В последно време, точно както и в другите области на компютърния бранш, и цифровата фотография се развива с бързи темпове, все повече и повече измествайки традиционната фотография, основана на получаване на изображение върху емулсионен слой на лента. Все още има показатели, по които и единият, и другият способ на получаване на изображение не могат да се сравняват, но, с течение на времето, тези различия най-вероятно ще изчезнат, и, както твърдят аналитиците, цифровите апарати в повечето приложения ще заместят обикновените.

Ще обърна поглед към историята: обикновените апарати имат над век и половина история на развитие и усъвършенстване, докато цифровите - около 20 години, като от тях над половината години те са съществували само в лабораторни условия и едва в началото на 90-те години от изминалото столетие започват да се предлагат на пазара. Цените им обикновено в пъти превъзхождат цените на обикновените им събратя, макар, че вече цените на някои модели апарати от нисък клас са под $70 и продължават да падат.

В замяна на тази цена те предлагат заснемането на изображение, което може незабавно (без да има нужда от химическа обработка на лентата, както е при обикновените фотоапарати) да бъде разпечатано на принтер, изпратено по интернет или изкопирано по мрежата, въведено в компютъра за по-нататъшна цифрова обработка, или, ако снимката е неудачна, изтрита от носителя, освобождавайки място за друга. Новите модели от по-висок клас позволяват да бъде заснето дори и видео, заедно със звук, като, разбира се, дължината му е ограничена от наличния обем памет на цифровия апарат. За тези нужди обикновено са необходими поне 32 или 64 MB памет, за видовете на която ще стане дума по-късно.

За да можем да сравняваме двата вида фотоапарати, първо ще разгледам накратко конструкцията на един обикновен фотоапарат, без да се задълбочавам в подробностите, последвано от по-подробен преглед на конструкцията и технологиите, използвани при цифровата фотография.

Конструкция и технологиии при конвенционалните фотоапарати.

Конвенционалната фотография води началото си към 1830 г, когато бе изобретен химичният и механичен процес, разновидност на който се използва в съвременната фотография, от изобретателите Луис Дагер и Фокс Талбот.

В един обикновен фотоапарат, използващ полимерен филм с нанесено върху него светлочуствително покритие (емулсия) за фиксиране на полученото изображение (това е т.н. негатив (или позитив), който ще бъде получен след химическа обработка на филма). Процесът протича по следния начин: Снимащият фиксира част от сцената, която желае да заснеме, фокусирайки я през реализираната в конкретния фотоапарат система, след което натиска бутон, при което светлината, отразила се от обектите на заснеманата сцена, минава във вид на фотони през системата от стъклени (или пластмасови) лупи, монтирани в обектива, преминава през диафрагмата, която, в зависимост от зададената от потребителя стойност, влияеща на размера й, и времето, измервано в части от секундата (може да бъде и няколко секунди или дори часове), определяно от другата механична система във фотоапарата (настройките на диафрагмата и времето определят величината на експозицията), въздейства върху емулсията, нанесена върху лентата, предизвикавайки химическа реакция. Впоследствие, за фиксиране на резултатите от тази реакция, се използват химически процеси, познати като "проявяване", фиксиращи резултата.

Разбира се, голямо количество съвременни фотоапарати позволяват експозицията да се настройва автоматично, улеснявайки по този начин снимащия.

Конструкция и технологии при цифровите апарати.

От гледна точка на конструкция цифровите апарати са доста по-сложни от обикновените, макар и да съдържат някои аналогични елементи и системи. Те също имат обектив с лупа, фокусираща потока от отразена светлина, който, преминавайки през обектива, попада на специален светлочуствителен елемент (сензор, image sensor). Този елемент носи името CCD (Charget- Coupled Device) матрица, върху елементите на която се фиксира първоначално изображението, преди да бъде записано върху съответния вид носител на информация, използван в конкретния модел апарат. Специален изчислителен блок анализира постъпващата информация, определяйки величините на стойностите на вградената (ако я има) светкавица, баланса на белия цвят и т.н. След това матрицата захваща изображението и го предава към АЦП (Аналогово-Цифров Преобразувател), от чиято разрядност, между другото, също зависи качеството на получената цифрова снимка. АЦП анализира аналоговите импулси, прихванати и съхранени върху матрицата, и ги преобразува в цифров формат.

