Как работает цифровая. Как работает электронная цифровая подпись. Работать эти девайсы могут одним из двух способов

Для полного контроля над процессом получения цифрового изображения необходимо хотя бы в общих чертах представлять себе устройство и принцип работы цифрового фотоаппарата.

Единственное принципиальное отличие цифровой камеры от плёночной заключается в природе используемого в них светочувствительного материала. Если в плёночной камере это плёнка, то в цифровой – светочувствительная матрица. И как традиционный фотографический процесс неотделим от свойств плёнки, так и цифровой фотопроцесс во многом зависит от того, как матрица преобразует свет, сфокусированный на неё объективом, в цифровой код.

Принцип работы фотоматрицы

Светочувствительная матрица или фотосенсор представляет собой интегральную микросхему (проще говоря, кремниевую пластину), состоящую из мельчайших светочувствительных элементов – фотодиодов.

Существует два основных типа сенсоров: ПЗС (Прибор с Зарядовой Связью, он же CCD – Charge-Coupled Device) и КМОП (Комплементарный Металл-Оксид-Полупроводник, он же CMOS – Complementary Metal-Oxide-Semiconductor). Матрицы обоих типов преобразовывают энергию фотонов в электрический сигнал, который затем подлежит оцифровке, однако если в случае с ПЗС матрицей сигнал, сгенерированный фотодиодами, поступает в процессор камеры в аналоговой форме и лишь затем централизованно оцифровывается, то у КМОП матрицы каждый фотодиод снабжён индивидуальным аналого-цифровым преобразователем (АЦП), и данные поступают в процессор уже в дискретном виде. В целом, различия между КМОП и ПЗС матрицами хоть и принципиальны для инженера, но абсолютно несущественны для фотографа. Для производителей же фотооборудования имеет значение ещё и тот факт, что КМОП матрицы, будучи сложнее и дороже ПЗС матриц в разработке, оказываются при этом выгоднее последних при массовом производстве. Так что будущее, скорее всего, за технологией КМОП в силу чисто экономических причин.

Фотодиоды, из которых состоит любая матрица, обладают способностью преобразовывать энергию светового потока в электрический заряд. Чем больше фотонов улавливает фотодиод, тем больше электронов получается на выходе. Очевидно, что чем больше совокупная площадь всех фотодиодов, тем больше света они могут воспринять и тем выше светочувствительность матрицы.

К сожалению, фотодиоды не могут быть расположены вплотную друг к другу, поскольку тогда на матрице не осталось бы места для сопутствующей фотодиодам электроники (что особенно актуально для КМОП матриц). Восприимчивая к свету поверхность сенсора составляет в среднем 25-50 % от его общей площади. Для уменьшения потерь света каждый фотодиод накрыт микролинзой, превосходящей его по площади и фактически соприкасающейся с микролинзами соседних фотодиодов. Микролинзы собирают падающий на них свет и направляют его внутрь фотодиодов, повышая таким образом светочувствительность сенсора.

По завершении экспонирования электрический заряд, сгенерированный каждым фотодиодом, считывается, усиливается и с помощью аналого-цифрового преобразователя превращается в двоичный код заданной разрядности, который затем поступает в процессор фотоаппарата для последующей обработки . Каждому фотодиоду матрицы соответствует (хоть и не всегда) один пиксель будущего изображения.

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.

Современные фотоаппараты все делают сами - чтобы получить снимок, пользователю достаточно лишь нажать на кнопку. Но ведь все равно интересно: по какому же волшебству картинка попадает в камеру? Мы постараемся объяснить основные принципы работы цифровых фотоаппаратов.

Ликбез: как работает цифровая камера

Основные части Борьба с искажениями

Основные части

В основном устройство цифровой камеры повторяет конструкцию аналоговой. Главное их различие - в светочувствительном элементе, на котором формируется изображение: в аналоговых фотоаппаратах это пленка, в цифровых – матрица. Свет через объектив попадает на матрицу, где формируется картинка, которая затем записывается в память. Теперь разберем эти процессы подробнее.

