| Apie | Žurnalas | Archyvas | Mokslo įdomybės | Paieška |

2004 m. Nr. 1 turinys

· Balsas per internetą
· Žinutės

Internetas
· Kovojant su nieklaiškiais
· Žinutės
· Nauji lustai išgelbės Microsoft nuo košmarų

Sauga
· Protingi gynėjai
· Visuotinis automatizavimas - radijo dažnio atpažinimo sistemos
· Žinutės
· Spąstai hakeriams

Mobilusis ryšys
· Mašina kalbėsis su mašina
· Žinutės
· Toliau tobulinami belaidžio vietinio ryšio standartai
· Savaiminiai belaidžio vietinio ryšio tinklai spartina duomenų perdavimą

Optinis ryšys
· Magiškos akys
· Žinutės

Nanotechnologija
· Nanoraštai
· Žinutės
· Į elektroniką ateina nanotechnologijos

Elektronika
· Pigūs kompiuteriai, gaminami milijardais vienetų
· Organiniai displėjai
· Žinutės
· Naujos kartos skaitmeninė fotografija
· Naujos senos silicio slėnio technologijos
· MiniDisc prisikėlė naujam gyvenimui
· PC procesorių šeimynėlė
· Puslaidininkių rinka grįžta
· Robote, susirink pats
· Intel atskleidė "įtemptojo silicio" paslaptį

Istorija
· Enigma - II pasaulinio karo legenda

Naujos kartos skaitmeninė fotografija

Naujausi optikos, elektronikos, nanotechnologijų bei programinės įrangos sričių laimėjimai skatina kurti patogius naudoti, pigius fotoaparatus bei kameras, kurie daug kuo bus pranašesni; iki šiol neregėta vaizdo kokybe - taip pat. Netrukus ateis jaudinanti skaitmeninės fotografijos valanda; verslo galimybės gniaužia kvapą, o inžinierių ir konstruktorių dar laukia rimti gebėjimų išbandymai. Šis straipsnis - apie netolimos ateities skaitmeninės fotografijos technologijas ir jų taikymo būdus

   Kasmet visame pasaulyje padaroma apie 100 mlrd. nuotraukų ir tik nedaug jų - skaitmeniniais fotoaparatais. Būsima skaitmeninės fotografijos rinka milžiniška, bet, kad skaitmeniniai fotoaparatai ir kameros būtų graibstyte graibstomi, dar reikia nemažai padirbėti.

   Pirmiausia - apie kliūtis, kurias būtina įveikti, kad rinkoje skaitmeniniai fotoaparatai galėtų tikėtis sėkmės.

   Kainos ir kokybės santykis. Dabartiniai 100 JAV dol. vertės juostiniai fotoaparatai yra didesnės skyros ir perteikia tikroviškesnes spalvas nei tiek pat kainuojantys skaitmeniniai. Pastariesiems šią kokybės ir kainos kartelę dar teks įveikti.

   Patogumas naudotis. Patirtis rodo, kad skaitmeninė fotografija, palyginti su įprastine, vartotojui kelia daugiau sąlygų: jis privalo turėti daugiau techninio išmanymo ir fotografuojant, ir formuojant elektroninius failus ar spausdinant nuotraukas. Tam reikia gero kompiuterinio raštingumo. Be to, reikia gerokai dėmesingiau fotografuoti, nes elektroniniams jutikliams keliami griežtesni eksponavimo reikalavimai nei fotojuostoms.

   Painiava. Skaitmeninė fotografija - nesena technikos naujovė, todėl daugelis vartotojų stengiasi perprasti (kiek leidžia jų išsilavinimas ir nuovoka) jos ypatybes. Deja, papildoma techninė informacija, atsirandanti kartu su naujais aparatų tipais bei klaidinantis žargonas, kurį kartais vartoja skaitmeninių fotoaparatų gamintojai, nepadeda potencialiam pirkėjui apsispręsti.

   Greitas skaitmeninių technologijų senėjimas. Dėl įvairių priežasčių elektronikos pramonė vystosi gerokai spartesniais tempais nei fotografija. Todėl fotografai mėgėjai, kurie nusiteikę fotoaparatais naudotis daug metų ir net dešimtmečių, neskubės pirkti įrangos, kuri jau po kelių mėnesių gali pasenti ir jai, galbūt, net nebus teikiamos garantijos.

1 pav. (a) Vertikaliojo spalvų filtro spektrinis detektorius kiekviename vaizdo elemento taške detektuoja visas tris pagrindines spalvas. (b) Horizontaliojo spalvų filtro detektorius.

   Šiame straipsnyje, be to, bus apžvelgtos ir skaitmeninių fotoaparatų raidos tendencijos. Kad ir kaip būtų šiuo metu, fotografijos horizonte jau šmėsčioja susižavėjimo vertų savybių skaitmeniniai fotoaparatai bei kameros, kurie, be kita ko, bus ir pigesni, o jais naudotis bus patogiau.