След тази операция в действие влизат един (или няколко) специализирани микропроцесора със съответното програмно осигуряване (почти всеки цифров фотоапарат има възможност за осъвременяване на програмното му осигуряване), които извършват по-нататъшната обработка на данните до краен резултат, който се записва върху съответния носител и вече може да се извежда на дисплея (ако го има). От зададените алгоритми зависи качеството на снимката, формата, в който ще бъде записана (*.jpg, *.tiff или др.), степента на компресия, плюс цял куп други екстри от рода на рамка около всяка снимка или генерирането на дата и час, излизащи в ъгъла на снимката. Всичко това зависи от софтуера на конкретния апарат и може да включва различен набор от функции и възможности.

По-новите версии на софтуер за един и същ модел цифров апарат могат да включват нови, предварително дефинирани стойности за ниво на компресия, нови изходни формати, в които да се записва файла със снимката, подобрени режими за консумация на енергия от акумулаторните батерии и т.н.

Устройство на матрицата.

Както може би вече се досещате, основната част на всеки един цифров фотоапарат (или цифрова камера) е матрицата, представляваща полупроводников чип. Цената на този най-скъп за момента елемент от цифровия апарат може да надвишава половината от цената на апарата, като качеството на един фотоапарат обикновено са оценават по бройката пиксели, които е способен да заснеме фотоапаратът, която е в пряка зависимост от броя на активните елементи на матрицата. Тук няма да коментирам цените на допълнителните обективи, които може да бъдат монтирани на място на стандартните при някои модели цифрови апарати от висок клас.

И така, матрицата е сложен полупроводников елемент, съставен от множество светлочуствителни елементи изградени от фотодиоди. Тези елементи са групирани и разположени по определен начин, а не хаотично, и затова образуват матрица с възможност до адресируем достъп до всеки активен елемент от нея.

Тъй като пикселът е най-малкия елемент от едно изображение е удобно да се използва този термин за описване на възможностите на матрицата и за пресмятания, т.е. ако фотоапаратът може да заснеме изображение с разделителна способност 1280x960 пиксела, това дава общ брой на пиксели от матрицата равен на 1228800. В този случай говорим за фотоапарат с мегапикселна матрица. Обикновено количеството на елементите върху матрицата е по-голямо от необходимото за фиксиране на максимално голямото възможно за даден апарат, тъй като не всички елементи от матрицата се използват. Например, цифровия фотоапарат Canon Powershot A5 Zoom позволява да се снимат изображения с резолюция 1024x768 pix, което дава общ брой пиксели, необходими за запомнянето на това изображение-768432. Производителя оповестява бройката на елементи на матрицата за дадения модел, равна на 810 000. Обикновено разликата между "работния" и общия брой пиксели за един апарат е в рамките на 5%.

Тъй като технологията, по която в момента се произвеждат матриците, е все още далече от съвършенството, практически невъзможно е да се произведе елемент с 100% работещи клетки, така, че всяка матрица има известно количество "мъртви" клетки. Освен това, обикновено изображението, предназначено за заснемане, се фокусира по такъв начин върху матрицата, че да попадне в средата й, оставяйки разстояние до нейните граници. Разбира се, когато снимате изображение, използвайки по-ниска резолюция от максимално възможната, това води до намаляване на размера на проектирания върху матрицата участък. Отделно от всичко това, известно количество пиксели се използва в някои модели и за калибриране на сигналите на сензора.

Повечето цифрови апарати от нисък и среден клас съдържат една CCD матрица (image sensor). Съвременните цифрови фотоапарати от по-висок клас, особено за полу-и професионални цели (както, впрочем и видеокамерите), използват по три отделни сензора за RGB-съставните на входящия сихнал. Всеки от тези сензори получава своят цвят-червен, зелен или син, като излишните цветови съставки се отделят от филтри, пропускащи сигнал само с определена дължина на вълната.

Различните производители използват различни алгоритми за фиксиране и получаване на изображението, отделните сензори могат да работят в различни режими, както, например, за зеления cвят да бъдат отделени два сензора (Minolta RD175), а третият да е комбиниран за червения и синия, и след прихващане на изображението информацията да се интерполира.