Состоит камера из двух основных частей – корпуса и объектива. В корпусе находятся матрица, затвор (механический или электронный, а иногда и тот и другой сразу), процессор и органы управления. Объектив, съемный или встроенный, представляет собой группу линз, размещенных в пластиковом или металлическом корпусе.

Где получается картинка

Матрица состоит из множества светочувствительных ячеек – пикселов. Каждая ячейка при попадании на нее света вырабатывает электрический сигнал, пропорциональный интенсивности светового потока. Поскольку используется информация только о яркости света, картинка получается черно-белой, а чтобы она была цветной, приходится прибегать к разным хитростям. Ячейки покрывают цветными фильтрами – в большинстве матриц каждый пиксел покрыт красным, синим или зеленым фильтром (только одним!) в соответствии с известной цветовой схемой RGB (red-green-blue). Почему именно эти цвета? Потому что они – основные, а все остальные получаются путем их смешения и уменьшения или увеличения их насыщенности.

На матрице фильтры располагаются группами по четыре, так что на два зеленых приходится по одному синему и красному. Так делается потому, что человеческий глаз наиболее чувствителен именно к зеленому цвету. Световые лучи разного спектра имеют разную длину волн, поэтому фильтр пропускает в ячейку лучи лишь своего цвета. Полученная картинка состоит только из пикселов красного, синего и зеленого цвета – именно в таком виде записываются файлы формата RAW (сырой формат). Для записи файлов JPEG и TIFF процессор камеры анализирует цветовые значения соседних ячеек и рассчитывает цвет пикселов. Этот процесс обработки называется цветовой интерполяцией, и он исключительно важен для получения качественных фотографий.

Такое расположение фильтров на ячейках матрицы называется шаблоном Байера

Основных типов матриц два, и они различаются способом считывания информации с сенсора. В матрицах типа CCD (ПЗС) информация считывается с ячеек последовательно, поэтому обработка файла может занять довольно много времени. Хотя такие сенсоры «задумчивы», они относительно дешевы, и к тому же, уровень шума на полученных с их помощью снимках меньше.

Матрица типа ПЗС

В матрицах типа CMOS (КМОП) информация считывается индивидуально с каждой ячейки. Каждый пиксел обозначен координатами, что позволяет использовать матрицу для экспозамера и автофокусировки.

КМОП-матрица

Описанные типы матриц – однослойные, но есть еще и трехслойные, где каждая ячейка воспринимает одновременно три цвета, различая разноокрашенные цветовые потоки по длине волн.

Трехслойная матрица

Выше уже был упомянут процессор камеры – он отвечает за все процессы, в результате которых получается картинка. Процессор определяет параметры экспозиции, решает, какие из них нужно применить в данной ситуации. От процессора и программного обеспечения зависят качество фотографий и скорость работы камеры.

По щелчку затвора

Затвор отмеряет время, в течение которого свет воздействует на сенсор (выдержку). В подавляющем большинстве случаев это время измеряется долями секунды – что называется, и моргнуть не успеешь. В цифровых зеркальных камерах, как и в пленочных, затвор представляет собой две непрозрачные шторки, закрывающих сенсор. Из-за этих шторок в цифровых зеркалках невозможно визирование по дисплею – ведь матрица закрыта и не может передавать изображение на дисплей.

В компактных камерах матрица не закрыта затвором, и поэтому можно компоновать кадр по дисплею

Когда кнопка спуска нажата, шторки приводятся в движение пружинам или электромагнитами, открывается доступ свету, и на сенсоре формируется изображение – так работает механический затвор. Но в цифровых камерах бывают еще и электронные затворы – они используются в компактных фотоаппаратах. Электронный затвор, в отличие от механического, нельзя пощупать руками, он, в общем-то, виртуален. Матрица компактных камер всегда открыта (именно потому и можно компоновать кадр, глядя на дисплей, а не в видоискатель), когда же нажимается кнопка спуска, кадр экспонируется в течение указанного времени выдержки, а затем записывается в память. Благодаря тому что у электронных затворов нет шторок, выдержки у них могут быть ультракороткими.

Наведем фокус

Как уже говорилось выше, часто для автофокусировки используется сама матрица. Вообще же, автофокусировка бывает двух типов – активная и пассивная.

