I Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

ИЗУЧЕНИЕ НЕКОТОРЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЦИФРОВЫХ ФОТОГРАФИЙ, ВЫПОЛНЕННЫХ РАЗЛИЧНЫМИ ФОТОУСТРОЙСТВАМИ

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Артамонова А.В. 1

---

1

Чепурнова Г.В. 1

---

1

Работа в формате PDF

460.1 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение………………………………………………………………3

Теоретическая часть исследования…………………………………4

Практические исследования…………………………………………6

Источники информации……………………………………………..10

ВВЕДЕНИЕ

В современном мире подавляющая часть людей пользуется всевозможными фотоустройствами. Камеры сейчас есть у каждого. Кто-то подходит к покупке камеры очень трепетно, некоторые же, выбирают первую попавшуюся. Но хоть на минутку, мы задумываемся, что же такое мегапиксели, как они влияют на качество снимка, и почему все стремятся ухватить камеру где как можно больше мегапикселей?

Проблема: покупка качественного и не дорогого фотоустройства.

Объект: 3 различных фотоустройства.

Предмет: некоторые технические характеристики фотоустройств.

Цель: изучить некоторые характеристики цифровых фотографий, выполненных различными фотоустройствами.

Задачи:

•  

  1. Провести эксперимент в идентичных условиях разными фотоустройствами.

  2. Выявить зависимость качества фотографии от количества мегапикселей.

  3. Сравнить фотографии по некоторым характеристикам.

  4. Определить наиболее качественное и выгодное фотоустройство.

  5. Выяснить на какие характеристики фотоустройства смотреть при покупке.

Гипотеза: чем больше пикселей, тем выше качество сьемки.

Методы: изучение литературы и Интернет-ресурсов, проведение экспериментов и социальных опросов, анализ собранной информации, выявление результатов.

Практическая значимость: оберегаем себя от пустой траты денег.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ ИССЛЕДОВАНИЯ

Фотоаппарат (фотографический аппарат, фотокамера) - устройство (прибор, механизм, конструкция) для получения и фиксации неподвижных изображений материальных объектов при помощи света [1,2].

Фотоаппараты условно делятся на любительские и профессиональные, хотя чёткую границу между ними провести сложно.

• Как правило, фотоаппараты для профессиональной съемки имеют более широкий диапазон настроек, доступных для ручного управления, больший механический ресурс и диапазон условий эксплуатации, предусматривают использование широкого набора сменных объективов и аксессуаров.

• По мере развития электроники любительские (бытовые) фотоаппараты, напротив, идут по пути максимальной автоматизации процессов съёмки. Это упрощает фотографирование для неподготовленного пользователя и позволяет в большинстве случаев получить достаточно качественные кадры, однако сужает творческие возможности для опытного фотографа и часто не позволяет вести съёмку в нестандартных и сложных условиях (низкая освещённость, быстро перемещающийся объект съёмки и т. п.). К любительским фотоаппаратам можно также отнести и фотоаппараты, встроенные в современные гаджеты (мобильные телефоны, смартфоны, планшеты и т. п.).

Пиксель - наименьший логический элемент двумерного цифрового изображения в растровой графике, или элемент матрицы дисплеев, формирующих изображение. Пиксель представляет собой неделимый объект прямоугольной или круглой формы, характеризуемый определённым цветом (применительно к плазменным панелям, газоплазменная ячейка может быть восьмиугольной). Растровое компьютерное изображение состоит из пикселей, расположенных по строкам и столбцам [6].

Один кадр, может состоять из нескольких миллионов таких пикселей. Любой пиксель состоит из пяти элементов информации. Два отвечают за его координаты: положение по вертикали и положение по горизонтали. А еще три определяют цвет: яркость красного, яркость синего и яркость зеленого цвета. Совместно все эти элементы информации позволяют считывающему устройству определить правильный цвет точки и поместить ее в правильном месте на экране. Все пиксели, заполняющие экран, вместе образуют один кадр [5].

