Про підходи до вивчення цифрової фотографії і відеозйомки для потреб різних систем освіти

Аналіз останніх досліджень і публікацій. Методичним забезпеченням цієї тематики займаються такі автори Н.Балик, В. М. Гіковатий, В. Є.Климнюк, В. С. Лазебний, П. В. Попович, В.А. Токмань [1;4;11] та інші. Існують методичні розробки спрямовані на організацію роботи учнів з растровою графікою. Н.Балик у відомому посібнику [1] розглядає застосування растрових редактор gimp і paint.net в школі. Є й менш відомі розробки, наприклад В.А. Токмань [13] і С.Г. Овсянік [7] по роботі з растровою графікою. В.С. Лазебний, П. В. Попович підіймають питання обробки зображень вже на рівні технічного університету [14].

Метою даної роботи є розробка методичних підходів до вивчення фотовідеотехніки для учнів різних освітніх установ як в розрізі теорії, так і в практичному сенсі.

Метод дослідження: дидактико-педагогічний, порівняльний.

Виклад основного матеріалу дослідження. Засобами фіксації зображення є відеокамера, телекамера і фотоапарат або мобільні пристрої такі як планшети, смартфони, та інші (сучасні пристрої знімають як статичні зображення, так і динамічні сцени). Будь-який засіб фотовідеофіксації має в своєму складі оптичну систему - об'єктив, фільтри тощо. Об'єктив - це оптичний прилад, що складається з двох або більшого числа лінз, з'єднаних загальною оправою. Світлові промені, що йдуть від будь-якої світимої або освітленої точки, пройшовши крізь лінзи об'єктива, збираються позаду в одній точці. У цій точці промені перетинаються й починають розходитися. Якщо в точці перетину променів помістити екран, то на ньому виникне маленька світлова точка, яка представляє собою оптичне (світлове) зображення самої світимої точки. Безліч таких точок складають оптичне зображення. Теоретичною основою вивчення проходження променів через лінзи об'єктива слугує геометрична оптика. Електронні компоненти відеокамери перетворюють оптичне зображення в електричні сигнали. У сучасних пристроях «екраном» куди проектується оптичне зображення, є матриця з світлочутливих елементів. Розрізняють дві технології для матриць: прилад із зарядним зв'язком (ПЗЗ або CCD) і матриця на основі комплементарних Метал-Оксид напівпровідників (КМОН або CMOS).

Основою для сучасних твердотільних датчиків зображення є технологія метал-оксид-напівпровідник (МОП або MOS). Тут електричний заряд може зберігатися на крихітному конденсаторі MOS, який став основним будівельним блоком приладу з зарядовим зв'язком (ПЗЗ, англ.: «Charge-coupled devices», CCD). В основі ПЗЗ лежить властивість кремнію реагувати на світло в оптичному (видимому) діапазоні [10].

Функціями ПЗЗ є перетворення світлової картини спроектовану на її поверхню за допомогою об'єктива, в набір електронної інформації, придатної для подальших етапів обробки і зберігання зображень.

Матриця фотоапарата або відеокамери містить безліч окремих електронних осередків, які перетворюють потрапляюче на них світло в електричний заряд. Кожна така комірка формує піксель. Матриця розділяє на «пікселі» те зображення, яке формується об'єктивом відеокамери або фотоапарата. Пізніше таке зображення перетворюється в набір електронної інформації, що цифрується та в подальшому обробляється.

На початку процесу перетворення зображення в цифровий сигнал знаходяться операції квантування і дискретизації. До цифрової обробки відносять й стиснення даних - скорочення обсягу переданих цифрових даних через надмірність інформації, що в ній міститься [5;8]. При потокових трансляціях застосовують квантування і стиснення даних, щоб зменшити швидкість передачі потоку. При збереженні стисненого файлу на носії даних його розмір також зменшується. Стислі матеріали необхідно перед відтворенням відновити до їх вихідного розміру - декомпресувати. За стиснення і декомпресію відповідають кодеки (програмні та апаратні). Відомі алгоритми: метод кодування заміни повторюваних серій символів на один (run-length encoding RLE), алгоритм стиснення Лемпеля - Зива - Велча (Leopel-Ziv-Welch = LZW), метод Хаффмана - відноситься до процедур стиснення даних без втрат інформації, який також широко використовується при стисненні графіки і відео, в факсимільного зв'язку. Метод LZW використовується для стиснення статичних зображень в комп'ютері, він стискає послідовності величин яскравості. Це алгоритм без втрати даних. LZW-алгоритм має безліч модифікацій - використовується в програмах архіваторах (7-zip і XZ) й для стиснення зображень форматів png і gif. Важливе значення в фототехніці й телетехніці, комп'ютерній обробці, має стандарт стиснення JPEG (і його похідні формати JPEG-2000, JFIF). Основним його принципом є принцип «об'єднання» блоку з чотирьох пікселів в один канал яскравості і кольору з усередненими значеннями. Існує і похідний формат на основі цієї технології для покадрового запису відеозображень (застосовується часто в фотоапаратах і для відеозв'язку, анімації) - MJPEG - в цьому варіанті можна казати про можливість виводу відео за стисненими кадрами (Motion JPEG, MJPEG). По суті відео будується на базі повної послідовності («нарізки») з JPEG файлів. Кожен кадр MJPEG був по суті JPEG зображенням [5].