Spektrinis detektorius

   Pasakojimą pradėsime nuo svarbiausios fotoaparato dalies - vaizdo jutiklio. Jo savybės lemia ir kitos aparato dalies konstrukciją. Idealios konstrukcijos vaizdo jutiklis kiekvieno vaizdo elemento plokštumoje detektuoja visas tris pagrindines spalvas. Toks yra vertikaliojo spalvų filtro detektorius (1pav. a). Palyginti su horizontaliojo (lateral) spalvų filtro detektoriumi (1 pav. b), jis išsiskiria keliais esminiais privalumais:

   · jo kvantinis našumas (vidutinis vieno fotono generuojamas elektronų skaičius) yra tris kartus didesnis, nes šio filtro fotonai nepatiria sugerties nuostolių. Jei horizontalusis spalvos filtras praleidžia, tarkim, tik raudoną šviesą, jis sugeria žalios ir mėlynos spalvų šviesos kvantus, ir šie detektoriaus taip ir nepasiekia. O vertikalusis spalvų filtras beveik visų fotonų energiją verčia naudingu elektriniu signalu;

   · visos trys šio jutiklio spalvos generuojamos visame vaizdo elemento plote, todėl spalvų artefaktai yra minimalūs, dėl to išvengiama "vaivorykštinės" spalvų sanklotos ir nenatūralių spalvų, atsirandančių labai kontrastingose vaizdo vietose. Taigi, vertikaliojo spalvų filtro vaizdams, kitaip nei horizontaliojo, nereikia sudėtingo signalo apdorojimo artefaktams slopinti;

   · kai nereikia slopinti spalvų artefaktų, tuomet optiniame kelyje tarp jutiklio bei lęšio nereikia dėti ir filtro, dėl kurio vaizdas tampa blankesnis. Vien dėl to gaunamas ryškesnis vaizdas; aparato kokybė gerėja, o kaina - mažėja. 2 pav. (a) ir (b) parodyta, kokių reikia papildomų priemonių, kad būtų gautas ir kontrastingas vaizdas, ir maži spalvų artefaktai, kai naudojamas horizontalusis spalvų filtras;

2 pav. (a) Horizontaliojo spalvų filtro spektrinis detektorius neapsaugotas nuo spalvų perteikomo klaidų, nes kartu su chromatine informacija į detektorių patenka ir šviesos skaisčio informacija. (b) Horizontaliojo spalvų filtro detektoriai, naudojami kartu su mažo optinio skaidrumo filtru, gali šias klaidas nuslopinti, bet išplaukusio vaizdo sąskaita.

   · vertikaliojo spalvų filtro spektrinio detektoriaus charakteristikos yra labai atsikartojančios, nes detektoriaus savybes lemia ne cheminių junginių ar polimerų, naudojamų horizontaliojo filtro matricoms, o fundamentinės puslaidininkinių medžiagų savybės. Ši savybė dar sumažina gamybos savikainą, nes paprastėja spalvų filtro kalibravimas ir mažėja jo trukmė;

   · dėl visų trijų kanalų plačių spektrinio jautrio charakteristikų tiksliau galima nustatyti filtro spalvas. 3 pav. parodyta, kaip dėl plačios spektrinės charakteristikos mažėja spalvų neapibrėžtumas;

3 pav. (a) Siaurų spektrinių charakteristikų spalvų filtrais sunku nustatyti spalvas.

   · puslaidininkiniai spalvų filtrai yra gerokai patvaresni už polimerinius; laikui bėgant jų charakteristikos nesikeičia, jie mažai jautrūs temperatūros ar ultravioletinės šviesos poveikiui;

   · vertikaliojo spalvų filtro gamybos procesas yra pigesnis nei horizontaliojo;

· vertikaliojo spalvų filtro gamybai nereikia kurti naujos įrangos, visos filtrui naudojamos medžiagos yra suderinamos su CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) technologijomis.

Jutiklių signalo išvesties architektūra

   Vaizdo jutikliai klasifikuojami ir pagal fotodetektorių signalų skaitymą, ir jų išvesties architektūrą. Nuo seno vaizdo jutikliams naudojami CCD (Charge Coupled Device - surištojo krūvio prietaisai), tačiau pastaruoju metu jų netobulai skaitymo technologijai meta iššūkį CMOS dariniai. CCD vaizdo jutikliai nuskaitomi tokiu principu: šviesos srautas sukelia kiekvieno vaizdo elemento fotosrovę, kuri įkrauna savąjį kondensatorių. Vėliau jo krūvis perkeliamas į jutiklių matricos "pakraštį", kur keičiamas įtampos rodmeniu. Kita vertus, kiekvieno CMOS vaizdo elemento išvesties grandinė yra jame pačiame, iš kur ir išvedamas įtampos signalas. Šis esminis išvesties architektūrų skirtumas lemia kelis CMOS jutiklių privalumus.