Но еще чаще употребляется термин мегапиксель. Это величина в один миллион пикселей, из которых создается изображение. Обычно в мегапикселях измеряют размер фотографии или отсканированного снимка. В мегапикселях измеряется одна из важных характеристик цифрового фотоаппарата — разрешение матрицы. Но при выборе фотоаппарата в мегапикселях отображается одна из его существенных характеристик – разрешение матрицы [3].

Разрешение - величина, определяющая количество точек на единицу площади.

Матрица - специализированная аналоговая или цифро-аналоговая интегральная микросхема, состоящая из светочувствительных элементов — фотодиодов [4].

• Предназначена для преобразования проецированного на неё оптического изображения в аналоговый электрический сигнал или в поток цифровых данных (при наличии АЦП непосредственно в составе матрицы).

• Является основным элементом цифровых фотоаппаратов, современных видео- и телевизионных камер, фотокамер, встроенных в мобильный телефон, камер систем видеонаблюдения и многих других устройств.

• Применяется в оптических детекторах перемещения компьютерных мышей, сканерах штрих-кодов, планшетных и проекционных сканерах, системах астро- и солнечной навигации.

Важное значение имеет физический размер матрицы – чем она больше, тем качественнее получится снимок. Даже при одинаковом количестве пикселей качество фотографий с разных фотокамер может оказаться разным. Размер пиксельных ячеек приобретает первостепенное значение по сравнению с их количеством. Чем меньше размер пикселя, тем выше уровень шума изображения.

Кроме того, размер пиксельных ячеек совместно с качеством фотодиодов влияют на такой показатель как динамический диапазон – это способность светочувствительных ячеек матрицы воспроизводить детали объекта в определенном диапазоне ступеней экспозиции. Проще говоря, от этой характеристики зависит, насколько точно может камера передавать оттенки [2].

Но даже если в фотоаппарате установлена матрица с высоким разрешением, испортить картину в прямом смысле этого слова может дешевая оптика. Свойства объектива зачастую не соответствуют возможностям начинки, поэтому компактные цифровики не подходят для серьезной съемки. Почти 90 процентов любительских цифровиков имеют матрицы, на которых расположены от 5 до 12 млн. пикселей. У зеркалок разрешение от 8 до 21 млн. пикселей, зато размеры сенсоров куда больше.

Диафрагма объектива в оптическихприборах — разновидность апертурной диафрагмы, позволяющая регулировать относительное отверстие объектива, то есть диаметр проходящих через него пучков света. Такая регулировка используется для управления светопропусканием и глубиной резкости. Диафрагма объектива представляет собой непрозрачную перегородку с круглым отверстием переменного диаметра, центр которого совпадает с оптической осью [6,7].

Основное предназначение диафрагмы объектива — регулировка его относительного отверстия, необходимая для точного дозирования проходящего света и получения правильной экспозиции.

Значения интенсивности пикселя различаются по геометрической и цветовой точности, динамическому диапазону, наличию шумов. На эти характеристики влияет число фотодетекторов, использованных для его определения, качество линзы, комбинации сенсоров, размеры фотодиодов, предустановленные программы обработки изображений, формат, в котором сохраняется изображение и т.д.

Цифровой шум — дефект изображения, вносимый фотосенсорами и электроникой устройств, которые их используют (цифровой фотоаппарат, теле-/видеокамеры и т. п.) вследствие несовершенства технологий

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ ИССЛЕДОВАНИЯ

Наше исследование мы начали с изучения общественного мнения среди обучающихся МБОУ СОШ №5 и МБОУ СОШ №7. На основании наблюдений и общения с обучающимися 10-11 классов, мы определи три фаворита в фотоустройствах. Ими стали фотоаппарат Nikon D3100, видеокамера GoPro Hero3+ и мобильный телефон IPhone 5S . Относительно этих фотоустройств, провели опрос. Выбор между фотоаппаратом Nikon D3100, телефоном IPhone 5S или видеокамерой GoPro Hero3+ по критерию «цена-качество» представлен на рис. 1.

Более половины (57,7%) школьников предпочли камеру GoPro Hero3+, тогда как IPhone 5S выбрали 23,3%, а Nikon D3100 – 19%. Школьники отмечали такие достоинства камеры GoPro Hero3+ как широкий угол обзора, водонепроницаемость, снимки высокого качества, среди недостатков – высокая стоимость.

