоянием.

Как известно, фокусное расстояние измеряется в миллиметрах. На основании соотношения между фокусным расстоянием объектива и диагональю кадра, объективы принято разделять на три условные группы:

  • нормальные объективы, фокусное расстояние которых приблизительно равно диагонали кадра;
  • длиннофокусные объективы, фокусное расстояние которых превышает диагональ кадра;
  • короткофокусные объективы, фокусное расстояние которых меньше диагонали кадра.

От фокусного расстояния зависит угол изображения, а также масштаб и перспектива снимка. Художественная сторона вопроса подробно освещена в статье «Фокусное расстояние и перспектива».

Хочется подчеркнуть, что фокусное расстояние не является в буквальном смысле «длиной» объектива и лишь косвенно указывает на его линейные размеры. Физически объектив может быть как длиннее, так и короче своего фокусного расстояния. Следует понимать, что из-за особенностей конструкции многих современных объективов их задняя главная плоскость может располагаться как в пределах системы линз, так и за её пределами.

В случае если задняя главная плоскость вынесена вперёд, фокусное расстояние объектива будет превышать его физические размеры. Такой объектив называется телеобъективом. Практически все современные длиннофокусные объективы являются телеобъективами, что позволяет уменьшить их габариты.

Если задняя главная плоскость расположена в середине объектива, то фокусное расстояние оказывается меньше расстояния от переднего элемента объектива до заднего фокуса. Таковы нормальные и умеренно короткофокусные объективы.

И, наконец, задняя главная плоскость может лежать позади объектива. В этом случае фокусное расстояние будет короче заднего фокального отрезка, т.е. расстояния от заднего оптического элемента до заднего фокуса. Такие объективы называются ретрофокусными объективами или объективами с удлинённым задним отрезком. Зачем нужна столь сложная схема? Ведь габариты она явно не экономит. Дело в том, что наличие поворотного зеркала в зеркальных фотоаппаратах налагает жёсткие ограничения на минимальную допустимую величину заднего фокального отрезка. Иными словами, зеркало не позволяет приблизить объектив вплотную к матрице или плёнке, а это значит, что короткофокусные объективы для зеркальных фотокамер должны проектироваться по ретрофокусной схеме.

Что касается беззеркальных систем, то там подобное конструкционное ограничение отсутствует, и короткофокусные объективы могут быть весьма компактными по сравнению с аналогами для зеркальных аппаратов.

Диафрагма

Диафрагма служит для управления интенсивностью светового потока, проходящего через объектив. Диафрагма представляет собой непрозрачную перегородку, составленную из подвижных лепестков-ламелей (чаще всего числом 5-9). В центре перегородки лепестки формируют более-менее круглое отверстие, диаметр которого может изменяться в широких пределах, дозируя поступающий в камеру свет. Перемещение лепестков диафрагмы осуществляется посредством пружины или электромагнитного привода.

Первая и важнейшая функция диафрагмы – управление экспозицией, вторая – контроль над глубиной резкости.

Ирисовая диафрагма

Мерой светопропускающей способности объектива является диафрагменное число или число диафрагмы, представляющее собой отношение между фокусным расстоянием объектива и диаметром отверстия диафрагмы. Например, при фокусном расстоянии объектива 200 мм и диаметре отверстия диафрагмы 50 мм их отношение будет равно: 200 ÷ 50 = 4. Последнее обычно записывается как f/4 и означает, что диаметр отверстия диафрагмы в четыре раза меньше фокусного расстояния объектива.

Что будет, если мы уменьшим диаметр отверстия, скажем, до 25 мм? Число диафрагмы окажется равным: 200 ÷ 25 = 8. Таким образом, чем меньше относительное отверстие, тем больше диафрагменное число.

Почему говорят именно об относительном отверстии, а не просто о диаметре отверстия диафрагмы? Потому, что нас в данном случае не интересуют конкретные значения фокусного расстояния и диаметра отверстия, а лишь отношение между ними. Число диафрагмы – величина безразмерная. Независимо от своего фокусного расстояния все объективы, диафрагма которых установлена на f/8, будут пропускать одинаковое количество света. При этом очевидно, что фактический диаметр отверстия будет тем больше, чем больше фокусное расстояние объектива – главное, чтобы их отношение оставалось неизменным.

Для того чтобы уменьшить количество света, проходящего через объектив, в два раза, т.е. на одну ступень экспозиции (EV), необходимо в два раза уменьшить площадь отверстия диафрагмы. Его диаметр при этом уменьшится в √2 раза. В связи с этим диафрагменные числа, отстоящие друг от друга на одну ступень, различаются в √2, т.е. примерно в 1,414 раза, и образуют следующий стандартный ряд: f/1; f/1,4; f/2; f/2,8; f/4, f/5,6; f/8; f/11; f/16; f/22; f/32; f/45; f/64.

Минимальное доступное значение диафрагмы, т.е. максимальный размер относительного отверстия конкретного объектива, принято называть его светосилой.

В большинстве современных объективов используется механизм т.н. «прыгающей» или «моргающей» диафрагмы. Суть его в том, что вне зависимости от того, какое число диафрагмы выбрано для съёмки, диафрагма остаётся полностью открытой до самого момента спуска затвора и только тогда закрывается до заранее выбранного значения. После каждого снимка диафрагма автоматически возвращается в открытое состояние. Это позволяет осуществлять кадрирование, экспозамер и наводку на резкость при максимальной величине относительного отверстия (минимальном числе диафрагмы) и соответствующей ему максимально яркой картинке в видоискателе. В случае же если у фотографа возникает желание визуально оценить глубину резкости будущего кадра, диафрагму можно принудительно закрыть до рабочего значения, используя кнопку репетира диафрагмы.

Байонет

Объектив крепится к фотоаппарату посредством байонетного соединения. На хвостовике оправы объектива имеются лепестки (обычно их три), которым соответствуют пазы во фланце камеры. При установке объектива хвостовик вставляется во фланец и запирается поворотом на небольшой угол. Несимметричность лепестков исключает затрудняет неправильную ориентацию байонета. Чтобы отсоединить объектив необходимо нажать на кнопку и повернуть его в обратную сторону. См. «Смена объектива».

Байонет Nikon F. Хвостовик объектива.