   Pirmiausia, skaitant visą matricą, į CMOS matricos eilutės kreipties liniją kreipiamasi tik vieną kartą. Kai naudojami CCD jutikliai, į kiekvieną eilutės kreipties liniją kreipiamasi tiek kartų, kiek yra eilučių, todėl CCD jutiklių matricoje išsklaidoma gerokai daugiau galios nei CMOS.

   Be to, kai naudojami CMOS jutikliai, galima lengvai kreiptis į kiekvieną vaizdo elementą ar jų grupę, o norint gauti informacijos iš konkrečios CCD vaizdo elementų grupės, reikia skaityti visą matricą. Kai kuriais atvejais vien dėl to CMOS jutikliams teikiama pirmenybė.

   Kitaip nei CCD matricos, į daugelio tipų CMOS vaizdo elementus galima kreiptis, netrikdant paties fotoelektrinio signalo. Sprendžiant kai kurias užduotis, ši savybė tampa esmine.

   CMOS darinių formavimo procesai yra gerai ištirti, todėl tą pačią matricos silicio plokštelę galima papildyti kitoms funkcijoms skirtais dariniais, pvz., analoginiu skaitmeniniu keitikliu ar skaitmeninių signalų procesoriumi. Ši galimybė itin svarbi, pvz., į mobiliuosius telefonus integruotiems skaitmeniniams fotoaparatams, kurių svoris, dydis ir naudojamoji galia turėtų būti kuo mažesnė.

   Yra dar vienas esminis CMOS ir CCD technologijų skirtumas: jų tobulėjimo tempai. Kasmet pasaulyje CMOS procesų technologijoms tobulinti išleidžiama 50 mlrd. dol. Didelė šių investicijų dalis skiriama tiriamiesiems darbams, kurių tikslas - gerinti CMOS darinių kokybę ir mažinti savikainą. Tuo tarpu CCD gaminius gamina gerokai mažiau gamyklų, jų vartotojų būrys ne toks gausus, todėl ir CCD dariniai tobulėja ne taip sparčiai.

   Nemažai CMOS technologijų taikomos optoelektronikos srityje. Iš jų galima paminėti silicio sluoksnius, auginamus ant izoliatorių, mikroelektromechanines sistemas, kitų nei Si (pvz., A3B5) puslaidininkių integravimas.

Vaizdo jutiklių trukdžiai ir netobulumai

   Skaitmeninių fotoaparatų nuotraukos silpniau veikiamos trukdžių; jos neturi tradicinėms fotojuostoms būdingų dėmių. Tačiau ir skaitmeninė fotografija neišvengia trukdžių šaltinių, kuriuos fotoaparatų vartotojams derėtų žinoti. Vaizdo jutiklių trukdžių tyrimas sudaro prielaidas toliau gerinti jų savybes.

   Yra keli vaizdo jutiklių triukšmo - fizikinių dydžių fluktuacijų - šaltiniai. Pirmiausia išskirtinas fundamentinio pobūdžio šratinis fotonų triukšmas, kurį galima mažinti tik didinant vaizdo skaistį (didinamas į jutiklius patenkančių fotonų srautas). Pastebimas ir elektrinis triukšmas, kurį sukelia puslaidininkinių darinių nuotėkio bei tranzistorių perjungimo srovės ir kuris kyla, kai iš jutiklių matricos perduodamas vaizdo signalas. Šiuo požiūriu CCD jutiklių kokybė yra geresnė už CMOS. Taigi, kol kas CCD jutikliai gali "didžiuotis" tuo, kad jų konkurentai bent jau šioje srityje nėra pranašesni. Dėl išvardytų triukšmų vaizdo kokybė kinta pakadriui.

   Kitaip nei atsitiktiniai triukšmai, fiksuoti jutiklių netobulumai kiekvieną nuotrauką veikia vienodai. Pavyzdžiui, nuotraukos kokybei gali turėti įtakos skirtingas vaizdo elementų fotojautris. Šią vaizdo elementų parametrų sklaidą gali sumažinti tobulesnė CMOS jutiklių gamybos įranga bei technologija. Kitas netobulumas būdingas didelio regos lauko vaizdo jutikliams. Jų laukas formuojamas keliais litografijos šablonais, todėl fotografuojamą vaizdą užkloja fiksuoto paveikslo linijos, skiriančios jutiklių dalis. Naujausios kartos skenuojamosios litografijos įranga šio netobulumo padės išvengti.