Телефон IPhone 5S выбрали 23,3 % учеников, так как, это не только фотоустройство, но еще и мобильный телефон с выходом в Интернет, что дает возможность выкладывать фотографии, снятые камерой телефона, сразу же в Сеть. Фотоаппарат Nikon D3100 выбрали 19% школьников, которые назвали такие достоинства как большое число мегапикселей, фото- и видео высокого качества, недостатки – большой размер и вес, нет доступа в Интернет.

В таблице 1 указаны технические и иные характеристики изучаемых нами фотоустройств. По критерию «количество мегапикселей» у фотоаппарата Nikon D3100 и видеокамеры GoPro Hero3+ равно 14,8 и 12 и соответственно, тогда как у телефона IPhone 5S всего 8 мегапикселей. По критерию «диафрагма» так лидирует фотоаппарат Nikon D3100 его значение диафрагмы равно F5.6. У видеокамеры GoPro Hero3+ и телефона IPhone 5S диафрагмы приблизительно одинаковы и равны F2.8 и F2.2 соответственно.

Фотоаппарат Nikon D3100 и видеокамера GoPro Hero3+ имеют одинаковый тип матрицы CMOS, а телефона IPhone 5S – IPS.

Максимальное разрешение фотосъемки у фотоаппарата Nikon D3100 (4608 x 3072), далее следует видеокамера GoPro Hero3+ (4000 x3000) и у телефон IPhone 5S (3264x2448).

Розничная стоимость изучаемых фотоустройств приблизительно одинакова. Самая высокая цена у IPhone 5S, так как это еще и мобильный телефон (29990 рублей), далее по убыванию стоимости следует видеокамера GoPro Hero3+ (28900 рублей) и самая низкая цена у фотоаппарата Nikon D3100 – 24400 рублей.

Табл.1. Технические характеристики и стоимость изучаемых фотокамер

В таблице 2 указаны характеристики фотоснимков, выполненных исследуемыми нами фотоустройствами, при дневном освещении, с одинакового ракурса. Наибольший средний показатель яркости у видеокамеры GoPro Hero3+ (157,14), далее фотоаппарат Nikon D3100 (152,88) и минимальный показатель яркости у телефона IPhone 5S (135,53).

Наибольший цифровой шум (ISO) у фотоаппарата Nikon D3100 (400), далее следует видеокамеры GoPro Hero3+ (103) минимальный цифровой шум у телефона IPhone 5S (32).

Размер изображения у видеокамеры GoPro Hero3+ и фотоаппарата Nikon D3100 почти одинаков - 1280×960 и 1280×853 пикселей соответственно, тогда как у телефона IPhone 5S всего 768×1024 пикселей.

Табл.2. Характеристики фотоснимков при дневном освещении

На рисунке 2 изображены 3 фотографии, снятые в дневное время при естественном освещении, с одного расстояния и ракурса (А - IPhone 5S, Б - GoPro Hero3+, В - Nikon D3100). Мы видим, что наибольшую яркость имеет фотография сделанная на фотоаппарат Nikon D3100, далее идет видеокамера GoPro Hero3+ и наименьшую яркость имеет мобильный телефон IPhone 5S. Наибольшая четкость, также, у фотоаппарата Nikon D3100, далее идет видеокамера GoPro Hero3+ и наименьшей четкостью обладает фотография сделанная на телефон IPhone 5S.

В таблице 3 указаны характеристики фотоснимков, выполненных исследуемыми нами фотоустройствами, при искусственном освещении, с одного ракурса. В этот раз средний показатель яркости имеет более широкий диапазон значений: от 95,35 у телефона IPhone 5S, 107,31 у видеокамеры GoPro Hero3+ до 121,14 у фотоаппарата Nikon D3100.

Цифровой шум также имеет широкий диапазон значений: от 50 у телефона IPhone 5S, 212 у видеокамеры GoPro Hero3+ , до 400 у фотоаппарата Nikon D310.

