Основы цифровой фотографии

Из этой главы вы узнаете:
что такое цифровая фотография;
как зависит размер фотографии от количества точек, из которых она состоит. Цифровая фототехника внешне практически не отличается от аппаратуры, использующей
традиционные материалы. Отличительная особенность электронных методов состоит в том, что изображение фотографируемого объекта для его регистрации предварительно преобразуется в электрический сигнал. Для оптико-электронного преобразования сигнала, осуществляемого на первой стадии процесса регистрации изображения, используют различные приборы с зарядовой связью (ПЗС) и микроканальные усилители изображения. Возникающий на выходе «входного» преобразователя электрический сигнал записывается на носителе записи. В обычном же фотоап¬парате фиксация изображения осуществляется на фотоматериале как галогенидосеребряном, так и бессеребряном (рис. 1, 2).

Основные понятия и определения Пиксель — начало всему

Цифровое изображение представляет собой мозаику из очень маленьких элементов — пикселей (picture elements — picsels). Подобно тому, как художник- импрессионист с помощью красочных мазков изображает на полотне живописные сцены, компьютер и принтер используют точечные элементы для отображения этого же изображения на мониторе или для печати на принтере. Для этого компьютер строит на экране или фотоснимке сетку, состоящую из сотен тысяч или миллионов ячеек-пикселей. Каждая такая ячейка содержит информацию о цвете и яркости, представляемой ею точки, а их последовательность хранится в файле, описывающем данное изображение. Полученная матрица или таблица называется битовой картой (Bitmap). Слово «карта» — синоним слова «таблица», а слово «бит» — это минимальная единица информации (она имеет два состояния: 1 или 0) (рис. 3).

Это мозаичное панно, выложенное из зерен фасоли, очень удачно демонстрируют принцип, по которому из отдельных элементов формируется цельное изображение.

Каждый пиксель, как и зерно, представляет отдельную точку изображения, имеющую

свой цвет.

Битовая карта для компьютера — это массив цифровых значений, которые заносятся в ячейки памяти (память в известном смысле тоже таблица) и могут быть подвергнуты обработке. Физический размер ячейки выражается через разрешение: количество точек изображения

на единицу длины, обычно дюйм (сокращается как точек/дюйм, или dots/inch). От разрешения напрямую зависит качество цифрового изображения, независимо от того, выводится ли оно на экран монитора или на принтер. Чем больше разрешение изображения, а, следовательно, количество пикселей,

использованных для его получения, тем большей четкости, деталировки и резкости фотографии можно добиться при дальнейшей ее обработке. Кроме того, допустим у нас имеется два изображения одинаковых по размерам, но с разным разрешением. При выводе на экран изображения с меньшим разрешением, чем у экрана, программа «старается» сохранить размер изображения, поэтому для отображения каждого элемента

изображения используется несколько пикселей экрана. Похожая картина будет наблюдаться на любом устройстве вывода (принтер, фотонаборный автомат и т.п.), если разрешение изображения недостаточное для него. Данный эффект получил название пикселизации. Но он полностью отличается от процесса образования зернистости на обычных фотоснимках при попытке фиксации на серебросодержащем фотоносителе значительно увеличенного фрагмента изображения (рис. 4).

Рис. 4

 Механизм получения изображения

Набор сенсоров заменяет фотопленку. Основной орган аппарата — ПЗС-матрица, которая исполняет роль светочувствительного слоя фотоматериала. Элементы ПЗС-матрицы имеют размер в несколько микрон и расположены в определенном порядке на полупроводниковой пластине (рис. 6). При экспозиции каждый ПЗС-элемент электрически заряжается пропорционально количеству попавшего на него света. После этого заряды записываются на носитель памяти в виде цифровой последовательности, содержащей информацию о цвете и яркости каждой точки изображения, в доступном для компьютера формате. С помощью компьютера полученное изображение может быть перенесено на бумагу и другие материалы.

 Таким образом, во время цифровой фотосъемки фотограф освобождается от

ступеней процесса, связанных cхимической обработкой материалов, да и материалы как таковые практически отсутствуют.