   Triukšmas nustato apatinę vaizdo jutiklio dinaminio diapazono ribą. Viršutinė riba priklauso nuo didžiausio fotonų srauto, kurį jutiklis dar gali detektuoti. Yra daugybė būdų viršutinei dinaminio diapazono ribai išplėsti, tačiau skaitmeniniuose fotoaparatuose panaudoti vos keli, nes juos taikyti kartu su CCD technologija yra nepraktiška. Paprasčiausia išeitis, kurią atveria CMOS jutiklių galimybės - apdoroti analoginį vaizdo plokštumos signalą ir taip keisti CMOS jutiklio jautrį ar vaizdo elemento eksponavimą, kad jutiklio atsakas būtų netiesinis. Tokiomis priemonėmis galima sušvelninti vieną labiausiai nepageidautinų fotografijos efektų, kai filmuojamas didesnio dinaminio diapazono vaizdas nei leidžia fotoaparatas. Žemesnė dinaminio diapazono viršutinė riba sudaro galimybę eksponuoti didelio skaisčio šviesoje, nuo kurios nuotraukose gali atsirasti šviesios dėmės - trūkumas, būdingas šiuolaikiniams skaitmeniniams fotoaparatams.

Fotoaparatų konstrukcijos ypatybės

   Dauguma dabartinių skaitmeninių fotoaparatų iš esmės yra juostiniai, kurių juosta ir jos manipuliavimo mechanizmas pakeistas elektroniniais jutikliais. Ateities fotoaparatai nuo tradicinių skirsis dar labiau - jie bus be brangių optikos ir mechanikos komponentų: juos pakeis elektronikos mazgai ir programinė įranga (žr. 4 pav.).

4 pav. Optomechaniniai komponentai bus keičiami elektroniniais, veikinačiais kartu su programine įranga.

   Pavyzdžiui, penkiabriaunės prizmės ir veidrodžio vaizdo ieškiklio mazgas gali būti pakeistas elektroniniu displėjumi, o skystųjų kristalų displėjus, kurio skyra yra 100 tūkst. vaizdo elementų (jie dabar naudojami vaizdo kamerose ir studijiniuose fotoaparatuose) - 1 mln. vaizdo elementų mikrodisplėjais, kurie, derinami su tinkamais optikos komponentais, garantuos gerokai didesnę skyrą ir mažesnę naudojamąją galią.

   Šiuolaikinių fotoaparatų vaizdo fokusavimo, eksponavimo ir vaizdo ieškiklių optiniai keliai dažnai yra skirtingi. Papildomų optinių ir mechaninių įtaisų būtų galima atsisakyti, jei pats vaizdo jutiklis būtų naudojamas židinio plokštumai bei eksponavimo režimui nustatyti. Įdiegus šią naujovę, ne tik atpigtų gaminys, bet ir padidėtų židinio plokštumos bei eksponavimo režimo nustatymo tikslumas, nes tas pats komponentas formuotų ir galutinį vaizdą. Šioms užduotims įgyvendinti CMOS jutikliai yra tinkamesni už CCD, nes pirmiesiems matricos elementus skaityti yra paprasčiau, o energijos sąnaudos yra mažesnės.

   Pastarąsias dvi fotoaparato funkcijas galima sujungti su vaizdo ieškiklio funkcija (žr. 5 pav.). Tuo tikslu židinio ir eksponavimo taikiklis nukreipiamas į norimą (ieškiklyje matomo vaizdo) vietą. Ji vaizdo plokštumoje gali būti keičiama rankiniu valdymu, tad reikiamas ryškumas bei eksponavimas nustatomas toje vaizdo vietoje, kurią fotografas pasirenka (šioje nuotraukoje - žmogaus veidą).

5 pav. Vaizdo ieškiklis kartu su elektroninio fokusavimo/eksponavimo taikikliu išskiria žmogaus veidą.

   Būtų įmanoma atsisakyti ir kito sudėtingo optomechaninio komponento - fotoaparato sklendės (4 pav.). Šiuolaikinių skaitmeninių fotoaparatų sklendė - sudėtingas judančių detalių mechaninis mazgas - užsisklendžia maždaug per 1/8000-ąją sek. Eksponavimo metu ši mechaninė sklendė kelia vibracijas, nuo kurių "išplaukia" vaizdas, o jos judėjimas - vaizdo artefaktus. Elektroninė sklendė su CMOS vaizdo jutikliais būtų integruota į matricos vaizdo elementus. Ji nekeltų jokių vibracijų ir būtų patikimesnė už mechaninę. 6 pav. pavaizduota nuotrauka, kuri fotografuota židinio plokštumos elektronine sklende, suveikiančia per 1/4000-ąją sek.

6 pav. Elektroninės sklendės, suveikiančios per 1/4000-ąją sek., suformuotas vaizdas.

   Visgi mechaninė sklendė, palyginti su elektronine, turi kai kurių privalumų, pvz., kai fotoaparatas nenaudojamas, ji aklinai užtveria fotonams kelią į vaizdo jutiklius. Pastarojo meto MEMS - mikroelektromechaninių sistemų technologijos laimėjimai perša mintį, kad kada nors nebrangią mechaninę sklendę pavyks integruoti į vaizdo jutiklio lustą. Tuomet būtų galima naudotis ir puslaidininkinių darinių masinės gamybos privalumais, ir mikromechaninių sklendžių galimybėmis.