Размер изображения у видеокамеры GoPro Hero3+ и фотоаппарата Nikon D3100 равен 4000×3000 и 4608×3072 пикселей соответственно, тогда как у телефона IPhone 5S - 2448×3264 пикселей.

Табл.3. Характеристики фотоснимков при искусственном освещении

На рисунке 3 изображены 3 фотографии, снятые в дневное время при искусственном освещении, с одного расстояния и ракурса (А - IPhone 5S, Б - GoPro Hero3+, В - Nikon D3100). Мы видим, что наибольшую яркость, в данном случае, имеет фотография сделанная на мобильный телефон IPhone 5S, далее идет фотоаппарат Nikon D3100, GoPro Hero3+ - имеет наименьшую яркость.. Наибольшая четкость, у фотоаппарата Nikon D3100, далее идет мобильный телефон IPhone 5S, и наименьшей четкостью обладает фотография сделанная видеокамеру GoPro Hero3+.

В таблице 4 указаны характеристики фотоснимков, выполненных исследуемыми нами фотоустройствами, при ночном освещении со вспышкой, с одинакового ракурса. Сейчас средний показатель яркости расположился в таком порядке: IPhone 5S - 171,23; GoPro Hero3+ -106,05; Nikon D3100 - 102,15.

Наименьший цифровой шум (ISO) у телефона IPhone 5S (78), далее следует GoPro Hero3+ - 289, наибольший цифровой шум у фотоаппарата Nikon D3100 - 1600.

Размер изображения у видеокамеры GoPro Hero3+ и фотоаппарата Nikon D3100 мало отличается - 4000×3000 и 4608×3072 пикселей соответственно, тогда как у телефона IPhone 5S - 640×852 пикселей.

Табл.4. Характеристики фотоснимков при ночном освещении со вспышкой

На рисунке 4 изображены 3 фотографии, снятые в дневное время при ночном освещении со вспышкой, с одного расстояния и ракурса (А - IPhone 5S, Б - GoPro Hero3+, В - Nikon D3100). Мы видим, что наибольшую яркость, в данном случае, имеет фотография сделанная на мобильный телефон IPhone 5S, далее идет фотоаппарат Nikon D3100, GoPro Hero3+ - имеет наименьшую яркость.. Наибольшая четкость, у мобильного телефона IPhone 5S, далее идет фотоаппарат Nikon D3100, и наименьшей четкостью обладает фотография сделанная видеокамеру GoPro Hero3+.

ВЫВОДЫ:

1. Проводя эксперимент в идентичных условиях, на 3 разных фотоустройства, мы выявили зависимость качества фотографии от количества мегапикселей.

2. Гипотеза о влиянии количества пикселей на качество сьемки не подтвердилась. Результаты исследования подтверждают, что качество фотографии зависит не от количества мегапикселей, а от размера и разрешения диафрагмы.

3. Установлено, что наиболее качественным и выгодным фотоустройством, для среднестатистического старшеклассника является фотоаппарат Nikon D3100.

4. Рекомендовано при покупке фотоустройства, в первую очередь внимание уделять параметрам диафрагмы и матрицы.

СПИСОК ИСТОЧНИКОВ ИНФОРМАЦИИ:

1. Соловьева Н.М.: Фотоаппаратура и её эксплуатация. - М.: Дрофа, 2009

2. Беркенгейм А.: Новейшее руководство по сканированию и цифровой фотографии. - М.: ДЕСС КОМ, 2002

3. Майкл Лэнгфорд. Библия фотографии. Изд.: Эксмо, 2007 г.

4. Георгий Розов. Как снимать. Искусство фотографии. Изд.: АСТ, Астрель, Транзиткнига, 2006 г.

5. Джон Хеджкоу. Новое руководство по фотографии. Изд.: АСТ, Астрель, 2005 г.

6. Александр Ефремов Фотография без Photoshop. Секреты профессиональной фотосъемки. Изд.: Питер, 2008 г.

7. Кэлви Тэйлор-Хоу Освещение при студийной фотосъемке. Изд., Арт-Родник, 2008