Для активной автофокусировки камере нужны передатчик и приемник, работающие в инфракрасной области или с ультразвуком. Ультразвуковая система измеряет расстояние до объекта по методу эхолокации отраженного сигнала. Пассивная фокусировка осуществляется по методу оценки контраста. В некоторых профессиональных камерах сочетаются оба типа фокусировки.

В принципе, для фокусировки может использоваться вся площадь матрицы, и это позволяет производителям размещать на ней десятки фокусировочных зон, а также использовать «плавающую» точку фокуса, которую пользователь сам может разместить где ему угодно.

Борьба с искажениями

Именно объектив формирует на матрице изображение. Объектив состоит из нескольких линз – из трех и более. Одна линза не может создать совершенное изображение – по краям оно будет искажаться (это называется аберрациями). Грубо говоря, пучок света должен идти прямо на сенсор, не рассеиваясь по пути. В какой-то мере этому способствует диафрагма – круглая пластинка с дыркой посередине, состоящая из нескольких лепестков. Но сильно закрывать диафрагму нельзя – из-за этого уменьшается количество света, попадающее на сенсор (что и используется при определении нужной экспозиции). Если же собрать последовательно несколько линз с различными характеристиками, искажения, даваемые ими вместе, будут гораздо меньше, чем аберрации каждой из них по отдельности. Чем больше линз – тем меньше аберрации и тем меньше света попадает на сенсор. Ведь стекло, каким бы прозрачным оно нам ни казалось, не пропускает весь свет – какая-то часть рассеивается, что-то отражается. Чтобы линзы пропускали как можно больше света, на них наносят специальное просветляющее напыление. Если посмотреть на объектив камеры, будет видно, что поверхность линзы переливается радугой – это и есть просветляющее напыление.

Линзы располагаются внутри объектива примерно таким образом

Одна из характеристик объектива – светосила, значение максимально открытой диафрагмы. Она указывается на объективе, например, так: 28/2, где 28 – фокусное расстояние, а 2 – светосила. Для зум-объектива маркировка выглядит так: 14-45/3,5-5,8. Два значения светосилы указываются для зумов, поскольку в широкоугольном и в телеположении у них разные минимальные значения диафрагмы. То есть на разных фокусных расстояниях светосила будет разной.

Фокусное расстояние, которое указывают на всех объективах – это расстояние от передней линзы до светоприемника (в данном случае, матрицы). От фокусного расстояния зависит угол обзора объектива и его, так сказать, дальнобойность, то есть как далеко он «видит». Широкоугольные объективы отдаляют изображение относительно нашего обычного видения, а телеобъективы – приближают, и у них маленький угол обзора.

Угол обзора объектива зависит не только от его фокусного расстояния, но и от диагонали светоприемника. Для 35 мм пленочных камер нормальным (то есть примерно соответствующим углу обзора человеческого глаза) считается объектив с фокусным расстоянием 50 мм. Объективы с меньшим фокусным расстоянием – «широкоугольники», с большим – «телевики».

Левая часть нижней надписи на объективе – фокусное расстояние зума, правая часть - светосила

Здесь и кроется проблема, из-за которой рядом с фокусным расстоянием объектива цифровика часто указывают его эквивалент для 35 мм. Диагональ матрицы меньше диагонали 35 мм кадра, и поэтому приходится «переводить» цифры в более привычный эквивалент. Из-за этого же увеличения фокусного расстояния в зеркальных камерах с «пленочными» объективами становится почти невозможна широкоугольная съемка. Объектив с фокусным расстоянием 18 мм для пленочной камеры – суперширокоугольный, но для цифрового фотоаппарата его эквивалентное фокусное расстояние будет около 30 мм, а то и больше. Что касается телеобъективов, то увеличение их «дальнобойности» только на руку фотографам, ведь обычный объектив с фокусным расстоянием, скажем, 400 мм, стоит довольно дорого.

Видоискатель

В пленочных камерах компоновать кадр можно только пользуясь видоискателем. Цифровые же позволяют вовсе забыть о нем, поскольку в большинстве моделей для этого удобнее использовать дисплей. В некоторых очень компактных камерах видоискателя вовсе нет – просто из-за того, что нет для него места.