Для рухомих зображень були створені спеціальні стандарти для стиснення цифрового сигналу. Ось вони в порядку розробки: MPEG-1 (не використовується за застарілістю), MPEG-2, MPEG- 4/Н.264, Н.265. Система цифрового ТБ також заснована на ущільненні (компресії) відеосигналу і цифрових форматах. MPEG-1 мав сильний вплив JPEG [3; 8, с.120-139].

Конструктивно ПЗЗ матриця - це аналогова мікросхема, що складається з фотодіодів, розташованих на підкладці у вигляді стовпців і рядків, з керуючим затвором біля кожного фотодіода [15;6]. ПЗЗ матриця може генерувати як аналоговий електричний сигнал, так і потік цифрових даних (при наявності аналогово-цифрового перетворювача - АЦП - безпосередньо в складі матриці). АЦП підключений до виводів матриці забезпечує початкову точку «істинно» цифрового фото і телебачення з самого початку цифровим вихідним сигналом. Для формування кольорового зображення на сенсор накладається масив кольорових світлофільтрів.

КМОН, Комплементарний Метал-Оксид

Напівпровідник (англ .: CMOS, Coopleoentary Metal Oxide Semiconductor) - світлочутлива матриця, виготовлена на основі КМОН-елементів. Тут основою датчика на КМОН є прикріплений фотодіод (англ.: PPD, pinned photodiode) Це фотодетекторна структура з низьким запізненням, низьким рівнем шуму, високою квантової ефективністю. Як і ПЗЗ, КМОН-матриця складається з фотодіодів, але за збереження заряду відповідає конденсатор. Поруч з фотодіодом знаходяться транзистори. Перший грає роль електронного ключа, що відкриває ланцюг «фотодіод-конденсатор», другий встановлює конденсатор в «початковий» стан (скидання). «Початковим» станом у конденсатора КМОН- матриці буде заряджений стан, а фотодіод розряджає його [9;16].

Для зчитування інформації в структуру осередку КМОН-матриці додається додатковий транзистор - підсилювач, а також транзистори вибору комірки в складі стовпця чи рядка. Технологія КМОН дозволяє розмістити на кристалі матриці усі аналого-цифрові елементи схеми, необхідні для отримання повністю закінченої системи на кристалі (System on Chip, SoC). У КМОН-фотоприймач можуть бути вбудовані елементи цифрової обробки зображень, наприклад, медіанної фільтрації або пристрій апаратного стиснення зображення в стандартах JPEG і JPEG2000 ^[10.

Засіб фіксації зображення має як свої методи обробки знімків (відеопослідовностей), так вони ж можуть бути застосовані на більш потужному обчислювальному пристрої, наприклад персональному комп'ютері. Дані при цьому переносяться на карті пам'яті, або засіб фіксації підключається до обчислювального пристрою безпосередньо. Тип графічних даних, які приходять від камер - растрова графіка. На обчислювальному пристрої розгортається програмне забезпечення для каталогізації, сортування, редагування фотовідеоматеріалів. У графічному редакторі можливо проводити корекцію і фільтрацію зображень [1]. Учнів потрібно орієнтувати на застосування вільних редакторів (gimp, paint.net), щоб уникнути порушення авторських прав. Крім того, в Україні саме вони рекомендовані для подання творчих робіт учнями на конкурси.

При обробці зображень застосовують різні інструменти для їх покращення (ретуші). Багато з них вбудовані в графічні програми (Adobe Photoshop, Adobe Lightroom, gimp тощо), але є й версії для обчислювальних пакетів, приміром як система моделювання MATLAB з набором інструментів Image Processing Toolbox [14].

Методи обробки зображень поділяються на такі, що застосовані до площини зображення в цілому - тобто базуються на прямих маніпуляціях з пікселями зображень, і такі що розглядають зображення як особливу форму сигналу - представлення зображень в області просторових частот.

Піксельна обробка найчастіше виглядає як додавання шумів та усереднюючих фільтрів. Частотні методи фільтрації в основному полягають у застосуванні методів лінійної фільтрації, де передує за застосуванням перетворення Фур'є, що забезпечує алгоритми фільтрації при рішенні проблеми поліпшення, відновлення й стискання висхідних зображень [14].