Lęšis

   Naujos technologijos suteiks galimybę tobulinti ir optinius komponentus, dėl to dar labiau atpigs skaitmeniniai fotoaparatai ir ženkliai pagerės vaizdo kokybė.

   Vaizdo elemento didumas. Fotoaparato lęšio fokusuojamos šviesos dėmės didumą, kuris paprastai neviršija 4-5 µm, riboja šviesos difrakcija bei lęšio aberacijos. Kai lęšio vadinamieji f skaičiai yra labai maži arba labai dideli, dėmės matmuo yra didesnis, tačiau minimalus naudingas vaizdo elementas vis vien išlieka tokio paties didumo - 4-5 µm. Smulkindami vaizdo elementus iki matmenų, mažesnių už dėmės matmenį, vaizdo skyros nepadidinsime, nors didesnis vaizdo elementų skaičius galėtų sugundyti techniškai nelabai išprususį vartotoją. Apskritai, kuo daugiau vaizdo detalių fokusuojama į esamo didumo dėmę, tuo geriau ir tai yra vienas iš daugelio vertikaliojo spalvų filtro vaizdo elemento privalumų.

   Regos lauko didumas. Fotoaparato langelio 24x36 mm formatui, vėliau tapusiam standartu de facto, pradžią davė 1924 m. pasirodę fotoaparatai Leica. Deja, reikiamam didelio regos lauko ryškumui išlaikyti reikia masyvių ir brangių lęšių. Tokių matmenų silicio vaizdo jutiklis irgi būtų brangus, todėl logiškiausia laukti pasirodysiančių mažesnio formato skaitmeninės fotografijos standartų.

   Šoninis spalvinis poslinkis. Vienas didžiausių spalvotosios fotografijos trūkumų, atsirandančių dėl lęšių, yra šoninė spalvinė aberacija. Jos "vaivorykštinė" spalvų sanklota dažniausiai matoma regos lauko kraštuose ir tose vaizdo vietose, kur yra didelis kontrastingumas. Optinėmis priemonėmis spalvinę aberaciją, o ypač sukeliamą sudėtingos formos lęšių (pvz., keičiančių vaizdo mastelį) kompensuoti sunku ir brangu. Laimė, daugeliu atvejų šoninis spalvinis poslinkis gali būti kompensuotas programinėmis priemonėmis, ypač jei naudojami vertikalaus spalvų filtro jutikliai, kiekvienoje vaizdo elemento vietoje tiksliai detektuojantys visas tris spalvas.

   Vaizdo mastelio keitimas. Elektroninis mastelio keitimas yra gerokai pigesnis ir konstrukciniu požiūriu parankesnis nei optinis. Tačiau šiuo atveju nukenčia vaizdo kokybė, nes ekvivalentišką ilgesnio židinio nuotolio vaizdą atitinka mažiau vaizdo elementų. Kita vertus, CMOS vaizdo elementai yra pigūs, tad vienintelis būdas išlaikyti reikiamą vaizdo kokybę - didinti matricos elementų skaičių. Vaizdo elementų matrica, suformuota iš CMOS darinių, mastelį keisti patogiau dar ir todėl, kad jų išvesties informacija lengvai skaitoma.

   Lauko gylis. Regos lauko gylį galima didinti tradiciniu optiniu būdu - mažinti lęšio apertūrą. Tačiau dėl to nukenčia vaizdo kokybė: dėl difrakcijos labiau "išplaunamas" vaizdas, mažėja šviesos srautas ir optinis triukšmas tampa pastebimesnis. Siūlomos technologijos šį klausimą sprendžia netradiciniu būdu. Viena iš galimybių - sukurti specialius optinius filtrus, kurie, veikdami kartu su skaitmeniniais, sukurtų aukštos kokybės ir labai didelio regos lauko gylio vaizdus. Šiuo elektroniniu metodu galima gauti ryškesnius vaizdus ir esant mažesniems šviesos skaisčiams.

   Dauguma nuotraukų, tarkim, žmogaus, pozuojančio peizažo fone, turi įvairų židinio plokštumų skaičių. Tokio tipo nuotraukas galima formuoti iš kelių eksponavimų su skirtingomis židinio plokštumomis, tad pastarosios nuotraukos ir žmogus, ir peizažas gali būti pakankamai ryškūs. Dabartinėse lęšių sistemose židinio nuotolis mikrovarikliais nustatomas per milisekundes, todėl tokio tipo vaizdus būtų patogu fotografuoti rankinio valdymo būdu. Programinė įranga šiuos kelis vaizdus "suklijuotų" į vieną, reikiamus skaitmeninius duomenis atsirinkdama pagal ryškumo kriterijų.

Filtrai

   Ateityje optiniai filtrai liks svarbus fotoaparatų komponentas. Pažiūrėkime, kaip technologijos pažanga turėtų pagerinti optinių filtrų savybes.