Рассмотрим этот процесс более подробно. На первом этапе, как и в обычном фотоаппарате, свет проникает внутрь через систему линз. В цифровых камерах применяют, как правило, три типа устройств контроля за продолжительностью воздействия (выдержка) световых лучей на элементы ПЗС-матрицы (сенсоры), или, иначе говоря, три типа затворов:

-электрически управляемые элементы ПЗС-матрицы используются самостоятельно для задания времени выдержки, специальная схема управляет временем включения и отключения непос­редственно самих сенсоров;

-электромеханический затвор — устройство, позволяющее управлять выдержкой с помощью электронных схем. выполненных в виде модулей или блоков;

-электро-оптический затвор — электрически управляемое устройство, которое располагается непосредственно перед ПЗС-матрицей, изменяя направление падения света.

При открытом затворе фотографируемая сцена посредством системы линз фокусируется на ПЗС-матрицу.  Какие-то сенсоры фиксируют очень яркие фрагменты, а какие-то — тени, все же остальныезапоминают полутона. Каждый элементматрицы преобразует падающий свет в электрический сигнал. Когда же затвор закрывается, и выдержка полностью отработана, матрица «вспоминает» первоначальную картину распределения света. Сенсоры в более светлой области имеют более высокий заряд, чем сенсоры в мало освещенной области. Затем эти различные по силе заряды преобразуются в цифровые выражения, которые, в свою очередь, служат для воссоздания первоначального изображения (рис. 7, 8).

Рис. 7, 8

Матрицу фотоэлементов можно представить в виде обычной матрицы, где каждое численное значение соответствует количеству поглощенного света. Темным участкам соответствуют минимальные значения, а светлым — максимальные.

Трехмерное представление матрицы численныхзначений, находящихся в памяти фотоаппарата, дает полное представление об уровне светового сигнала полученного от каждой точки изображения. Благодаря этому впоследствии можно достаточно точно (в зависимости от разрядности аналого-цифрового преобразователя) воспроизвести оригинальное изображение. Чем выше разрядность аналого- цифрового преобразователя, тем больше различных оттенков яркости может воспроизвести цифровой фотоаппарат.

 Глубина цвета

Разрядность обработки цвета, также называемая глубиной цвета (color depth), описывает максимальное количество цветов, которое способна принять ПЗС-матрица на каждый из трех (красный, синий, зеленый) основных каналов. Этот параметр обычно выражается в битах на цвет или в битах на цветовой канал. Вычислить количество воспроизводимых цветов просто — достаточно возвести двойку в степень  разрядности цвета камеры, либо, если  разрядность представлена в битах на канал, возвести двойку в степень разрядности цвета в канале и полученное значение возвести в куб.  Для удобства используют суммарное значение для всех трех цветов. Например, значение 36 бит означает, что на каждый цвет отводится 12 бит информации.
Для аналоговых фотокамер этот параметр неприменим. Считается, что фотопленка при равных условиях съемки способна предоставить более качественное и реалистичное изображение. Исключения составляют дорогостоящие цифровые фотокамеры с матрицей в десять и более мегапикселей, которые применяются для профессиональной работы. По качеству получаемых фотографий они вплотную приближаются к профессиональным аналоговым камерам.
Чем больше бит отводится на каждый канал цифрового фотоаппарата, тем больше градаций цвета он может отобразить.

К примеру, 8 бит позволяют отобразить 256 оттенков (28), 10 бит позволяют отобразить 1024 (2*) оттенка, а 12 — 4096
(212). Комбинируя 3 цветовых канала по 8, 10 или 12 бит, можно получать изображения с 24, 30 или 36 разрядным цветом.

Размер изображения 

Размер цифровой фотографии задается двумя способами — в пикселях или общим количеством пикселей, содержащихся в изображении. Например о некотором изображении можно сказать, что оно имеет размер 1600 х 1200 пикселей (где знак «х» заменяет собой слово «на»: 1600 на 1200), или что оно содержит 1,92 млн пикселей (1600 х 1200= 1920 000) (рис. 5).
Большая часть пользовательских камер, входящих в ценовой диапазон до 1000
долларов с общим количеством пикселей до 2 млн, позволяют получать качественные фотоснимки размером 8 х 10 дюймов или 20 х 25 см. Причем, если использовать более низкое разрешение, можно получать великолепные по качеству изображения для использования при верстке WеЬ-страниц, обмена фотографиями по электронной почте, печати наклеек или изображений для документов и различного рода презентаций. Для этих целей более высокое разрешение не даст ощутимого эффекта.