По сравнению с резьбовым соединением байонет обладает двумя основными преимуществами: во-первых, смена объективов происходит быстрее, а во-вторых, обеспечивается более точная ориентация объектива относительно камеры, что необходимо для оптимального совмещения электрических контактов и механических приводов.

Байонет Nikon F. Фланец камеры.

Помимо своей основной функции – крепления объектива к камере, – байонет должен также обеспечивать и функциональную связь между ними, согласовывая работу диафрагмы, автофокуса, стабилизатора и прочих устройств. Байонеты большинства современных фотографических систем (Canon EF, Sony E, Fujifilm X) не предполагают какой-либо механической связи между камерой и объективом – обмен информацией осуществляется исключительно через электронный интерфейс. В более традиционных байонетах (например, Nikon F) управление диафрагмой (а для старых моделей объективов ещё и автофокусом) реализовано посредством механических приводов.

Важнейшей характеристикой байонетного крепления является его рабочий отрезок. Рабочий отрезок – это расстояние от опорной поверхности объектива (или опорной поверхности фланца камеры) до фокальной плоскости, т.е. до плоскости матрицы или плёнки. Длина рабочего отрезка зависит от особенностей конструкции фотоаппарата. Так, у зеркальных камер рабочий отрезок значительно больше, чем у беззеркальных, поскольку поворотное зеркало не позволяет сделать корпус камеры слишком плоским.

Не следует путать рабочий отрезок с задним фокальным отрезком. Рабочий отрезок – это фиксированный параметр байонета, и его величина неизменна для всех камер и объективов в рамках данной фотографической системы. Задний фокальный отрезок – параметр конкретного объектива, и его величина может отличаться от величины рабочего отрезка, как в большую, так и в меньшую сторону, в зависимости от модели.

Фокусировка

В исходном положении объектив сфокусирован на бесконечность, т.е. в фокальной плоскости оказывается изображение бесконечно удалённого объекта. Чтобы сфокусировать объектив на более близких объектах, необходимо увеличить дистанцию между задней главной плоскостью объектива и плоскостью матрицы или плёнки. Иными словами, объектив должен быть как бы выдвинут навстречу объекту съёмки.

В простейших объективах с небольшим количеством элементов наводка на резкость осуществляется перемещением всего оптического блока внутри оправы объектива. Иногда движется только передняя линза. Хуже всего, когда она ещё и вращается при фокусировке, поскольку это весьма затрудняет использование поляризационных и градиентных фильтров.

В более сложных объективах применяется внутренняя фокусировка. Внешние размеры объектива в таком случае остаются неизменными, а смещение оптического центра достигается перемещением независимой группы линз внутри объектива. Частным случаем внутренней фокусировки является задняя фокусировка, при которой за наводку на резкость отвечает задняя группа элементов.

Большинство современных объективов предполагают использование автоматической фокусировки. Обычно в оправу автофокусных объективов встроен кольцевой электродвигатель (ультразвуковой или шаговый), который и приводит в движение фокусировочную группу линз. Исключение составляют лишь некоторые классические автофокусные объективы Nikon и Pentax, не имеющие собственного фокусировочного мотора. Мотор в данном случае встроен в камеру, а передача крутящего момента происходит посредством механической муфты.

Зум-объективы

Зум-объективами принято называть объективы с переменным фокусным расстоянием. Конструкция зум-объективов значительно сложнее конструкции дискретных объективов и включает ряд дополнительных оптических элементов, взаимное перемещение которых не только изменяет фокусное расстояние объектива, но и компенсирует возникающие при этом дополнительные оптические аберрации.

Отношение между максимальным и минимальным фокусным расстоянием зум-объектива называется его кратностью. Например, кратность зум-объектива с диапазоном фокусных расстояний 24-70 мм приблизительно равна: 70 ÷ 24 ≈ 3, что позволяет говорить о нём как о 3-х кратном зуме.

Оптический стабилизатор

В объективах, снабжённых оптическим стабилизатором изображения, одна из линз может при помощи электромагнитного привода перемещаться в плоскости, перпендикулярной оптической оси объектива, компенсируя тем самым вибрацию фотоаппарата и предотвращая смазывание изображения.

Об особенностях устройства и практическом применении стабилизированной оптики можно прочесть в статье: «Оптический стабилизатор. Нюансы использования IS и VR».

Светофильтры

Практически все объективы могут использоваться вместе со светофильтрами. Чаще всего фильтры накручиваются на объектив спереди, для чего в оправе объектива предусмотрена специальная резьба. Однако в тех случаях, когда передняя линза объектива отличается необычайно большим диаметром или излишне выпуклой формой, традиционное использование фильтров физически затруднено, в связи с чем и резьба для фильтров может попросту отсутствовать. Существуют два основных подхода к решению этой проблемы. Супертелеобъективы обычно снабжаются выдвижной обоймой, в которую можно вложить стандартный светофильтр небольшого диаметра, после чего обойма вставляется внутрь объектива через специальную прорезь. Многие же сверхширокоугольные объективы в принципе не совместимы со стеклянными фильтрами и вместо этого имеют на хвостовике зажимы для тонких фильтров из пластиковой плёнки. Очевидно, что как внутреннее, так и заднее расположение светофильтров исключает возможность использования прозрачных фильтров для защиты передней линзы от грязи и царапин, предъявляя к вашей аккуратности повышенные требования.

Спасибо за внимание!

Василий А.

Post scriptum

Если статья оказалась для вас полезной и познавательной, вы можете любезно поддержать проект, внеся вклад в его развитие. Если же статья вам не понравилась, но у вас есть мысли о том, как сделать её лучше, ваша критика будет принята с не меньшей благодарностью.

Не забывайте о том, что данная статья является объектом авторского права. Перепечатка и цитирование допустимы при наличии действующей ссылки на первоисточник, причём используемый текст не должен ни коим образом искажаться или модифицироваться.

Желаю удачи!


  Дата публикации: 03.06.2015
Лицензия Creative Commons

Вернуться к разделу «Матчасть»

Перейти к полному списку статей


Геометрическая оптика — Оптические приборы. Фотоаппарат.

Урок 10. Оптические приборы. Фотоаппарат.

Оптические приборы, представляющие собой совокупность нескольких призм или линз, нескольких зеркал или одновременно линз, призм и зеркал, предназначены для преобразования световых пучков. С их помощью могут изменяться направления хода световых лучей, или телесные углы, в пределах которых распространяются световые пучки. Последнее обстоятельство связано с получением изображений, размеры которых отличаются от размеров предметов.