   Kad skaitmeniniai fotoaparatai su elektroniniais vaizdo jutikliais perteiktų natūralias spalvas, paprastai reikia spektrinio filtro. Šio tipo filtrai dažnai būna brangūs, nes turi dideliu tikslumu atskirti matomąją spektro dalį nuo IR ir UV sričių. Be to, jiems keliami aukšti optinių defektų reikalavimai. Naujos, CMOS procedūras atitinkančios technologijos - mechaninis Si plokštelių optinio paviršiaus paruošimas bei precizinis jų metalizavimas - suteikia galimybę šiuos filtrus tiesiogiai integruoti jutiklio paviršiuje. Ir vėl ši eilinė techninė naujovė mažina gaminio savikainą, bet gerina kokybę, nes iš šviesos pluošto optinio kelio eliminuojamos dvi plokštumos (kaip yra tradicinės optikos atveju), kurios dėl paviršinių defektų atspindi ir sklaido šviesą.

   Kitas su filtrais susijęs rūpestis yra dulkės, kurios patenka ant jutiklio ar apsauginio stiklo paviršiaus. Priklausomai nuo dydžio, atstumo nuo vaizdo plokštumos bei f skaičiaus, šios dulkių dalelės gali būti matomos nuotraukoje. Dulkės skaitmeninių fotoaparatų vartotojams kelia papildomų ir varginančių rūpesčių, ypač tiems, kurie naudojasi fotoaparatais su keičiamomis lęšių sistemomis (kai lęšis keičiamas, vaizdo jutiklis kontaktuoja su aplinkos oru). Manoma, kad nebetoli ta diena, kai skaitmeninių fotoaparatų gamintojai sukurs sistemą, kuri prieš kiekvieną kadrą valys jutiklių paviršių, galbūt panašiai, kaip šepetėliais valoma iš kapsulės traukiama 35 mm juosta.

   Nuotraukos kokybę fotografai dažnai gerina specialiais filtrais. Dažniausiai naudojami vadinamieji gradientiniai filtrai, kurie skaisčiausioje vaizdo vietoje silpnina optinį signalą ir sykiu didina aparato dinaminį diapazoną. Tą pačią užduotį žymiai patogiau ir ekonomiškiau įgyvendinti analoginėmis vaizdo elemento CMOS grandinėmis, t.y., optinį signalą silpninti elektroninėmis priemonėmis.

   Netrukus turėtų atsirasti tobulesnės filtrų gamybos technologijos, nes sparčiai vystosi nanotechnologijos. Labai svarbu, kad CMOS procesais galima dideliu tikslumu reguliuoti darinių ir sluoksnių matmenis, mažesnius už optinio diapazono bangos ilgius; atsiranda neregėtos galimybės manipuliuoti šviesos savybėmis, taikant interferencijos bei difrakcijos efektus. Neabejojama, kad šios minėtos naujos galimybės ateityje bus realizuotos; filtrų ir viso gaminio kaina mažės, o jo galimybės - didės.

Elektros energijos suvartojimas

   Kiekvienas, naudojęsis skaitmeniniu fotoaparatu ar kamera, žino, kaip svarbu turėti talpų elektros energijos šaltinį. Fotografas, kuris, tarkim, visai dienai išsiruošė į gamtą, turėtų su savim pasiimti atsarginių akumuliatorių. Dienos pabaigoje juos teks keisti. Šie nepatogumai, kuriuos vartotojams kelia skaitmeniniai fotoaparatai, yra papildomas barjeras jų kelyje į plačiąją vartojimo rinką. Rezervų elektros energijos suvartojimui mažinti yra nemažai:

   · toliau didėjant lustų elementų paviršiniam tankiui, didės ir aparato atminties talpa, todėl nereikės eikvoti energijos vaizdo duomenims glaudinti;

   · didelis vaizdo ieškiklio LCD displėjus - pagrindinis energijos vartotojas - bus keičiamas mikrodisplėjumi;

   · CCD vaizdo jutiklius apsimoka keisti CMOS, nes pastarieji naudoja mažiau galios matricos vaizdo duomenims skaityti;

   · jei vaizdo duomenys apdorojami fotoaparato įranga, vertikalieji vaizdo jutikliai, kurie perteikia reikiamas spalvas bet kurioje vaizdo elemento vietoje, naudos mažiau galios už horizontaliuosius, nes jiems nereikia atlikti sudėtingų spalvų interpoliavimo skaičiavimų;

   · mechaniniai vykdomieji įtaisai (pvz., sklendė) bus keičiami elektroniniais.

