Различие оптического и цифрового увеличения в документ-камерах

На первый взгляд на эту тему написано уже достаточно много (см. например здесь) и все подробно изложено. Однако, документ-камеры продолжают активно развиваться, на рынок приходят новые, более совершенные модели, в том числе быстро растет разрешение используемых в камерах регистрирующих CMOS матриц. Если еще совсем недавно нормой было разрешение в 5 мегапикселей (5М), то сейчас менее 8М даже не рассматривается, и при этом все больше устройств основаны на матрицах уже в 13М. А в недалеком будущем можно ожидать переход на 20-30 мегапиксельные камеры. Использование подобных высокоразрешающих сенсоров открывает возможность реализации так называемого smart zoom – «умного» цифрового увеличения, эквивалентного оптическому. Однако надо понимать, что для этого камера должна иметь на борту и соответствующий цифровой процессор (DSP), позволяющий аккуратно выполнять необходимые математические вычисления в реальном времени (в качестве удачного примера можно привести документ-камеру DOKO DS13MU). Однако, на практике далеко не все модели оснащены достаточно мощным DSP, о чем продавцы нередко умалчивают. При этом применение документ-камер в образовании продолжает неуклонно расширяться, и в эту сферу вовлекаются все новые, технически неискушенные пользователи. И некоторые «эксперты» не стесняются вводить потребителей в заблуждение, подменяя близкие по названию, но по сути разные понятия.

DOKO document-camera zooming

Все это вынуждает нас еще раз вернуться к разъяснению такой важной характеристики как увеличение документ-камеры. Начнем с повторения азов.

(1) Основное назначение документ-камеры – показ изображений различных предметов или их отдельных участков в увеличенном виде на большом экране, чтобы было видно всем присутствующим в аудитории (учебном классе). Увеличение изображения по-английски пишется как zoom, так что в наш современный язык прочно вошел термин зум, и теперь мы свободно рассуждаем про оптический зум и фотоаппараты и видеокамеры с зум-объективами.

(2) Любое устройство отображения, будь то компьютерный монитор или видеопроектор, проецирующий формируемое изображение на настенный экран, обладает ограниченным разрешением, определяющим эффективную детализацию показываемого изображения. Вчера характерными были значения 1024х768, сегодня 1920х1080 (Full HD, FHD), завтра это будет уже 3840х2160 (4К UHD). Понятно, что увеличение отображаемого изображения означает, что на экране с тем же разрешением будет показываться меньший участок наблюдаемого предмета, но соответственно с большей детализацией. На обыденном уровне это эквивалентно простому приближению к объекту наблюдения.

Document-camera zooming

Важно понимать, что увеличение изображения равнозначно увеличению числа регистрирующих пикселей, приходящихся на заданный участок наблюдаемого объекта. Принципиальное значение имеет именно число пикселей регистрирующей матрицы, именно оно отвечает за детализацию изображения, за его информационную насыщенность. Хотя с точки зрения удобства визуального восприятия отображаемого изображения важны и размер экрана и допустимое значение разрешения используемого устройства отображения. Но эти параметры на исходную детализацию изображения не влияют. 

(3) С точки зрения физики формирования изображений документ-камера аналогична фотоаппарату или видеокамере. С определенной натяжкой ее даже можно назвать фото-/видеокамерой на штативе. Соответственно важнейшим элементом этого инструмента является объектив, состоящий из одной или нескольких линз. Если однолинзовый объектив обладает фиксированным фокусным расстоянием, то у более сложного объектива фокусное расстояние может меняться путем смещения составляющих его линз друг относительно друга. Изменение фокусного расстояния влечет изменение (уменьшение) угла зрения и, как следствие, изменение размера участка наблюдаемого предмета, фокусируемого на регистрирующей матрице. Надо отметить, что для объективов с фиксированным фокусным расстоянием этот же результат достигается приближением к предмету наблюдения, что и приводит к результирующему увеличению изображения – на экране будет более четко показываться укрупненный участок предмета.

Document-camera zooming

Таким образом, оптическое увеличение означает изменение размера наблюдаемого участка до регистрации его изображения (до съемки).

(4) Доступный диапазон изменения фокусного расстояния объектива, как правило, определяет потенциальную величину оптического увеличения (зума). Так, если в спецификации камеры написано f=33-330мм, то это подразумевает 10Х оптический зум (см., например, модель DOKO DC1310F). Однако при значительных увеличениях обычно увеличивается и минимальное расстояние до предмета, с которого объектив позволяет сфокусироваться (получить резкое изображение). И в поисках компромисса между двумя этими важными характеристиками производители документ-камер нередко сознательно ограничивают («зажимают») доступное оптическое увеличение. Так, например, у документ-камеры DOKO DC817M f=35-205mm, что эквивалентно 23-кратному зуму. Но при этом в спецификации оптическое увеличение определено всего как 17Х. И все ради того, чтобы обеспечить возможность фокусировки с 2 см, в противном случае пришлось бы минимальное расстояние до предмета увеличить до 20см.

Попутно отметим, что реализация оптического увеличения требует сложных и дорогих объективов (тем сложнее и дороже, чем больше обеспечиваемое результирующее увеличение), которыми оснащаются только старшие модели документ-камер. А для более привлекательных по цене бюджетных моделей характерно использование именно простых и легких объективов с фиксированным фокусным расстоянием. В качестве примера можно привести модели DOKO DS08MU и DOKO DS08FU. Надо признать, что подобные объективы, как правило, «страдают» и более заметными искажениями по краям поля зрения и более ограниченными возможностями по фокусировке на малых расстояниях.