Первое, на что нужно обращать внимание при анализе действия оптической системы, — это назначение и реальные условия ее работы. Где может располагаться предмет перед системой? Какое изображение (увеличенное, уменьшенное, обратное или прямое) должна давать система? С помощью чего регистрируется полученное изображение (на экране, фотопленке, рассматривается невооруженным глазом или глазом через какую-нибудь линзовую систему)?

Все оптические приборы можно разделить на две группы:

1) приборы, при помощи которых получают оптические изображения на экране. К ним относятся проекционные аппараты, фотоаппараты, киноаппараты и др.

2) приборы, которые действуют только совместно с человеческими глазами и не образуют изображений на экране. К ним относится лупа, микроскоп и различные приборы системы телескопов. Такие приборы называются визуальными.

Фотоаппаратом называется оптико-механический прибор, предназначенный для получения на фотопленке или фотопластинке изображения фотографируемого предмета.

Фотография была изобретена в 30–х годах XIX века и прошла долгий путь развития. Современная фотография, ставшая малоформатной, моментальной, цветной, стереоскопической, нашла широчайшее применение во всех областях нашей жизни. Велика её роль в исследовании природы. Фотография позволяет рассматривать различные объекты (от микроскопических до космических), невидимые излучения и т.д. Всем известное значение художественной фотографии, детищем которой является кино.

Основными частями фотоаппарата являются непрозрачная камера и система линз, называемая объективом. Простейший объектив представляет собой одну собирающую линзу. Объектив создаёт вблизи задней стенки камеры действительное  перевёрнутое изображение фотографируемого предмета. В большинстве случаев предмет находится на расстоянии, большем двойного фокусного, поэтому изображение получается уменьшенным. В том месте, где получается изображение, помещается фотоплёнка или фотопластинка, покрытая слоем светочувствительного вещества – фотоэмульсией.

http://www.physbook.ru/images/thumb/d/d9/Aksen-16.48.jpg/250px-Aksen-16.48.jpg

схема хода лучей в фотоаппарате

ход лучей в фотоаппарате

Фотографируемые предметы могут находиться на разных расстояниях от аппарата, следовательно, расстояние между объективом и плёнкой также необходимо изменять, что осуществляется обычно перемещением объектива.

Световая энергия, попадающая на светочувствительный слой, дозируется фотографическим затвором, который даёт доступ свету лишь на определённое время – время экспозиции. Время экспозиции зависит от чувствительности фотоэмульсии и от освещённости плёнки, которая зависит, в частности, от диаметра объектива. Диаметр действующей части объектива можно менять с помощью диафрагмы и этим регулировать освещённость фотоплёнки. Уменьшая отверстие диафрагмы, можно добиться того, что изображение предметов, находящихся на различных расстояниях от аппарата, будут достаточно чёткими. Возрастёт, как говорят, глубина резкости.

Диафрагма регулирует световой поток, который попадает на пленку. Фотоаппарат дает уменьшенное, обратное, действительное изображение, которое фиксируется на пленке. Под действием света состав пленки изменяется и изображение запечатлевается на ней. Оно остаётся невидимым до тех пор, пока пленку не опустят в специальный раствор — проявитель. Под действием проявителя темнеют те места пленки, на которые падал свет. Чем больше было освещено какое-нибудь место пленки, тем темнее оно будет после проявления. Полученное изображение называется негативом (от лат. negativus — отрицательный), на нем светлые места предмета выходят темными, а темные светлыми.

Чтобы это изображение под действием света не изменялось, проявленную пленку погружают в другой раствор — закрепитель. В нем растворяется и вымывается светочувствительный слой тех участков пленки, на которые не подействовал свет. Затем пленку промывают и сушат.

С негатива получают позитив (от лат. pozitivus — положительный), т. е. изображение, на котором темные места расплолжены так же как и на фотографируемом предмете. Для этого негатив прикладывают к бумаге тоже покрытой светочувствительным слоем (к фотобумаге), и освещают. Затем фотобумагу опускают в проявитель, потом в закрепитель, промывают и сушат.

После проявления пленки при печатании фотографий пользуются фотоувеличителем, который увеличивает изображение негатива на фотобумаге.

Проекционный аппарат (проектор) предназначен для получения на экране действительного увеличенного изображения. Следовательно, и здесь объектив представляет собой собирающую линзу, только предмет помещают между F и 2F (F<d<2F), а изображение получается на расстоянии, большем 2F (f>2F).

Проекционные аппараты — это хорошо известные фильмоскопы, эпипроекторы, диапроекторы, эпидиаскопы, киноаппараты, кодаскопы и др.

http://www.physbook.ru/images/thumb/1/16/Aksen-16.49.jpg/180px-Aksen-16.49.jpg

Схема оптического устройства диапроектора изображена на рисунке 1, а. Главная часть аппарата — объектив О. Предметом служит прозрачный рисунок или фотоснимок на стеклянной пластинке (или прозрачной пленке) Д. Такую пластинку называют диапозитивом.

Размеры диапозитива обычно больше размеров объектива. Поэтому чтобы направить в объектив весь свет, идущий от диапозитива, применяют конденсор К, который представляет собой короткофокусную систему линз значительного размера. Располагают конденсор так, чтобы свет от него сходился в оптическом центре объектива. В качестве источников света Л используют мощные (300, 500 и 1000 Вт) лампы накаливания (или дуговые лампы) с рефлектором Р, источник света помещен в фокусе рефлектора.

Для проецирования на экран непрозрачных предметов (чертежей, рисунков из книг и др.) используют эпипроектор (рис. 1, б). Предмет освещается сбоку светом, отраженным от вогнутого зеркала, в фокусе которого расположен источник света Л. Отраженный от предмета свет с помощью плоского зеркала З направляется на объектив О.

Аппараты, в которых устройство обыкновенного проекционного аппарата (диаскопа) и эпископа совмещено, называют эпидиаскопами (рис. 1, в).

http://www.physbook.ru/images/thumb/4/46/Aksen-16.50.jpg/850px-Aksen-16.50.jpg

Рис. 1

Эпидиаскоп имеет два объектива О и O1 откидную ширму Ш, отражатель и столик С для непрозрачных предметов. Когда ширма Ш опущена (рис. 1), эпидиаскоп действует как проекционных аппарат.