   Per pastaruosius kelis dešimtmečius akumuliatoriai tobulėjo lėčiau, palyginti su naujais elektros energijos taupymo būdais ir priemonėmis. Verta dėmesio idėja naudoti kuro (angliavandenilių) elementus, kurie cheminę energiją verčia elektrine. Jų tiekiamos energijos tankis (vienam masės vienetui) yra daug didesnis už akumuliatorių baterijos. Šlakelis suskystintų angliavandenilių skaitmeniniam fotoaparatui (ir nešiojamajam kompiuteriui) galėtų tiekti elektros energiją dvi savaites, kol jo savininkas klaidžios dykvietėse toli nuo civilizacijos patogumų. Deja, nors kuro elementai ir nuolat reklamuojami, vargu ar jie kada nors atpigs. Kita galimybė - naudoti mikrogeneratorius, kurių veikiantys modeliai neseniai buvo demonstruojami. Neatsilikdami nuo sparčiai tobulėjančių MEMS gamybos technologijų, smulkios monetos dydžio mikrogeneratoriai gali generuoti 10 W galios išėjimo signalą, kurio užtektų skaitmeniniam fotoaparatui bei nešiojamajam kompiuteriui maitinti ar akumuliatorių baterijai įkrauti.

Skaitmeninių fotoaparatų ir kamerų tobulinimo perspektyvos

   Ne viena nūdienos elektronikos vystymosi krypčių ateityje bus panaudota skaitmeninei fotografijai tobulinti. Nuolat pinga atminties lustai, o jų talpa - didėja. Atitinkamai mažės fotoaparatų kaina ir matmenys. Be to, kai lustų talpa bus pakankamai didelė, vaizdo duomenų nebereikės glaudinti. Vadinasi, vien dėl to sumažės energijos sąnaudos, o vaizdo kokybė gerės.

   Dabartinių skaitmeninių fotoaparatų vartotojai vaizdo duomenis į kompiuterį įkelia elektros laidais. Tai nėra patogu, nes vien šiai procedūrai reikia papildomų priemonių, laiko, kyla jungčių patikimumo klausimai; technikos požiūriu nepatyrę vartotojai susiduria su netikėtomis kliūtimis. Ateities aparatai greičiausiai turės belaides sąsajas. Vartotojui fotoaparatą tereikės pastatyti prie kompiuterio ir programinė įranga automatiškai iškels visus skaitmeninius vaizdo duomenis į kompiuterio atmintinę.

   Šiandien nieko nenustebinsi skaitmeniniu fotoaparatu, turinčiu 20 ar daugiau valdymo mygtukų. Akivaizdu, kad tokio aparato konstrukciją derėtų paprastinti. Vartotojui labai svarbu, kad prietaiso valdymas būtų paprastas, lengvai įsimenamas ir neprieštaraujantis jo funkcionalumui. Viena iš galimybių prietaisui valdyti - naudoti balso atpažinimo sistemas. Jei fotoaparato "šeimininkų" nedaug, o komandų skaičius ribotas, tokios sistemos turėtų patikimai veikti.

   Šiandien nemažai fotomėgėjų naudojasi ir vaizdo kamera, ir skaitmeniniu fotoaparatu. Ateities fotoaparatas bus pakankamai talpus, kad savo atmintinėje išlaikytų tiek duomenų, kiek ir naujausios vaizdo kameros. Taigi CMOS technologijų dėka dėl paprasto ir lankstaus vaizdo jutiklių duomenų skaitymo atsiras galimybė pavienes nuotraukas įterpti į vaizdo įrašus (žr. 7 pav.).

7 pav. Vertikalaus spalvų filtro detektoriai skaitmenio fotoaparato konstrukciją daro paprastesnę, nes lengviau manipuliuoti duomenimis vaizdo elemento lygyje.

   Vargu ar įmanoma sukurti tokį vaizdo jutiklį, kuris tiktų visoms fotografijos reikmėms. Naudojantis tradiciniu fotoaparatu, nesunku nusipirkti reikiamą juostą: spalvotą ar nespalvotą, smulkiagrūdę ar didelio jautrumo. Deja, skaitmeninės fotografijos mėgėjas, norėdamas įsigyti specifinėms reikmėms tinkamą vaizdo jutiklį, turi pirkti visą fotoaparatą. 8 pav. parodytas jutiklis, kurį būtų galima įstatyti į aparatą ir vėl išimti. Be abejo, tokie jutikliai kainuotų gerokai mažiau už visą fotoaparatą.

   Ateityje didelė pažanga bus padaryta skaitmeninio signalo apdorojimo srityje; dėl to irgi gerės vaizdo kokybė ir mažės vaizdo duomenų failo apimtis. Pamokantis pavyzdys yra astronominio tyrimo vaizdo duomenų apdorojimas. Astronominiai vaizdai, dangaus skliauto nuotraukos kainuoja brangiai. Vaizdo kokybę dažnai riboja optikos komponentų galimybės ir silpni optiniai signalai. Todėl, norint didinti informacijos patikimumą ir didinti jos apimtį, reikia tobulinti eksperimentinių duomenų apdorojimo techniką. Šioje srityje pateisinamos ir nemenkos investicijos. Nesunku numatyti, kad duomenų apdorojimas pigs, sutinkamai su gerai žinomu Moore`o dėsniu, pagal kurį lustų elementų tankis padvigubėja kas 1,5 m. Galbūt, kada nors šie sumanūs duomenų apdorojimo algoritmai bus naudojami ir plataus vartojimo skaitmeniniuose fotoaparatuose.