Пропорции фотографии

Пропорция фотоснимка — это не что иное, как отношение высоты изображения к его ширине. Пропорции квадрата составляют один к одному (1:1), а 35-мм фотопленки — 1,5:1. Большая часть размеров ПЗС-матриц находится в этих пределах. В некоторых цифровых камерах пропорции матрицы и видоискателя не совпадают. В этом случае вы не сможете получить полное представление о фотографируемой сцене.

Для того чтобы вычислить пропорции .любой ПЗС-матрицы, необходимо разделить большее число в разрешении камеры на меньшее. Например, если матрица имеет разрешение 1800 х 1600, необходимо разделить 1800 на 1600. В данном случае пропорциональность 1,33 не совпадает с пропорцией 35-мм пленки (рис. 9).

Светочувствительность

 Зависимость величины фотографического эффекта от количества освещения, полученного фотослоем, чаще всего описывается сенситомегрической характеристикой:

Между точками А и В интенсивность может быть любой: датчик реагирует одинаково, точнее, практически не реагирует. Между точками В и С он начинает потихоньку просыпаться, а потом его реакция повышается, но сигнал датчика неточно передает световые переходы в изображении. Наибольшая часть между точками С и D в основном линейна (прямая), и тут интенсивность света переводится на соответствующую интенсивность в прямой пропорции (переходы воспроизводятся верно). В конце кривой мы наталкиваемся на ту же проблему, что и в начале. Хуже всего, что участки изображения с интенсивностью света большей, чем в точке Е, интерпретируются как белые. Это так называемые пережженые места, на которых вместо постепенного перехода интенсивности — белое пятно. Пережженную область, к сожалению, нельзя устранить общей обработкой снимка. Хуже всего выглядят эти солнечные зайчики на фотографиях людей, особенно там, где должны быть волосы.
Другим важным параметром является чувствительность. Чувствительность — это способность материала или сенсора принимать количество света и реагировать на него. Элемент с большей чувствительностью хорошо реагирует даже в плохих световых условиях. Цифровые фотоаппараты чаще всего имеют чувствительность ISO (Interna¬tional Organization for Standardization) 100, 200 или 400.
В цифровой камере нет пленки, но есть электроника, потому настройка чувствительности является настройкой параметров электроники.
Значение чувствительности соответствует некой основной величине, на которую рассчитана камера. Скажем, она соответствует характеристике сенситометрической кривой на изображении. Что будет, если изменить чувствительность? По существу, мы просто переместим точки на кривой, не меняя ее форму. Например, мы понижаем чувствительность в два раза. Тогда точка с середины кривой переместится в конец, а вся рабочая область — туда, где появляются нежелательные пережженные пятна.
Важно также, что каждый датчик сопровождается шумом (помехами). Если мы повышаем чувствительность, происходит «вытаскивание» уровня шума по направлению к видимым величинам. Это то же самое, как если бы в проигрывателе Winamp увеличили в эквалайзере значение с 0 дБ до +20 дБ. Соседей вы этим не оглушите, но появится небольшое искажение и шум не свойственные звуку обычной интенсивности. Камеры с более высоким ISO позволяют снимать движущиеся объекты, а также работать в условиях приглушенного света.

 Качество изображения

Качество снимков, которые вы делаете с помощью вашего цифрового друга, очень сильно, если не полностью, зависит от качества ПЗС-матрицы. Обычные фотоаппараты представляют собой не что иное, как футляры, в которые вы вставляете фотопленку любого типа та ваш вкус и выбор). Именно тип фотопленки определяет конечные цвета и световые переходы. Если вам показалось, что данный тип фотопленки дает слишком сильное смещение в сторону синего или красного, вы всегда можете его поменять. Однако в цифровой фотокамере, это неотъемлемая часть самого аппарата, так что, покупая его, вы тем самым навсегда останавливаете свой выбор на определенном типе «фотопленки». Так же как и в случае с обычной фотопленкой различные ПЗС-матрицы воспроизводят цвета по- разному, имеют различные виды «зерна» и светочувствительность.