При поднятии ширмы закрываются конденсатор К и объектив О, и открывается столик С, на котором помещают непрозрачный предмет, освещаемый тем же повернутым источником света Л с рефлектором Р. Свет, отраженный от предмета, падает на зеркало 3 и от него отражается на второй объектив O1.

Лупа. Чтобы увидеть мелкие детали предмета, их нужно рассматривать под большим углом зрения, но увеличение этого угла ограничено пределом аккомодационных возможностей глаза. Увеличить угол зрения (сохраняя расстояние наилучшего зрения d0) можно, используя оптические приборы (лупы, микроскопы).

Лупой называют короткофокусную собирающую линзу или систему линз, действующих как одна собирающая линза (обычно фокусное расстояние лупы не превышает 10 см).

Ход лучей в лупе показан на рисунке. Лупу помещают близко к глазу, а рассматриваемый предмет АВ=А1В1 располагают между лупой и ее передним фокусом, чуть ближе последнего. Подбирают положение лупы между глазом и предметом так, чтобы видеть резкое изображение предмета. Это изображение А2В2 получается мнимым, прямым, увеличенным и находится на расстоянии наилучшего зрения OB2 = d0 от глаза, а сам глаз находится непосредственно перед лупой.

http://www.physbook.ru/images/thumb/a/ad/Aksen-16.55.jpg/180px-Aksen-16.55.jpg

Использование лупы приводит к увеличению угла зрения, под которым глаз рассматривает предмет. Действительно, когда предмет находился в положении А1В1 и рассматривался невооруженным глазом, угол зрения был  ϕ1. Предмет поместили между фокусом и оптическим центром лупы в положение АВ, и угол зрения стал ϕ2 . Поскольку ϕ1> ϕ2 , то с помощью лупы на предмете можно рассмотреть более мелкие детали, чем невооруженным глазом.

Из рисунке видно также, что линейное увеличение лупы: 

LaTeX: \Gamma = \frac{A_2B_2}{AB} = \frac{OB_2}{OB}.

Так как OB2 = d0, а OB1 ≈ F (F — фокусное расстояние лупы), то LaTeX: \Gamma=\frac{d_0}{F},где d0 = 25 см. Следовательно, увеличение, даваемое лупой, равно отношению расстояния наилучшего зрения к фокусному расстоянию лупы.

лупаМикроскоп. Для получения больших угловых увеличений (от 20 до 2000) используют оптические микроскопы. Увеличенное изображение мелких предметов в микроскопе получают с помощью оптической системы, которая состоит из объектива и окуляра.

Простейший микроскоп — это система с двух линз: объектива и окуляра. Предмет АВ размещается перед линзой, которая является объективом, на расстоянии F1 < d < 2F1 и рассматривается через окуляр, который используется как лупа. Увеличение Г микроскопа равно произведению увеличения объектива Г1 на увеличение окуляра Г2:

Г = Г1∙Г2

Принцип действия микроскопа сводится к последовательному увеличению угла зрения сначала объективом, а затем - окуляром.

&khcy;&ocy;&dcy; &lcy;&ucy;&chcy;&iecy;&jcy; &vcy; &mcy;&icy;&kcy;&rcy;&ocy;&scy;&kcy;&ocy;&pcy;&iecy;

 

читать далее

Камеры видеонаблюдения

Оптический зум против цифрового зума — что лучше — блог Reolink

Если вы находитесь перед дилеммой выбора лучшей камеры видеонаблюдения с оптическим и цифровым увеличением, вы получите идеальную камеру после прочтения этого блога.

Вы получите оптическое и цифровое масштабирование камеры видеонаблюдения, подробное сравнение оптического и цифрового масштабирования камер видеонаблюдения с цифровым масштабированием , а также рекомендации по лучшему масштабированию камеры безопасности!

Если у вас есть вопросы по оптическому и цифровому зуму камеры видеонаблюдения, оставьте их в комментариях.

Содержимое :
# 1. Камера наблюдения с оптическим и цифровым зумом Значение
# 2. Камера слежения Оптический и цифровой зум Плюсы, минусы и сравнение
# 3. Рекомендации по лучшим камерам безопасности с оптическим зумом (с видео)

Optical Zoom VS Digital Zoom

№1. Камеры безопасности Описание оптического и цифрового увеличения

Я встречал много вопросов об оптическом и цифровом зуме IP-камеры наблюдения, когда бродил по форумам, например: «Насколько хорош оптический зум? Что означает 4-кратный цифровой зум? Что такое 5-кратный оптический зум?»

Вы можете получить все ответы на эти вопросы, прочитав приведенное ниже значение оптического и цифрового увеличения камеры безопасности.

1. Оптический зум на камерах видеонаблюдения

Оптический зум камеры видеонаблюдения означает, что объектив камеры наблюдения сохраняет фокус при изменении фокусного расстояния. Камеры видеонаблюдения с оптическим зумом позволяют увеличивать масштаб для просмотра большего количества деталей изображения или уменьшать масштаб для получения более широкого угла обзора без ущерба для качества изображения.

Оптический зум IP-камеры видеонаблюдения достигается путем фактической регулировки оптики камеры, например, путем поворота различных линз внутри камеры. Вы можете рассматривать оптический зум как просмотр в бинокль.

Например, 5-кратный оптический зум означает максимальное фокусное расстояние X 5 = максимальное фокусное расстояние. Число, 3X, 5X и т. Д., Обычно означает количество увеличений, которое может выполнять конкретный объектив камеры видеонаблюдения.

Вы можете взглянуть на видео ниже, снятое камерой наблюдения с оптическим зумом RLC-422, чтобы увидеть мощное оптическое масштабирование.

Существует 3 типа камер видеонаблюдения с оптическим увеличением: ручные, моторизованные и PTZ (полностью моторизованные) варифокальные камеры безопасности.

Камеры видеонаблюдения с ручным оптическим зумом : Вам необходимо отрегулировать уровень масштабирования и угол обзора лично перед записью. Водонепроницаемый корпус необходимо снять с камеры, чтобы вы могли управлять варифокальным объективом, поворачивая ручку внутри камеры.