(5) Как уже отмечалось, универсальный способ увеличения – простое приближение объектива камеры к наблюдаемому предмету. Несмотря на тривиальность такого подхода, в терминологии компании Epson он даже получил особое название «механического увеличения». И иногда его на полном серьезе приводят в характеристиках камеры.

Document-camera zooming

У современных моделей документ-камер диапазон подобного механического увеличения, определяемый как отношение максимального (высота штатива) и минимального (на котором надежно выполняется фокусировка) расстояний, составляет 3-10 крат. Так, например, для DOKO DS08MU и DOKO DS08FU это 3.3 и 4.3 соответственно, для модели DOKO DC817M – около 10.

(6) Наравне с оптическим в документ-камерах активно используется и цифровое увеличение. Все, кто хоть раз выполнял программное увеличение компьютерных картинок, уже сталкивался с подобной операцией и понимает ее суть. Здесь на CMOS матрице выделяется («вырезается») нужная часть зафиксированного (уже зарегистрированного) цифрового изображения, которая путем математической интерполяции просто увеличивается до требуемого размера на экране.

Document-camera zooming

Несмотря на формальное увеличение размера исходное число независимых пикселей увеличиваемого участка изображения остается прежним. Так что в реальности при обычном цифровом увеличении детализация не изменяется, просто отображаемые элементы «растягиваются», а результирующая картинка размывается (изображение «замыливается»). Впрочем, в определенных случаях это облегчает пользователю визуальное восприятие картинки.

Document-camera zooming

Важно отметить главный признак цифрового увеличения – оно выполняется не до, а уже после регистрации изображения (т.е. после его съемки и сохранения).

(7) Однако, при избыточности разрешения регистрирующей матрицы в определенных пределах удается обеспечивать цифровое увеличение без потери качества, и по факту оно оказывается эквивалентно оптическому увеличению. Подобная технология известна довольно давно и используется в старших моделях документ-камер различных производителей (под именами SmartZoom, Extension Zoom, AverZoom и т.д.). Остановимся на этой технологии подробнее.

Как уже отмечалось, увеличение изображения соответствует увеличению числа регистрирующих пикселей, приходящихся на заданный участок наблюдаемого объекта. А если число этих пикселей изначально в разы превышает разрешение устройства отображения?

Рассмотрим поясняющий пример. Сегодня типичное разрешение выходного видеосигнала документ-камеры составляет 1920х1080, т.е. ограничено 2 миллионами (2М) независимыми элементами отображения. А типичное разрешение регистрирующей матрицы составляет 8М пикселей, и на каждый элемент отображения приходится по 4 пиксела матрицы. Соответственно детализация при регистрации изображения по каждой из осей в 2 раза превышает возможности визуализации. И соответственно каждые 3 из 4 пикселов зарегистрированного изображения напрасно «пропадают». Но подобную избыточность вполне можно использовать для эффективного увеличения отображаемого участка изображения, просто задействуя «скрытые» (неотображаемые) пиксели. Так очень легко можно обеспечить увеличение в 2 раза – просто выделить четвертую часть изображения и отобразить в нем имеющиеся пикселы. А если нужно увеличение в 1,5 раза? Ведь в этом случае некоторые требуемые для отображения элементы будут попадать между реальными пикселами. Что же – придется использовать цифровой процессор камеры и, опираясь на имеющиеся реальные значения, вычислить («предсказать») недостающие значения в промежутках. Потенциальная точность таких вычисленных значений оказывается очень высокой, а результирующее увеличение будет фактически эквивалентно оптическому. Именно подобный подход под именем Smart-увеличения и реализован в некоторых моделях документ-камер DOKO, например в DOKO DC1310F и DOKO DS13MU.

Document-camera zooming

(8) Эффективное оптическое увеличение определяется как результат перемножения значения, обеспечиваемого зум-объективом камеры, и smart увеличения, достигаемого за счет использования избыточности регистрирующей матрицы. Подобное комбинированное увеличение иногда называют расширенным (extended) оптическим увеличением.

Document-camera zooming

(9) Рассмотрим более подробно модель DOKO DS13MU. Она использует объектив с фиксированным фокусным расстоянием, так что оптическое увеличение отсутствует. Но зато реализован SmartZoom. И что интересно – хотя имеющийся «запас» избыточности регистрирующих пикселей (13М против требуемых для отображения 2М) потенциально позволяет достигать подобного увеличения в 2.5Х, в спецификации он ограничен значением всего в 2Х.

DOKO DS13MU

DOKO DS13MU — сверхкомпактная документ-камера с функцией «умного» цифрового увеличения SmartZoom.

Почему такая скромность? А дело в том, что необходимо также учитывать и аспектное отношение экранного (отображаемого) изображения. Значение этого отношения для выходного HDMI сигнала (1920х1080) равно 16:9, в то время как используемая в DOKO DS13MU регистрирующая матрица (Sony IMX214) имеет 4208х3120 активных пикселей и характеризуется аспектным отношением 4:3. Соответственно по большей из сторон максимальное увеличение ограничено значением 2.19 (как 4208:1920). Из дополнительных соображений точности реализации соответствующего алгоритма увеличения (математического расчета промежуточных значений) было принято решение установить значение Smart увеличения как 2Х. Впрочем, подобный «честный» подход к определению реальных характеристик отражает добросовестность и надежность характеристик документ-камер марки DOKO.

Подводя краткий итог заключаем, что при сравнении различных моделей камер в первую очередь надо обращать внимание на оптическое увеличение, затем на наличие и возможности SmartZoom (и его аналогов), и лишь в последнюю – на цифровой зум. Избегайте обмана цифр некоторых производителей, лукаво указывающих огромные значения общего увеличения (получаемого простым перемножением всех трех зумов), но скрывающих из каких величин оно получается.

------