   Dvidešimtojo amžiaus pradžioje dar nebuvo fotojuostos formato standarto. Kai 35 mm juostos plotis pagaliau buvo patvirtintas fotografijos standartu, palengvėjo ir vartotojų, ir gamintojų gyvenimas. Manoma, kad vieną dieną panašių standartų susilauks ir skaitmeninė fotografija. Standartizuoti derėtų ir programinės įrangos komponentus, nes dėl didelės jų gausos - įvairių pagalbinių priemonių, spalvų valdymo sistemų, glaudinimo algoritmų - kiltų painiava ir vartotojai patirtų nepatogumų.

Vaizdo duomenų išvestis bei vaizdų atkūrimas

   Tradicinės fotografijos juostas ryškina ir nuotraukas spausdina paslaugų firmos (jei taupydami laiką, į jas kreipiatės). Negatyvus ir nuotraukas nešatės namo ir ten rūšiuojate, dedate į fotoalbumą. Kai kurias paštu siunčiate draugams. Fotomėgėjas, norintis gauti geros kokybės nuotraukas skaitmeninės fotografijos būdu, turi pasistengti. Toliau išvardysime sritis, kurių pažanga kada nors turėtų supaprastinti naudojimąsi skaitmenine fotografija.

   Spalvų perteikimas. Šiuo metu dar nėra standarto, kuris garantuotų, kad pirminio vaizdo spalvos būtų korektiškai perduotos visomis sistemos sąsajomis ir galutinis paveikslas būtų geriausios kokybės. Manoma, kad ateityje didelę svarbą įgaus spalvų koregavimo sistema. Dauguma fotoaparatų vartotojų teisingam spalvų perteikimui teikia prioritetą.

   Archyvavimas. Skaitmeniniai vaizdo duomenys nesensta, kaip kad įprastos fotojuostos. Tačiau praktiniu požiūriu, skaitmeninių duomenų ilgaamžiškumas lygus duomenų formato ilgaamžiškumui, kuris šiuo metu yra vos keleri metai. Kompaktiniai diskai (600 Mbaitų) jau keičiami DVD (6 Gbaitų). Ko gero, ir DVD bus keičiamas tinkamesniu duomenų formatu. Jei fotografas savo paveikslus norės archyvuoti, tai jam kels nepatogumų. Kai senos laikmenos bus nebetinkamos duomenims saugoti, fotografas seno formato duomenis turės nukopijuoti į naujo formato laikmeną. Tačiau, kai duomenų daug, toks darbas atima daug laiko. Kai kas mano, kad vienintelis šios dilemos sprendimas būtų centralizuotos duomenų bazės, kurias, galbūt, tvarkytų kompanijos - interneto paslaugų teikėjos. Vaizdai paketiniu režimu būtų įkeliami į duomenų bazę ir saugomi taip, kad juos būtų nesunku gauti. Dabar diskų talpa vertinama 1 dol. už vieną Gbaitą, tad saugojimo mokestis sudarytų tik nedidelę mėnesinio jungimo mokesčio dalį.

8 pav. Keičiamas skaitmeninio fotoaparato jutiklio modulis.

   Displėjus.Šviečiančių displėjų dinaminis diapazonas yra didesnis nei spausdintų paveikslų, todėl taip atkuriami vaizdai atrodo sodresni ir įspūdingesni. Didelės ant sienų montuojamos displėjų sistemos po truputį pinga. Netrukus jos taps įprasta mūsų namų ūkio dalimi - pakeis televizoriaus ekraną, kompiuterio monitorių ir galės būti skaitmeninių nuotraukų displėjumi. Kai per televiziją nerodys nieko įdomaus, galėsite pasižiūrėti savo paskutiniųjų atostogų nuotraukų, nejungdami projektoriaus ir tvarkingai nedėliodami skaidrių.

   Ryšio dažnių juostos plotis. Kai dažnas vartotojas savo namuose galės naudotis sparčiuoju interneto ryšiu, elektroniniai vaizdo duomenų srautai užtvindys internetą. Tačiau turės tobulėti ir kompiuteriniai tinklai - turės didėti praleidžiamosios dažnių juostos plotis bei kompiuterinio tinklo ištekliai.

Išvados

   Nūdienos fotografija yra pusiaukelėje tarp fotojuostų ir elektroninių duomenų. Neįkainojami naujų technologijų privalumai, skirti didžiulei nekantraujančių vartotojų rinkai, garantuoja sparčią šios technikos srities pažangą.

   Šiame straipsnyje buvo akcentuojamas techninis aspektas - apžvelgta galimybė tobulinti skaitmeninės fotografijos technologijas, kurios turėtų padėti pagrindą ateities fotografijai.


El. p.: info@elektronika.lt