Если вы уже установили камеру на потолок или потолок, будет действительно сложно изменить уровень масштабирования, так как вам нужно подняться, чтобы добраться до камеры. Для легкой регулировки уровня увеличения лучше всего подойдут камеры видеонаблюдения с моторизованным зумом.

IP-камеры видеонаблюдения с моторизованным оптическим зумом : Вы можете просто увеличивать или уменьшать масштаб с помощью экранных элементов управления в клиенте и приложении камеры видеонаблюдения. Моторизованный объектив камеры сохраняет фокус при изменении фокусного расстояния.

Камеры видеонаблюдения с поворотно-наклонным зумом : PTZ-камеры — это своего рода полностью моторизованные камеры видеонаблюдения с оптическим зумом, обеспечивающие всестороннюю защиту вашего дома. Некоторые камеры наблюдения PTZ могут предложить вам панорамирование на 360 °, наклон на 90 ° и высокий оптический зум.

Вы можете осматривать все вокруг своей собственности с помощью бесконечного панорамирования и наклона, а также получать больше деталей изображения или более широкий угол обзора с мощным оптическим зумом. Все, что вам нужно, это щелкнуть экранное управление клиентом и приложением камеры безопасности.

2. Цифровой зум на камерах видеонаблюдения

Цифровое увеличение камеры видеонаблюдения — это внутренняя функция обработки изображений программного обеспечения, как и программа для редактирования изображений на вашем компьютере. Цифровой зум работает путем сужения видимого угла обзора изображений и последующего кадрирования областей за пределами полей.Вы можете считать, что цифровой зум похож на увеличение изображений на вашем компьютере.

К сожалению, камеры видеонаблюдения с цифровым зумом просто увеличивают пиксели изображения, что часто приводит к расплывчатым изображениям и видео по сравнению с камерами с оптическим зумом. Это основная причина, по которой эксперты по камерам безопасности считают, что камеры безопасности с оптическим зумом — лучший выбор.

Хотя камеры видеонаблюдения с оптическим зумом во многом перевешивают тип цифрового зума, это не означает, что цифровой зум — это просто «грязное слово».У обоих есть свои плюсы и минусы.

Вы можете ознакомиться с преимуществами и недостатками оптического и цифрового масштабирования, а также получить подробные сведения о сравнении оптического и цифрового масштабирования: какой из них лучше? В следующей части.

№2. Видеокамеры безопасности Оптический зум и цифровой зум — преимущества, недостатки и различия

Вы можете получить плюсы и минусы оптического и цифрового зума камеры видеонаблюдения, а также сравнить детали, чтобы сделать правильный выбор при покупке камер видеонаблюдения.

1. Плюсы и минусы камер видеонаблюдения с оптическим зумом

Плюсы : Одна из самых сильных сторон камер видеонаблюдения с высоким оптическим зумом заключается в том, что вы не страдаете от ухудшения качества изображения. Благодаря оптическому зуму вы можете просматривать детали изображения объекта с большого расстояния и при этом получать четкий качественный снимок.

Минусы : Камеры видеонаблюдения с оптическим зумом предпочтительны практически во всех отношениях, за исключением двух причин:

  • Оптический зум уменьшает угол обзора при увеличении для получения деталей изображения.
  • Невозможно добавить оптический зум после записи видео.

2. Преимущества и недостатки IP-камер видеонаблюдения с цифровым увеличением

Преимущества : Цифровой зум камер видеонаблюдения не уменьшает угол обзора. Цифровой зум можно добавить после записи видео.

Недостатки : Камеры видеонаблюдения с цифровым зумом часто приводят к размытым изображениям и пикселизации, если они используются неправильно.

3. Камеры видеонаблюдения Сравнение оптического увеличения и цифрового увеличения

Разница между оптическим увеличением и цифровым увеличением в камерах видеонаблюдения заключается в способе увеличения изображения.

Оптическое масштабирование — это «настоящее» масштабирование путем фактической регулировки объектива при увеличении или уменьшении масштаба. Цифровой зум, с другой стороны, захватывает все поле объекта и позволяет вам увидеть, что для вас важно, обрезая ненужные части.

Предположим, вы находитесь перед картиной, когда посещаете музей. Вы хотите проверить детали картины, так что вы подходите ближе к картине, а затем видите детали — это оптический зум в камерах видеонаблюдения.

Еще возьмем эту картину в качестве примера.Вы не можете видеть детали рисунка, поэтому вы используете свой iPhone, чтобы сфотографировать его, а затем увеличиваете изображение, чтобы проверить детали — это цифровой зум в IP-камерах безопасности.

Проверьте приведенную ниже таблицу, чтобы получить общее представление о деталях сравнения «Оптический зум камер наблюдения и цифровой зум».

Оптический зум Цифровое увеличение
Преимущества Вы можете получить очень четкие изображения или видео при увеличении или уменьшении масштаба. 1. Угол обзора не уменьшается при увеличении или уменьшении масштаба.

2. Цифровой зум можно добавить после записи видео.

Недостатки 1. Угол обзора будет уменьшаться при масштабировании.

2. Оптический зум не может быть добавлен после записи видео.

При неправильном использовании часто приводит к размытым изображениям и пикселизации.
Как это работает Работает путем собственно настройки оптики камеры. Работает за счет сужения видимого угла обзора изображений и последующей обрезки областей за пределами полей.

После проверки преимуществ и недостатков камер видеонаблюдения с оптическим и цифровым зумом, камеры видеонаблюдения с оптическим зумом являются лучшим вариантом, поскольку камеры могут предложить вам гораздо более четкие изображения по сравнению с цифровыми типами.

Вы можете взглянуть на лучшие выборы камер наблюдения с высоким оптическим зумом ниже. Вы также можете посмотреть потрясающие видео, снятые этими камерами видеонаблюдения с оптическим зумом.

№3. Лучшие беспроводные и проводные камеры видеонаблюдения с оптическим зумом для вас

Здесь вы можете приобрести лучшие камеры видеонаблюдения с оптическим зумом PoE и WiFi (включая потрясающие видео!)

1. RLC-422 — идеальный выбор для камеры видеонаблюдения с защитой от вандализма и оптическим зумом

Вы можете увеличивать масштаб, чтобы увидеть больше деталей удаленных объектов, не приближаясь, благодаря 4-кратному оптическому зуму камеры наблюдения RLC-422. Его антивандальная конструкция IK10 может предотвратить повреждение или разрушение объектива при физическом воздействии.