Самое важное в видоискателе – что через него можно увидеть. Например, зеркальные камеры так называются как раз из-за особенностей конструкции видоискателя. Изображение через объектив посредством системы зеркал передается в видоискатель, и таким образом фотограф видит реальную площадь кадра. Во время съемки, когда открывается затвор, загораживающее его зеркало поднимается и пропускает свет на чувствительный сенсор. Такие конструкции, конечно, отлично справляются со своими задачами, но занимают довольно много места и потому совершенно неприменимы в компактных камерах.

Вот так изображение через систему зеркал попадает в видоискатель зеркальной камеры

В компактных камерах применяют оптические видоискатели реального видения. Это, грубо говоря, сквозное отверстие в корпусе камеры. Такой видоискатель не занимает много места, но обзор его не соответствует тому, что «видит» объектив.

Еще есть псевдозеркальные камеры с электронными видоискателями. В таких видоискателях установлен маленьких дисплей, изображение на который передается непосредственно с матрицы – точно так же, как и на внешний дисплей.

Вспышка

Вспышка, импульсный источник света, используется, как известно, для подсветки там, где основного освещения недостаточно. Встроенные вспышки обычно не очень мощные, но их импульса хватает, чтобы осветить передний план. На полупрофессиональных и профессиональных камерах есть еще контакт для подключения гораздо более мощной внешней вспышки, он называется «горячий башмак».

Это, в общем, основные элементы и принципы работы цифровой камеры. Согласитесь, когда знаешь, как устройство работает, легче добиться качественного результата.

Электронная цифровая подпись сейчас на слуху - многие современные компании потихоньку переходят на электронный документооборот. Да и в повседневной жизни ты наверняка сталкивался с этой штукой. Если в двух словах, суть ЭЦП очень проста: есть удостоверяющий центр, есть генератор ключей, еще немного магии, и вуаля - все документы подписаны. Осталось разобраться, что же за магия позволяет цифровой подписи работать.

Roadmap

Это пятый урок из цикла «Погружение в крипту». Все уроки цикла в хронологическом порядке:

1. Генерация ключей

Причина стойкости RSA кроется в сложности факторизации больших чисел. Другими словами, перебором очень трудно подобрать такие простые числа, которые в произведении дают модуль n. Ключи генерируются одинаково для подписи и для шифрования.

Когда ключи сгенерированы, можно приступить к вычислению электронной подписи.

2. Вычисление электронной подписи

3. Проверка электронной подписи

RSA, как известно, собирается уходить на пенсию, потому что вычислительные мощности растут не по дням, а по часам. Недалек тот день, когда 1024-битный ключ RSA можно будет подобрать за считаные минуты. Впрочем, о квантовых компьютерах мы поговорим в следующий раз.

В общем, не стоит полагаться на стойкость этой схемы подписи RSA, особенно с такими «криптостойкими» ключами, как в нашем примере.

Продолжение доступно только участникам

Вариант 1. Присоединись к сообществу «сайт», чтобы читать все материалы на сайте

Членство в сообществе в течение указанного срока откроет тебе доступ ко ВСЕМ материалам «Хакера», увеличит личную накопительную скидку и позволит накапливать профессиональный рейтинг Xakep Score!

Abilify MyCite поставляется с клеящим датчиком (см. в левом нижнем углу этого изображения) и смартфоном.

Новая «цифровая таблетка» может рассказать врачам о том, принял ли пациент свое лекарство. Таблетка отправляет сигнал переносимому датчику, когда пациент принимает лекарство, и эта информация затем отправляется в кабинет врача.

Вся система называется Abilify MyCite и состоит из таблетки, пригодного для носки датчика и приложения для смартфонов. Фактическим препаратом является Abilify (арипипразол), препарат, используемый для лечения шизофрении и биполярного расстройства. Препарат продается Otsuka Pharmaceutical, а датчик в таблетке был создан Proteus Digital Health.

Как работает система?