Для захоплення (запису) зображень від аналогових джерел, IP-камер, застосовують відеопалати і контролери різних видів. Г.Г. Галустов і С.Н. Мелешкін розробили лабораторну роботу, що ілюструє співвідношення аналогового та цифрового телебачення із застосуванням плат телетюнерів на базі відеопроцесора PHILIPS SAA6752HS з керованою апаратною обробкою сигналу за методом mpeg2/mpeg4 [2]. Це продуктивний шлях для використання таких комп'ютерних плат в справі навчання основам телевідеотехніки. Зараз мода на аналогові телетюнери пройшла і ціни на них впали. Маючи стаціонарний комп'ютер десь 10-річної давнини можна відносно недорого зібрати стенд для навчання методам стиснення і кодування відеоінформації. Видеосигнал можна подавати як через RCA (рідше S-video) входи, так і за допомогою окремого приладу RF-модулятора, що перетворює аналоговий відеосигнал з будь-якого джерела в канал метрового або дециметрового діапазону для подачі на антенний вхід телетюнеру. Зауважимо, що знайти в продажу тюнер з такими багатими налаштуваннями як в розробці Галустова і Мелешкіна вже нелегко.

Ґрунтуючись на методичних розробках для навчальних закладів різних рівнів, практику гурткової роботи можна сформулювати примірний план роботи учнів (студентів, вихованців, слухачів) над проблематикою вивчення та застосування фотовідеотехніки, «фотосправи» (говорячи старою мовою) [4; 12]. Звичайно дивлячись на тематику, завдання курсу навчання, вік, освітній рівень учнів (слухачів, студентів) треба коригувати обсяги та тематичну спрямованість матеріалу.

I. Пристрої фіксації зображень. Історія фотографії та кіно. Геометрична оптика, лінзи, оптичні системи, об'єктиви. Пристрої фіксації зображень та відеопослідовностей. Історія створення та проектування таких пристроїв. Принципи роботи сучасних фотоапаратів, вбудовані фотокамери, відеокамери, сканери.

II. Робота з контентом.

а) Створення та редагування зображень, розуміння форматів - бачити їх плюси та мінуси; здійснювати імпорт зображення в друковані та електронні документи, оптимізувати їх для різних галузей застосувань. Накопичення та систематизація зображень. Програма xnview.

б) Характеристики і властивості кольору. Глибина кольору. Монохром та напівтон у зображеннях. Колірні моделі RGB, CMYK, Lab.

в) Обробка растрових зображень програмними засобами Adobe Photoshop та gimp [1]. Підвищення різкості, фільтри розмиття, імітації світлових ефектів. Прийоми виділення й редагування областей складної форми («чарівна паличка», зонування). Тоново-колірна корекція зображення.

г) Створення та редагування відеопослідовностей, формати відео, їх перетворення, монтаж відео, запис та додавання звукової доріжки, збереження, їх імпорт. Створення відео кліпу в Movie Maker. Відеоредактори Avidemux, Kdenlive, vidcut, openshot, Free Studio; Virtual Dub тощо. Відеоплеєри windows media, mpv(mplayer), vlc, media classic; кодеки, пакети кодеків [3].

III. Запис даних на оптичні носії (CD, DVD, BD). Можливість запису оптичних дисків засобами Windows. Програми Nero, k3b. Зберігання даних на магнітних дисках (HDD) та твердотільних накопичувачах (SSD).

IV. Застосування контенту. Фотовідеотехніка як засіб фіксації для лабораторних робіт (уповільнення механічних процесів, оцінка розмірів, візуальні перетворення об'єктів та речовин, зйомка предметного поля мікроскопів, показників приладів, «захоплення» екрану комп'ютера, тощо). Художня творчість, дизайн, поліграфія, презентації, застосування зображень та відео в технологіях Інтернет [12].

Висновки з дослідження і перспективи подальших розробок. У статті окреслено методичні підходи до вивчення фотовідеотехніки, розглянуто підходи до створення лабораторних робіт з використання мултимедіа в системах навчання. Розглянута теоретична основа приблизного плану навчального курсу. Робиться акцент на вивченні вільно поширюваного програмного забезпечення з метою безкоштовного доступу учнів до вивчення методів роботи з обробки статичних та динамічних зображень. Останнім часом, у зв'язку з дистанційною формою навчання особливої актуальності набуває проблема методичного забезпечення курсів зі створення та обробки цифрового фото та відео - контенту в закладах освіти різних типів. В сучасному суспільстві є велика потреба у якісному науковому підході до створення мультимедійного контенту, який має базуватися не інтуїтивно, а на основі наукових теорій і методик фотографування та відеозйомки шляхом гурткової роботи та проведення спеціалізованих курсів.