Камера видеонаблюдения с оптическим увеличением

RLC-422 обычно используется в областях, которые могут быть подвержены вандализму или взлому.

Optical Zoom VS Digital Zoom Горячий Reolink RLC-422

Антивандальная камера видеонаблюдения с поддержкой PoE

5 МП Super HD; IK10 вандалозащищенный; 4-кратный оптический зум; Наружная / внутренняя защита; 100-футовое инфракрасное ночное видение; Удаленный просмотр и управление в реальном времени.

Вы можете посмотреть забавное видео, предоставленное клиентом RLC-422, чтобы убедиться в четкости этой камеры видеонаблюдения с оптическим зумом.

2. RLC-423 — Камера видеонаблюдения с исключительным панорамированием, наклоном и оптическим увеличением

RLC-423 PTZ камера видеонаблюдения может охватить любой угол вашей собственности. Если вам нужна камера безопасности с панорамированием и наклоном, с оптическим зумом и отличным ночным видением, вы никогда не должны пропустить эту камеру. Это позволяет вам видеть вещи даже в условиях низкой освещенности на расстоянии до 190 футов.

Optical Zoom VS Digital Zoom Горячий Reolink RLC-423

Водонепроницаемая камера безопасности PTZ с поддержкой PoE

5-мегапиксельная Super HD; Панорама на 360 ° и наклон на 90 °; 4-кратный оптический зум; 190-футовое инфракрасное ночное видение; Интеллектуальное обнаружение движения; Удаленный просмотр и управление в реальном времени.

Посмотрите красивую снежную бурю, снятую камерой наблюдения RLC-423 (также предоставленной клиентом).

,Системы захвата движения, получившие награду

0
  • В корзине нет товаров.
  • Приложения
    • Науки о жизни
      Анализ движения для спорта, биомеханики, исследований и др.
    • Развлечения
      Оживите реалистичных персонажей в фильмах и играх
    • Engineering
      Захват движения в самых точных и требовательных условиях
    • Виртуальная реальность
      Превратите контент в незабываемые впечатления от виртуальной реальности
  • Программное обеспечение
    • Shōgun
      Сократите время и затраты на производство с помощью нашей платформы VFX
    • Nexus
      Самая надежная экосистема захвата движения для наук о жизни
    • Захват.U
      Регистрация движения в поле и анализ данных в реальном времени
    • Tracker
      Точное, точное и строгое отслеживание людей и объектов
  • Оборудование
    • Камеры
      Набор оптических мокапов, видео и активных VR для удовлетворения ваших потребностей
    • Инерционные датчики
      Датчики IMU для сбора данных с максимальной точностью
    • Устройства
      Все аппаратные средства для завершения ваших систем mocap и VR
    • Принадлежности
      Все, что вам нужно; от маркеров до костюмов и др.
  • Поддержка
    • Планы поддержки
      Самый полный спектр доступных планов поддержки
    • Загрузки
      Доступ к программному обеспечению, моделям, скриптам, утилитам, SDK и многому другому здесь
    • Документация
      Здесь вы найдете техническую информацию и помощь по типовым работам
    • Часто задаваемые вопросы
      Найдите ответы на наиболее часто задаваемые вопросы
  • О нас
    • О нас
      Вы вдохновляете наше творчество.Как мы можем вдохновить вас?
    • Что такое Motion Capture
      Узнайте больше о том, что мы подразумеваем под mocap
    • Контакт
      Найдите наши офисы, дистрибьюторов, партнеров, контакты для прессы или новую работу здесь
  • Новости
    • Пресса
      Новости новостей и загрузки для журналистов
    • События
      Приходите, познакомьтесь с нами и посмотрите, как мы тестируем нашу систему
    • Блог
      Взгляд сверху, мнения о тенденциях и полезные руководства
    • Примеры из практики
      Узнайте, что делают наши клиенты, прочтите Стандарт здесь
  • Построить мою систему

Ищи:

Частые поиски

  • Спорт
  • Nexus
.

Новая схема локализации транспортного средства, основанная на комбинированной связи оптической камеры и фотограмметрии

Спрос на автономные транспортные средства постепенно растет из-за их огромных потенциальных преимуществ. Однако при разработке автономных транспортных средств возникает ряд проблем, таких как локализация транспортных средств. Здесь предлагается простой и безопасный алгоритм позиционирования транспортных средств без значительного изменения существующей транспортной инфраструктуры. Для определения местоположения транспортных средств, транспортные средства на дороге подразделяются на две категории: основные транспортные средства (HV) — те, которые используются для оценки местоположения других транспортных средств, и транспортные средства экспедиции (FV) — те, которые движутся впереди HV.FV передает модулированные данные от заднего (или заднего) фонаря, и камера HV принимает этот сигнал, используя оптическую связь камеры (OCC). Кроме того, считается, что данные уличного освещения (SL) обеспечивают точность определения местоположения HV. Определение положения HV минимизирует отклонение относительного положения между HV и FV. Используя фотограмметрию, расстояние между FV или SL и камерой HV рассчитывается путем измерения занимаемой области изображения на датчике изображения. Сравнивая изменение расстояния между HV и SL с изменением расстояния между HV и FV, определяют положение FV.Производительность предложенного метода проанализирована, и результаты свидетельствуют о значительном улучшении производительности. Экспериментальное измерение расстояния подтвердило осуществимость предложенной схемы.

1. Введение

Локализация относится к процессу определения местоположения (координаты x и y в двумерном (2D) пространстве и координаты x , y и z в трехмерном пространстве). пространственное (3D) пространство) объекта в определенной точке пространства в определенное время.Несколько исследований вносят свой вклад в разработку точных схем локализации из-за возросшего спроса на приложения Интернета вещей (IoT). Необходимость схемы локализации интегрирована в требования Интернета вещей. Интернет вещей основан на огромном количестве физических объектов (например, сенсорных узлов и сенсорных сетей), подключенных через Интернет [1]. Эти объекты могут быть связаны друг с другом с помощью проводной или беспроводной среды. Схема локализации — важная проблема для подключения узлов датчиков в удаленном месте.Узел не может получить доступ или по беспроводной связи с другими узлами без точного позиционирования. Характеристики схем локализации меняются в зависимости от особенностей внутренней и внешней среды [2].