Конструктивно видът и начинът на разполагане на филтрите, отделящи определения цвят (червен, зелен, син, или допълнителните светлосин, пурпурен и жълт) е различен при различните производители на цифрови апарати и дори при различни модели от един производител.

В голяма част от матрицата се използват микроскопични лупи, разположени над всеки пиксел от матрицата, служещи за фокусиране и насочване на фотоните точно към определен участък от пикселния елемент, поради разлики в чуствителността в различни зони. Фотоните след това се трансформират в електрони спомощтана силициев фотодиод, който се разполага непосредствено под микролупата в светлочуствителната област, а самата област запазва електрическия заряд на принципа на кондензатор. За да може матрицата да поеме следващата снимка, тя периодично се инициализира (изчиства) с честота няколко десетки пъти в секунда.

Производителите на матрици използват и различни конструкции от филтри, пропускащи светлина с определена дължина на вълната (т.е. определен цвят). Най-често използваната при това технология е Bayer Pattern, която се характеризира с това, че зелените филтри са двойно повече от червените и сините. Освен това, червените, зелени и сини филтри са шахматно разположени, което намалява вероятността от появата на цветови дефекти и взаимното влияние на едноцветни съседни пиксели.

Тъй като човешкото око е по-чуствително към светлина с дължина на вълната, съответстваща на на зеления цвят, двойно по-големия брой зелени пиксели подобрява възприеманата от човешкото око цветна картина. Напомням, че съотношението на цветовите съставки на видеосигнала е подобно и яркостта "Y" е равна на 0.59G+0.30R+0.11B, при което субективно на възприеманото от човешкото око изображение е с по-висока яркост, контраст и естествен цвят. Отделно от всичко казано дотук, производителите на цифрови апарати вграждат в изделията си микропрограми, изпълняващи различни алгоритми за подобряване и допълнителна обработка на изображенията с цел подобряване на прихванатото от апарата изображение.

Графични формати за съхраняване на цифрова снимка

Най-широко разпространения формат за запис на цифрова снимка при фотоапаратите от нисък и среден клас е JPEG (Joint Photographic Experts Group). Този формат, както, предполагам, повечето от вас познават, е формат за съхранение на растерни изображения, съдържащи множество цветове, при който изображението се компресира спомощтана специален алгоритъм, при което размерът на компресирания JPEG файл може да намалее десетина и повече пъти спрямо некомпресирано изображение например, записано TIFF, без видима загуба на качеството. В цифровите апарати, където паметта е доста ограничена, това е начин за увеличаване на броя на снимките, събиращи се на един носител на памет. Например, фотоапаратът Kodak DC210 има 3 настройки за ниво на компресия на JPEG (*.JPG) файла със снимката, при което върху Compact Flash карта с обем на паметта 8 MB се събират около 27, 39 или 62 снимки с резолюция 1152x864, в зависимост от избраното ниво на компресия, поддържано от програмното му осигуряване версия 3.10.

Освен JPEG формата, цитирания апарат на Kodak може да запазва изображенията във формат FLASHPIX.

Друг изключително популярен формат, използван особено при по-скъпите (респективно, по-качествените) модели, изискващ значително повече памет, тъй като не използва компресия, е форматът TIFF (Tagged Image File Format). Този формат се характеризира с най-широк диапазон на предавани цветове (от монохромен до 24-битов RGB), изключително качество и платформена независимост (може да се гледа и от PC-съвместим, и от MAC-съвместим компютър).

Видове памет за цифровите апарати.

Някои от най-евтините модели цифрови апарати използват за съхраняване на снимките вградената в тях памет, с обем най-често до 8 MB, като този вариант (разбира се, ако камерата не е проектирана да използва и сменяема памет), не може да се смята за удачен. Предимството на апаратите, използващи някой от стандартните сменяеми носители на информация е, че винаги, при нужда, можем да разширим обема на паметта (респективно количеството възможни снимки) спрямо нуждите. Т.е., тръгвайки някъде на екскурзия, където не разполагате с компютър, интерфейсен кабел, софтуер, CD-RW (за да си ги запишете снимките, свалени от паметта на апарата), няма друг начин да си освободите място за нови снимки, освен да използвате втори носител от типа, изполван в апарата.