Хотя идея может показаться чем-то вроде научно-фантастического фильма, технология основана на принципе, впервые описанном более 200 лет назад, сказал д-р Джордж Сэвидж, главный медицинский работник и соучредитель Proteus Digital Health.

В 1800 году Алессандро Вольта изобрел батарею, состоящую из двух разнородных металлов (цинка и меди) в растворе серной кислоты и рассола. Батареи сделаны аналогичным образом по сей день.

Считается, что встроенная в таблетку система — это датчик, состоящий из кремниевого чипа с логической схемой, а также две части металла: медь и магний. Когда датчик падает в раствор воды или любой другой жидкости, которая имеет полярные молекулы (такие как соляная кислота в желудке, которая растворяет пилюлю, оставляя датчик позади), устройство будет генерировать ток. Ток очень мал, но этого достаточно, чтобы запустить чип.

«Технически, это частичный источник питания, — сказал Сэвидж. «Пациент становится батареей».

После активации чип — только 1 миллиметр на стороне и толщиной 0,3 мм — посылает очень простой сигнал, который кодирует только одно число. Это число идентифицирует таблетку и сообщает пригодному для носки, клейкому датчику, что он попал в организм.

Сигнал таблетки не является радиосигналом. Логическая схема чипа дает небольшой модулированный ток — график текущих уровней будет выглядеть как синусоидальная волна. Так как человеческий организм является проводящим, носимый датчик может поднять изменения. Модулированный ток может кодировать единицы и нули, аналогичные FM-сигналу.

Это работает так же, как электрокардиограмма. Эти машины подхватывают изменения электрического тока в корпусе для контроля сердечных сокращений. Носимый датчик делает то же самое, хотя ток меньше.

Таблетка предназначена для работы всего около 3 минут. Этого времени достаточно, чтобы отправить сигнал на носимый датчик, чтобы он проснулся и начал собирать данные. Это экономит энергию батареи, сказал Сэвидж, и позволяет носить переносимый датчик работать в течение недели за раз.

От пациента до врача

Носимый клейкий датчик может определить, насколько активен пациент, сказал Боб Маккуайд, главный специалист по стратегии в Otsuka Pharmaceutical. Он также может проверить, ложится ли человек, принимающий таблетки.

Из переносимого сенсора информация о том, что пациент принимал таблетку, отправляется в приложение для смартфонов через Bluetooth. Затем приложение спрашивает у пациента, как он себя чувствует, и записывает ответ. Если пациент соглашается, приложение может отправить время, в которое они принимали пилюлю, уровень активности и стресс доктору, который может смотреть на данные с течением времени и получить представление о том, как идет лечение пациента. Так, например, врач может знать, всегда ли пациент принимает лекарство в одно и то же время суток, или если есть тенденция забывать и принимать таблетку время от времени.

Информация, отправленная с переносимого датчика на телефон и из приложения телефона в офис врача, зашифрована, и нет реалистичного способа взломать сигнал, не находясь в очень тесном контакте с пациентом.

Даже если данные позволяют врачам следить за тем, чтобы пациенты принимали лекарство, нет никаких доказательств того, что система улучшает соблюдение режима лечения.

«Эти эксперименты еще не были сделаны», — сказал Маккуайд. Тем не менее, такие данные могут помочь врачам поговорить с пациентами об использовании лекарств и, возможно, определить хорошие привычки, сказал он.

Соблюдение режима и правильное использование являются постоянной проблемой. Например, многие люди, которые пропустили лекарство в день, что бы это ни было, на следующий день возьмут две таблетки, хотя с некоторыми лекарствами этого делать нельзя. «Люди делают то, что логично на работе, например, вы пропустите день, вы приходите и делаете больше работы, но не в фармакологии».

После перехода эфирного вещания с аналогового стандарта на цифровой появилась необходимость приобретать специальные устройства для старых телевизоров. Все современные модели ТВ-приемников оснащаются соответствующим тюнером. Однако не каждый человек готов из-за этого менять свой телевизор. Зная, как работает цифровая приставка к телевизору и особенности выбора устройства, можно купить недорогое и эффективное устройство.

Назначение девайса

Благодаря цифровой приставке к телевизору можно не только смотреть эфирное вещание в новом стандарте, но и существенно расширить возможности ТВ-приемника. В продаже находится большое количество моделей, отличающихся стоимостью и функциональными возможностями. Среди основных функций, выполняемых приставкой, можно отметить:

Воспроизведение мультимедиа-файлов с флэш-накопителя, подключаемого к порту USB.
Запись телетрансляции в формате ts на внешний накопитель.
Возможность остановки просмотра в реальном времени.
Благодаря функции TimeShift трансляцию телепрограммы можно отложить.

Некоторые бюджетные современные модели телевизоров обладают значительно меньшим функционалом, хотя и оснащены тюнером DVB-T2. В такой ситуации приставка сможет значительно расширить его возможности.

Также следует сказать еще об одном виде тюнеров - приставках Смарт ТВ. Они предоставляют пользователям еще больше возможностей.

Работать эти девайсы могут одним из двух способов:

Все файлы хранятся на встроенном носителе, для запуска необходимого софта его требуется предварительно инсталлировать.
Для хранения рабочей информации используются облачные сервисы, и устройство может функционировать только при подключении к интернету.

Главным преимуществом Смарт-приставок является возможность получения доступа к различным ресурсам в интернете и вывод информации на экран ТВ.

Такие тюнеры могут оснащаться сразу несколькими разъемами для подключения карт памяти, поддерживают большое количество мультимедиа-форматов.

Критерии выбора

Следует признать, что приставка к телевизору для просмотра цифрового телевидения не является самым сложным бытовым электронным прибором.

Но даже учитывая сравнительно невысокую стоимость этих устройств, необходимо сделать правильный выбор. Есть несколько критериев, которые необходимо обязательно иметь в виду, отправляясь в магазин.

Стандарты вещания

Именно этот вопрос является самым важным при выборе девайса. Так как в России используется стандарт DVB-T2 цифрового телевидения, приставка к телевизору должна его поддерживать . Это универсальное решение, которое подходит пользователям всех регионов страны. Кроме этого, качество изображения у DVB-T2 лучше, чем у DVB-T1.

Также нужно отметить еще два стандарта - DVB-S и DVB-S2. Они используются для трансляции спутникового телевидения. Если приставка их поддерживает, то пользователь может подсоединить ее к спутниковой антенне и транслировать полученный сигнал сразу на телевизор без использования ресивера.

Сегодня многие провайдеры кабельного ТВ используют стандарт DVB-C . Это дает им возможность кодировать сигнал. Для получения доступа к нему необходимы специальные модули. Если девайс будет использоваться для приема кабельного телевидения, то он должен поддерживать и этот стандарт.

Способы подключения

Если тюнер приобретается для работы со старым телевизором, то в нем должны быть три разъема типа «тюльпан» или RCA . Один из них используется для вывода видеосигнала, а два других передают звук в стереоформате. Большинство моделей приставок сегодня оснащены разъемом HDMI. Это современный стандарт, используемый для одновременной передачи видео- и аудиосигнала.

Наличие портов USB говорит о том, что устройство можно использовать в качестве мультимедиа-плеера. Кроме этого, к ним подключается внешний накопитель для записи телепрограмм, если такая функция поддерживается приставкой.

Также стоит обратить внимание на сквозной антенный выход, благодаря которому к приставке можно подключить сразу два ТВ-приемника без применения разветвителей.

Функциональные возможности

Так как цифровые тюнеры способны не только принимать сигнал требуемого стандарта, стоит познакомиться с их полезными функциями. Одной из них является TimeShift (отложенный просмотр). Благодаря ей трансляцию ТВ-передачи можно поставить на паузу и не пропустить интересный момент.

Также стоит обратить внимание на опцию Personal Video Recorder (PVR). С ее помощью можно записывать передачи, если нет возможности смотреть их в прямом эфире. Вполне очевидно, что для этого потребуется внешний накопитель . Многие современные модели приставок могут использоваться в качестве мультимедиа-плеера благодаря поддержке популярных форматов. Функция ТВ-гид позволяет узнать программу передач на неделю для всех доступных каналов.