Хорошо известно, что локализация сенсорных узлов внутри помещений может быть критически важной задачей для современного бизнеса и коммерции. Однако вопросы, связанные с локализацией на открытом воздухе, особенно с локализацией автомобилей, имеют приоритет над локализацией внутри помещений. В последнее время обеспечение безопасности дорожного движения [3] стало важным из-за увеличения числа дорожно-транспортных происшествий со смертельным исходом.Статистика Всемирной организации здравоохранения [4] показывает, что в результате дорожно-транспортных происшествий во всем мире погибло 1,3 миллиона людей в возрасте от 15 до 29 лет, а количество несмертельных травм в 15–40 раз больше (от 20 до 50 миллионов). Таким образом, дорожно-транспортные происшествия входят в десятку основных причин смерти, сопоставимых с самоубийствами, ВИЧ / СПИДом, убийствами и другими заболеваниями. Наиболее частая причина дорожно-транспортных происшествий со смертельным исходом (около 60%) — высокие скорости транспортных средств (более 80 км / ч) на дороге [5]. Автономные транспортные средства могут помочь свести к минимуму гибель людей в результате дорожно-транспортных происшествий.Между тем, спрос на автономные транспортные средства во избежание несчастных случаев резко возрос [6]. Кроме того, внешняя локализация имеет первостепенное значение в транспортной сфере, особенно для автономных транспортных средств, что требует локализации других транспортных средств от основного транспортного средства (HV) в дорожных средах, таких как шоссе. Для автономных транспортных средств особенности локализации классифицируются как активные и пассивные. Активные функции включают в себя задание области интереса (ROI) и измерение возможности связи с другими транспортными средствами и поддержание безопасного расстояния от других транспортных средств, чтобы избежать нежелательных столкновений, путем измерения пространственных и временных сценариев [7].Пассивные функции включают получение информации о местоположении от отдельных транспортных средств, которая затем может накапливаться центром управления дорожным движением и использоваться эффективным способом для уменьшения заторов на дорогах.

1.1. Существующие решения, ограничения и текущие тенденции в локализации транспортных средств

Система глобального позиционирования (GPS) считается наиболее известным решением для схемы локализации вне помещений. GPS обеспечивает решение для определения местоположения транспортного средства в пределах прямой видимости с использованием информации датчиков из [8–10] и данных со спутника, находящегося на орбите на высоте около 20 000 км.GPS использует диапазон радиочастот (RF) для определения местоположения HV на дороге. Однако HV не может измерить свое расстояние от другого транспортного средства, такого как транспортное средство (FV), через GPS; он предлагает только текущее местоположение HV. Более того, эта схема локализации сопряжена с несколькими проблемами, такими как блокировка сигналов GPS такими препятствиями, как здания, метро, ​​туннели и деревья. Определение местоположения с использованием GPS может вызвать ошибку определения местоположения до 1 м в течение 10 с [11]. Стандарт беспроводной сети для состояний автомобилей, называемый IEEE 802.11p [12, 13], есть в наличии; это называется беспроводным доступом в автомобильной среде (WAVE) [14]. Этот стандарт используется для поддержки сети связи между транспортными средствами в рамках специальных транспортных сетей (VANET) [15] и для поддержки приложений интеллектуальной транспортной системы. Радиочастотные сигналы в системах VANET используются для связи и определения местоположения транспортных средств [16]. Из-за различных воздействий окружающей среды и многолучевости в сети в передаваемый сигнал включается негауссов шум, сила которого демонстрирует нелинейные характеристики на расстоянии.Стандарт WAVE использует безлицензионный радиочастотный диапазон (т.е. 2,4 ГГц) [17], который открыт для помех от других источников сигнала, что делает всю сеть уязвимой с точки зрения как связи, так и локализации. Другие существующие технологии для определения местоположения транспортных средств включают обнаружение света и дальность (LiDAR) [18–20] и метод камеры времени пролета (ToF) [21–24]. Светодиоды (светодиоды) и камеры или фотодиоды встраиваются в системные инфраструктуры LiDAR и ToF; однако они используются только для обнаружения и ранжирования.Это оборудование непригодно для связи между транспортными средствами или транспортными средствами с инфраструктурой [25–29], и их использование в транспортной среде является дорогостоящим.

Оптическая беспроводная связь (OWC) — это развивающаяся и многообещающая технология [30], которая пригодна для обработки сценариев, в которых RF сталкивается с проблемами. OWC не предназначен для замены RF; однако сосуществование обоих может обеспечить лучшее решение [31] для связи и локализации. Оптическая связь камеры (OCC) [32] — это часть OWC, которая использует камеру в качестве приемника для декодирования сигналов от модулированного источника света, например светодиодов, путем изменения состояния источника света для передачи двоичных данных по оптическим каналам. ,Это безопасный, безопасный, надежный и быстрый способ связи, а также локализации [33]. Уникальной особенностью OCC является то, что камера, используемая для определения местоположения транспортного средства, может одновременно использоваться для связи с другими транспортными средствами, которые передают сигналы с использованием модулированных огней. С небольшими изменениями светодиоды в существующей инфраструктуре, то есть транспортных средствах и уличных фонарях (SL), могут быть использованы для связи (например, двунаправленная связь между двумя транспортными средствами или между транспортными средствами и инфраструктурой) [34–40].

Чтобы лучше общаться на открытом воздухе, автомобили вокруг HV должны быть точно локализованы. Что еще более важно, функции OCC [41] с несколькими входами и несколькими выходами (MIMO) должны позволять HV одновременно связываться с более чем одним транспортным средством. В [42] автор представляет схему локализации связи в видимом свете на основе уровня принятого сигнала, но она не может улучшить производительность локализации, например, для локализации требуются более сложные модели окружающей среды или дополнительное оборудование.Локализация нескольких транспортных средств потребует использования технологий OCC и фотограмметрии [43]. Фотограмметрия [44, 45] имеет дело с ветвью геометрии, в которой датчик изображения (IS) используется для измерения объекта путем количественной оценки интенсивности фотонов света с разной длиной волны, падающего на область, то есть на единичный пиксель камеры. Фотограмметрия помогает накапливать информацию о семантических и геометрических свойствах и изменении относительных расстояний между объектами, что в данном контексте относится к транспортным средствам.Эта информация о местоположении транспортного средства может быть передана следующим транспортным средствам с помощью OCC и светодиодных фонарей, обращенных назад. На рисунке 1 показана схема локализации транспортного средства, сочетающая ОКК и фотограмметрию.