Ето най-често използваните типове сменяема памет в цифровите апарати и камери, с уточнението, че обемите им постоянно нарастват, освен това, някои модели апарати могат да използват по два вида сменяема памет :

• compact flash - този тип памет са избрали за повечето от моделите си цифрови апарати производители като Kodak, Nikon, Hewlett-Packard, Canon. Този тип карти се отличават със здрава конструкция (дебелината им е около 3 мм), освен това имат вградена логическа схема, ускоряваща процесите на запис/четене на данни и някои от тях имат интегрирана буферна памет. Един от най-големите производители на compact flash карти, фирмата SanDisk, вече предлага на пазара 512 MB модули, като в процес на разработване са 1 и 2 GB модули.

• smart media - Картите от този тип са подобни на картите за фонокартни апарати (от типа Bulfon или Mobika), дори са още по-тънки и с по - малък размер. Производството им е по-евтино, но, за сметка на тяхната по - слаба конструкция и на това, че изводите им са им са директно на повърхността и са достъпни за докосване и въздействие на статично електричество, изискват по-специално отношение, за да се избегне повреждането им. Максималният за момента обем на тези карти е 128 MB, който позволява върху нея да се запишат до 16 снимки с висока резолюция във формат TIFF (без компресия). Този тип карти се използват, например, в апаратите на Olympus.

• compact flash type 2 - този тип памет позволява още по-големи обеми от
  по - малкия си роднина - compact flash, но се отличава и с по-големи размери, което се отразява върху размерите на целия цифров апарат. Твърдият диск на IBM, Micro Drive, използва точно този формат, което дава възможност на потребителя да избира между наличните в момента 340 MB и 1 GB твъри дискове във формат CF Type 2, които, обаче, не са от най-евтините.

• memory stick

• floppy disk

• постоянна (несменяема) вградена памет

За прочитане на информацията, записана върху различните носители, съществуват множество специализирани устройства от типа на тези долу:

Интерфейс за връзка между цифрова камера и компютър

Цифровия апарат се свързва към компютъра посредством съвкупност от хардуерни и софтуерни средства, носещи общото наименование интерфейс, като той може да бъде реализиран като безжична връзка (например IR, Bluetooth) или по кабел (USB, RS-232). Както и в ситуациите с типовете сменяема памет, няма строго ограничен тип интерфейс, единен за всички цифрови апарати.

• USB Това напоследък е най-често използваният интерфейс за връзка на камерата и компютъра е USB, отличаващ се с достатъчно висока скорост на трансфер (над 10 MB/sec), позволяващ "преточването" на снимки от една 64 MB карта да не отнема целия интервал от времето между една лятна почивка и коледа :))), както когато те се трансферират по RS-232 през COM-порт. USB-конектор е интегриран почти на всяко дъно без изключение, произведено през последните 2 години, всички съвременни операционни системи го поддържат, и всичко това върви към по-бързия USB 2.0, който позволява още по-високи скорости.
  
• RS-232 (COM-Порт) Повечето по-стари модели апарати, особено от ниския ценови диапазон, използват този интерфейс за връзка с компютъра. За целта се използва кабел, свързващ апарата с извода com на дънната платка на компютъра, който го има в 99.9% от новите и по-стари
  компютри.Недостатък на този широко разпространен интерфейс е ниската скорост на трансфер-до 115 кбита./сек, което може да доведе до голяма загуба на време при източването на съдържанието на памет дори и с 8 MB Обем.
• IEEE 1394 FireWire Напоследък този интерфейс набира скорост, особено при полу-професионалните и професионалните модели цифрови фотоапарати, пък и като цяло при устройствата за съхраняване на информация. Интерфейсът позволява скорости на трансфер от порядъка на десетки MB/сек, "горещо" включване на устройства (подобно на USB) и вероятно има голямо бъдеще, преди безжичните интерфейси да излязат на преден план. Единственият текущ недостатък-необходимост от интерфейсна карта (ако я няма), цените на които постоянно падат и са на нивото на един евтин SCSI адаптер, т.е. около 30$.
• INFRA RED Доста бавен интерфейс, но, в замяна на това, не изискващ кабели.