В данном документе предлагается метод определения местоположения транспортного средства, при котором каждый FV передает свой идентификатор (ID) HV как FV-ID. После извлечения уникального идентификатора из принятого сигнала HV может отличить FV от других FV. Поскольку HV и FV одновременно меняют свое положение с течением времени, местоположение HV должно быть нормализовано на основе местоположения фиксированного объекта, например SL.Сравнивая местоположения более чем одного SL относительно HV, можно временно сгенерировать виртуальное местоположение HV. Эта информация о местоположении HV действует как начало декартовой системы координат, которая позволяет определять местоположение FV относительно HV.

Для определения местоположения автономного транспортного средства, инфракрасная светодиодная матрица может быть прикреплена к SL и задней стороне FV, чтобы осветить область светодиодной матрицы. Хотя источник в ближнем инфракрасном диапазоне (NIR) виден камере, можно получать данные от FV и SL.Обнаружение интенсивности света для ближайших источников света намного выше на IS камеры HV, чем на дальнем источнике света. По сравнению с связью на основе видимого света, на связь на основе ближнего ИК-диапазона влияет оптический канал. При дневном свете сложно получить данные от передатчика, работающего в ближнем инфракрасном диапазоне. Важно отметить, что недавняя разработка техники визуализации с расширенным динамическим диапазоном снижает шум и улучшает качество изображения при дневном свете [46, 47]. Следовательно, ожидается, что окружающий свет больше не представляет проблемы для OCC, даже если передатчик имеет оптический диапазон NIR.Результаты моделирования показывают точность определения местоположения транспортного средства с учетом влияния нескольких параметров, включая отношение сигнал-помеха-плюс-шум (SINR), разрешение IS, время экспозиции камеры и расстояние между двумя SL.

Остальная часть этого документа организована следующим образом: Раздел 2 объясняет подробную теоретическую и математическую модель предлагаемой нами схемы. Экспериментальная установка для измерения расстояния показана в разделе 3. В разделе 4 представлены результаты моделирования, связанные с исследованиями локализации транспортных средств.Наконец, Раздел 5 представляет собой резюме извлеченных уроков и завершает данное исследование.

2. Разработка предлагаемой схемы

Практически каждый автомобиль, произведенный в последние годы, оснащен камерой (т.е. менее 30 кадров / сек), которая используется для наблюдения за сценариями на открытом воздухе и для помощи водителям, обеспечивая обзор их слепое пятно. Здесь HV связывается с FV и измеряет расстояние между транспортными средствами с помощью такой камеры, установленной перед транспортным средством. Используя OCC, эта камера одновременно определяет идентификаторы передаваемых сигналов, такие как FV-ID и SL-ID, от каждого FV и SL.Пара задних фонарей на FV передает ID в разных фазах для модуляции данных с использованием схемы модуляции, называемой пространственной двухфазной манипуляцией (S2-PSK) [48], на камеру HV. Эти светодиоды передают сигнал с постоянной тактовой частотой (например, 125 или 200 Гц), чтобы посылать сигнал без мерцания. SL используют ту же схему модуляции, что и FV, для передачи SL-ID. MIMO — это отличительная функция камеры, которая помогает отличить FV-ID от SL-ID. Эти идентификаторы необходимы для определения ROI для локализации автомобиля.ROI определяет область обзора камеры на изображении и помогает минимизировать количество ложных результатов смещения основного события. По дороге FV может двигаться из стороны в сторону или изменять свое прямое расстояние по отношению к HV, что мы обозначили как горизонтальный сдвиг и вертикальный сдвиг соответственно. Эти сдвиги положения приводят к изменению размера изображения, которое можно измерить по IS. И FV, и HV движутся одновременно; следовательно, не всегда возможно локализовать положение FV относительно HV.Однако, если положение HV известно, относительные положения FV и HV можно легко сравнить. Положение SL фиксировано относительно каждого транспортного средства на дороге; следовательно, необходимо получить SL-ID от SL, чтобы определить позицию HV. На фиг.2 показана блок-схема предложенной схемы локализации, в которой содержится информация о местоположении FV

.

Камеры захвата движения | Полный спектр от Vicon

0
  • В корзине нет товаров.
  • Приложения
    • Науки о жизни
      Анализ движения для спорта, биомеханики, исследований и др.
    • Развлечения
      Оживите реалистичных персонажей в фильмах и играх
    • Engineering
      Захват движения в самых точных и требовательных условиях
    • Виртуальная реальность
      Превратите контент в незабываемые впечатления от виртуальной реальности
  • Программное обеспечение
    • Shōgun
      Сократите время и затраты на производство с помощью нашей платформы VFX
    • Nexus
      Самая надежная экосистема захвата движения для наук о жизни
    • Захват.U
      Регистрация движения в поле и анализ данных в реальном времени
    • Tracker
      Точное, точное и строгое отслеживание людей и объектов
  • Оборудование
    • Камеры
      Набор оптических мокапов, видео и активных VR для удовлетворения ваших потребностей
    • Инерционные датчики
      Датчики IMU для сбора данных с максимальной точностью
    • Устройства
      Все аппаратные средства для завершения ваших систем mocap и VR
    • Принадлежности
      Все, что вам нужно; от маркеров до костюмов и др.
  • Поддержка
    • Планы поддержки
      Самый полный спектр доступных планов поддержки
    • Загрузки
      Доступ к программному обеспечению, моделям, скриптам, утилитам, SDK и многому другому здесь
    • Документация
      Здесь вы найдете техническую информацию и помощь по типовым работам
    • Часто задаваемые вопросы
      Найдите ответы на наиболее часто задаваемые вопросы
  • О нас
    • О нас
      Вы вдохновляете наше творчество.Как мы можем вдохновить вас?
    • Что такое Motion Capture
      Узнайте больше о том, что мы подразумеваем под mocap
    • Контакт
      Найдите наши офисы, дистрибьюторов, партнеров, контакты для прессы или новую работу здесь
  • Новости
    • Прес
.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *